一种永磁同步电机的转子位置获取方法

：本发明涉及永磁同步电机领域，尤其是涉及一种永磁同步电机的转子位置获取方法。

背景技术

0、背景技术：

1、随着航空航天工业的发展，对伺服机构的体积、质量，尤其是功率质量比、智能化、效率和自动化的要求越来越高。电动伺服系统具有结构简单、质量更轻、成本较低、控制稳定性高等优点。因此，电动伺服机构在导弹的推力矢量控制系统中的应用逐渐增多。导弹在飞行过程中除了沿正常轨迹改变方向外，还不可避免的收到高动态压力、风阻、高温、燃料质量变化等非线性因素干扰。为了在恶劣工况下实现伺服系统的高性能控制，需要高精度的转子位置获取技术。光电编码器和旋转变压器通常体积较大、成本较高、可靠性不高；无位置传感器技术并不成熟且不能保证全速度范围内的稳定运行；开关霍尔传感器体积较小、成本较低、可靠性高，但存在位置信号分辨率较低的问题，难以实现高精度控制。因此，基于低分辨率开关霍尔传感器的永磁伺服系统转子位置获取方法成为急需解决的难题。

2、国内外众多学者对基于开关霍尔传感器的永磁伺服系统转子位置获取方法进行了研究，主要有插值法、同步坐标系滤波法、观测器法等。插值法通常分为平均速度插值法和平均加速度插值法。前者利用前一个霍尔区间的平均速度估算下一个区间的转子位置并通过霍尔边界进行角度校正。后者在平均速度插值法的基础上引入了加速度，进一步提高了估算精度。但是插值法较依赖前一区间的信号，估算结果准确度较低。开关霍尔传感器提供的离散位置信号可以看作是准确的位置基波信号和噪声的叠加，为了获取需要的位置信息，需要设计低通滤波器将噪声滤除。由于霍尔信号中所包含的位置信号频率是随着转速变化的，因此有学者提出同步坐标系滤波法对位置进行估计。但是在低速下，谐波含量在霍尔信号中的比例会增加，因此低速时的位置估算结果显著下降。后续学者提出矢量跟踪观测器，实现了转子位置的估计，但由于离散信号中含有较多的谐波，在转速范围较宽的场合无法胜任。综上所述，现有基于开关霍尔传感器的永磁伺服系统转子位置获取方法各有优劣，均存在一定的局限性，估算精度低、抗扰性能差等都会进一步影响电机的控制精度。

技术实现思路

0、技术实现要素：

1、本发明基于以上问题，提出一种永磁同步电机的转子位置获取方法，本发明的技术方案包括以下步骤：

2、s1、在滑模面函数中引入积分项，设计一种新型控制率；

3、s2、用平均加速度插值法对霍尔位置信号进行细分，将其作为观测器中锁相环的前馈输入；

4、s3、由霍尔速度信号设计滑模观测器的转速自适应参数，搭建一种改进型永磁电机滑模位置观测器。

5、进一步的，步骤s1中设计滑模面函数为：

6、

7、其中x为系统状态变量，m＞0、n＞0、δ＞1、λ＞1均为观测器待设计参数。

8、用sigmoid函数替代传统滑模控制率中的符号函数：

9、

10、上式中ξ＞0，sigmoid函数切换比符号函数更加平滑，有效减少了高频切换带来的抖振问题。

11、当系统达到滑模状态时：

12、

13、滑模面函数可表示为：

14、

15、为获得扩展反电动势的估计值，传统滑模观测器设计为：

16、

17、上式中为定子电流的观测值，ua、uβ是αβ轴电压为观测器的控制输入，va、vβ为扩展反电动势的估计值，

18、将新型滑模观测器滑模面函数带入状态电流误差系统(2.5)，设计新的滑模控制率：

19、v＝veq+vsw                         (2.6)

20、控制率由等效控制率veq和开关控制率vsw组成。

21、开关控制率vsw可以保证系统在滑模面上的状态：

22、vsw＝-εs-ηsgn(s)                       (2.7)

23、当设计等效控制率，等效控制率veq保证了系统在有效的时间内快速接近滑模面：

24、

25、因此新的滑模控制率可以设计为：

26、

27、进一步的，步骤s2中用平均加速度插值法对霍尔位置信号进行细分，将其作为观测器中锁相环的前馈输入：

28、计算转子在之前两个霍尔区间i-2、i-1内的平均速度：

29、

30、

31、以估算平均速度为每个区间的中心点瞬时速度，计算平均加速度：

32、

33、计算当前霍尔区间内转子的转速和位置估计值：

34、ωi＝ωi-1+ai-1δt                      (2.13)

35、θ＝θi+ωiδt                       (2.14)

36、将霍尔信号作为观测器中锁相环的前馈输入，引入反电动势对霍尔信号进行误差检测，通过锁相环对检测误差进行校正，提高位置反馈精度。

37、进一步的，步骤s3中由霍尔速度信号设计滑模观测器的转速自适应参数，搭建一种改进型的永磁电机滑模位置观测器：

38、为了保证不同转速下对反电势具有良好的滤波能力，设计一种转速自适应滤波器：

39、

40、式中ωc为滤波器截止频率，ωhall为细分后的霍尔速度。

41、同时，为了解决低通滤波器带来的相位滞后问题，降低转子位置估算误差，设计相应的转速自适应滞后角度补偿：

42、

43、上式中ωe为实际电角速度，p为极对数。

44、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

45、本发明首先在滑模观测器中引入了sigmoid函数，当系统接近滑模面的时，使得系统在滑模面附近上下切换较为平滑，有效减少了高频切换带来的抖振问题，增强了系统的抗扰能力。其次将经过插值法细分的霍尔信号作为滑模观测器的前馈输入，引入反电动势对霍尔信号进行误差检测，通过锁相环对检测误差进行校正，提高位置反馈精度。进一步通过对滑模位置观测器的参数优化设计，减小了系统抖振现象，提高了控制系统的控制精度和鲁棒性。

技术特征：

1.一种永磁同步电机的转子位置获取方法，其特征在于，所述方法包括以下三个步骤：

2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机的转子位置获取方法，其特征在于，步骤s1中设计滑模面函数为：

3.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机的转子位置获取方法，其特征在于，步骤s2中用平均加速度插值法对霍尔位置信号进行细分，将其作为观测器中锁相环的前馈输入：

4.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机的转子位置获取方法，其特征在于，步骤s3中由霍尔速度信号设计滑模观测器的转速自适应参数，搭建一种改进型的永磁电机滑模位置观测器：

技术总结本发明公开了一种永磁同步电机的转子位置获取方法，应用于永磁伺服电机领域。本发明提出一种永磁同步电机的转子位置获取方法，提高了霍尔信号的分辨率、位置反馈信号精度，有效减轻了滑模观测器中的抖振问题。本发明在滑模面函数中引入积分项，设计了一种新的滑模控制率；用平均加速度插值法细分霍尔信号并作为滑模观测器中锁相环的前馈输入，引入反电动势对霍尔信号进行误差检测，通过锁相环对检测误差进行校正，提高位置反馈精度；用细分的霍尔信号设计滑模观测器的转速自适应参数，有效减轻滑模观测器中带来的抖振问题。技术研发人员：董兆鹏,卜飞飞,刘佳,杜仁慧,赵亚俊,秦海鸿,孙莹莹,蒋飞龙受保护的技术使用者：南京航空航天大学技术研发日：技术公布日：2024/7/25