本發(fā)明涉及機(jī)電控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及無刷直流電機(jī)的無位置傳感器控制系統(tǒng)，具體涉及一種無位置傳感器無刷直流電機(jī)的寬速滑模觀測器。

背景技術(shù)：

無刷直流電機(jī)(Brushless DC Motor，BLDCM)無需電刷便可實(shí)現(xiàn)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子之間的電氣連接，融合了直流電機(jī)和交流電機(jī)各自的特點(diǎn)，具有控制方式簡單、轉(zhuǎn)矩特性高、動態(tài)響應(yīng)快、調(diào)速性能良好和制造工藝簡單的優(yōu)勢，特別適用于對空間大小有較高要求的場合。

為確保無刷直流電機(jī)的正常連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，需要通過位置傳感器獲取轉(zhuǎn)子的位置信息以便進(jìn)行換相。然而，位置傳感器的使用容易受周圍環(huán)境和條件影響且使用壽命有限，降低了控制系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，霍爾位置傳感器的存在使得系統(tǒng)的空間占比無法進(jìn)一步縮小，不利于其在一些空間資源不足的場合發(fā)揮作用，也加大了生產(chǎn)和維護(hù)的難度，提高了制造成本，限制了制造工藝的進(jìn)一步提升。

為消除上述位置傳感器帶來的不利影響，進(jìn)一步減小控制系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的成本和空間大小，可采用軟硬件結(jié)合的技術(shù)避免位置傳感裝置的使用，通過軟件算法來提供電機(jī)連續(xù)換相所需的位置信息，再據(jù)此估計(jì)出轉(zhuǎn)子速度信息，并將其反饋給控制器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)速控制。特別是在一些極端環(huán)境下，位置檢測裝置無法正常穩(wěn)定地工作，無位置傳感器控制技術(shù)依舊能夠確保系統(tǒng)具有良好穩(wěn)定的控制性能。因此，世界各國各地越來越多的學(xué)者和科研人員積極參與到高效穩(wěn)定且適用廣泛的無位置傳感器控制技術(shù)的研究中來。

通過文獻(xiàn)(Position and Speed Control of Brushless DC Motors Using Sensorless Techniques and Application Trends[J].SENSORS,2010,10(7):6901-6947.)可知，目前較常用且相對精準(zhǔn)的無位置傳感器的轉(zhuǎn)子位置檢測方法分為基于反電勢檢測和基于模型兩大類。

基于反電勢的檢測方法有反電勢過零檢測法、三次諧波電壓積分法、續(xù)流二極管檢測法和反電勢積分法，這些方法都受到速度條件的限制，在低速時(shí)性能較差、誤差較大且不適用于需要頻繁調(diào)速系統(tǒng)，或存在無法消除換相誤差，易引起誤差積累和偏差的問題。

在基于模型的估計(jì)方法中，應(yīng)用最廣泛的是狀態(tài)估計(jì)法，主要包括擴(kuò)展卡爾曼濾波法(EKF)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法(ANN)、模型參考自適應(yīng)法(MARS)和滑模觀測器法(SMO)，適用的速度范圍相對更加寬廣，但難免存在缺點(diǎn)。擴(kuò)展卡爾曼濾波具有復(fù)雜的算法和結(jié)構(gòu)，限制了其在實(shí)際工程中的推廣。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為了系統(tǒng)參數(shù)辨識取得好的結(jié)果，常采用在線辨識方式，引入了耗時(shí)長和實(shí)時(shí)性較低的缺點(diǎn)。模型參考自適應(yīng)法對參數(shù)過于敏感，如果參考模型選取不準(zhǔn)可能導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)散，所以穩(wěn)定性較差。區(qū)別于以上三種方法，很多學(xué)者提出了結(jié)構(gòu)簡單且便于實(shí)現(xiàn)的滑模觀測器法，對內(nèi)部參數(shù)和外界擾動有一定的魯棒性，但魯棒性依舊有待加強(qiáng)，同時(shí)由于滑模結(jié)構(gòu)特點(diǎn)存在無法消除的固有抖振。此外，目前常用的滑模觀測器大多只適用于特定速度范圍，在速度過低或者過高的條件下存在估計(jì)誤差較大的缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種無位置傳感器無刷直流電機(jī)的寬速滑模觀測器，能夠擴(kuò)大滑模觀測器的速度適用范圍，實(shí)現(xiàn)較寬速度范圍內(nèi)的估計(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更寬范圍的調(diào)速控制。

本發(fā)明的無位置傳感器無刷直流電機(jī)的寬速滑模觀測器，將無刷直流電機(jī)的參考輸入速度分為低速、中速和高速三個(gè)速度區(qū)間；當(dāng)無刷直流電機(jī)的參考輸入速度處于不同速度區(qū)間時(shí)，所述滑模觀測器的滑膜面函數(shù)的邊界層厚度不同；其中，無刷直流電機(jī)的參考輸入速度為低速時(shí)對應(yīng)的滑膜面函數(shù)的邊界層厚度大于中速時(shí)對應(yīng)的滑膜面函數(shù)的邊界層厚度；無刷直流電機(jī)的參考輸入速度為高速時(shí)對應(yīng)的滑膜面函數(shù)的邊界層厚度小于中速時(shí)對應(yīng)的滑膜面函數(shù)的邊界層厚度。

進(jìn)一步地，所述低速為：無刷直流電機(jī)的參考輸入速度小于或等于電機(jī)額定轉(zhuǎn)速的30％；所述高速為：無刷直流電機(jī)的參考輸入速度大于或等于電機(jī)額定轉(zhuǎn)速的70％。

進(jìn)一步地，所述各速度區(qū)間所對應(yīng)的滑膜面函數(shù)的邊界層厚度為定值。

進(jìn)一步地，所述中速區(qū)間所對應(yīng)的滑膜面函數(shù)的邊界層厚度為定值，高速和低速區(qū)間所對應(yīng)的滑膜面函數(shù)的邊界層厚度為變值。

進(jìn)一步地，所述各速度區(qū)間所對應(yīng)的滑膜面函數(shù)的邊界層厚度為變值，所述邊界層厚度隨著無刷直流電機(jī)的參考輸入速度的減小而增大。

進(jìn)一步地，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器或一維模糊控制器實(shí)現(xiàn)所述邊界層厚度的自適應(yīng)變化控制。

進(jìn)一步地，采用一維模糊控制器進(jìn)行邊界層厚度的自適應(yīng)變化控制，其中，以無刷直流電機(jī)的參考輸入速度的絕對值|ω_ref|作為模糊控制器的輸入變量，以邊界層厚度φ為輸出變量；輸入變量|ω_ref|和輸出變量φ的論域分別選取為{0,0.25,0.5,0.75,1}和{0,0.2,0.4,0.6,0.8,1}，對應(yīng)的模糊語言子集為{零，正小，正中，正大}；模糊控制規(guī)則為：當(dāng)輸入變量|ω_ref|較小時(shí)，模糊控制器的輸出變量φ較大；當(dāng)輸入變量|ω_ref|較大時(shí)，模糊控制器的輸出變量φ較小。

進(jìn)一步地，所述模糊控制規(guī)則為：

(1)當(dāng)輸入變量|ω_ref|為零，模糊控制器的輸出變量φ為正大；

(2)當(dāng)輸入變量|ω_ref|為正小，模糊控制器的輸出變量φ為正中；

(3)當(dāng)輸入變量|ω_ref|為正中，模糊控制器的輸出變量φ為正??；

(4)當(dāng)輸入變量|ω_ref|為正大，模糊控制器的輸出變量φ為零。

進(jìn)一步地，采用正弦飽和函數(shù)作為滑模面函數(shù)。

有益效果：

(1)本發(fā)明將無刷直流電機(jī)的參考輸入速度分為低速、中速和高速三個(gè)速度區(qū)間，根據(jù)直流電機(jī)的參考輸入速度的不同調(diào)整邊界層厚度：在低速時(shí)增大邊界層厚度，有效抑制抖振；在高速時(shí)減小邊界層厚度，加快觀測器響應(yīng)速度，減小估計(jì)誤差，從而在整體上提高了滑模觀測器準(zhǔn)確的觀測范圍和估計(jì)精度，進(jìn)而獲取更好的估計(jì)效果和實(shí)現(xiàn)更寬范圍的調(diào)速控制。

(2)可以將各速度區(qū)間對應(yīng)的滑膜面函數(shù)的邊界層厚度設(shè)為定值，調(diào)節(jié)簡單，便于實(shí)現(xiàn)；也可以將各速度區(qū)間對應(yīng)的滑膜面函數(shù)的邊界層厚度設(shè)為變值，提高響應(yīng)精度。

(3)采用正弦飽和函數(shù)作為滑模面函數(shù)，無需使用低通濾波器即可有效抑制抖振，且收斂速度快、估計(jì)精度高。

(4)采用一維模糊控制器實(shí)現(xiàn)邊界層厚度的自適應(yīng)變化控制，實(shí)現(xiàn)方法簡單、魯棒性強(qiáng)。

附圖說明

圖1為自適應(yīng)邊界層厚度調(diào)整示意圖。

圖2為隸屬度函數(shù)；(a)輸入變量|ω_ref|，(b)輸出變量φ。

圖3為寬速滑模觀測器的結(jié)構(gòu)。

圖4為基于寬速滑模觀測器的無位置傳感器電機(jī)系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖。

圖5為低速下傳統(tǒng)滑模觀測器速度估計(jì)和誤差仿真對比圖。

圖6為低速下寬速滑模觀測器速度估計(jì)和誤差仿真對比圖。

圖7為高速下傳統(tǒng)滑模觀測器速度估計(jì)和誤差仿真對比圖。

圖8為高速下寬速滑模觀測器速度估計(jì)和誤差仿真對比圖。

圖9為本發(fā)明的寬速滑模觀測器估算流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖并舉實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。

本發(fā)明提供了一種無位置傳感器無刷直流電機(jī)的寬速滑模觀測器，以傳統(tǒng)滑模觀測器為基礎(chǔ)，對無位置傳感器無刷直流電機(jī)速度控制系統(tǒng)中的滑模觀測器進(jìn)行改進(jìn)。

在一個(gè)無位置傳感器控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)滑模觀測器通常采用Signum函數(shù)和Sigmoid函數(shù)作為滑模面函數(shù)。Signum函數(shù)需要配合低通濾波器才能達(dá)到抑制抖動的目的，帶來嚴(yán)重相位延遲，降低了估計(jì)精度。Sigmoid函數(shù)相比Signum函數(shù)，抑制滑模固有抖振的同時(shí)又能夠避免低通濾波器使用帶來的嚴(yán)重相位延遲，但是卻存在以下問題：(1)響應(yīng)速度變慢且可能造成穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時(shí)的脈動，尤其是當(dāng)滑模觀測器需要要求在更寬的速度范圍運(yùn)作時(shí)，更加無法保證觀測器的快速的響應(yīng)；(2)傳統(tǒng)滑模觀測器在設(shè)計(jì)時(shí)會選定參數(shù)，然而這些參數(shù)僅針對特定速度條件下能取得最好的估計(jì)效果，卻對不同速度條件缺乏適應(yīng)性，所以無法在更寬的調(diào)速范圍下獲得精準(zhǔn)的估計(jì)。

由此，本發(fā)明提出一種具有可變邊界層滑膜面函數(shù)的寬速滑模觀測器：所述滑模觀測器的滑膜面函數(shù)的邊界層厚度根據(jù)不同的無刷直流電機(jī)的參考輸入速度進(jìn)行調(diào)節(jié)：將無刷直流電機(jī)的參考輸入速度分為低速、中速和高速三個(gè)速度區(qū)間，當(dāng)無刷直流電機(jī)的參考輸入速度處于不同速度區(qū)間時(shí)，所述滑模觀測器的滑膜面函數(shù)的邊界層厚度不同；當(dāng)參考輸入速度處于低速時(shí)(參考輸入速度小于或等于電機(jī)額定轉(zhuǎn)速30％)，通過增大邊界層厚度來削弱滑模觀測器的活動，從而達(dá)到有效抑制抖振的目的，進(jìn)而確?；Ｓ^測器的輸出具有良好的穩(wěn)態(tài)性能和準(zhǔn)確的估計(jì)效果；當(dāng)參考輸入速度處于高速時(shí)(參考輸入速度大于或等于電機(jī)額定轉(zhuǎn)速70％)，通過減小邊界層厚度來增強(qiáng)滑模觀測器的活動，增強(qiáng)對外部擾動和自身參數(shù)變化的魯棒性，提高響應(yīng)速度和估計(jì)精度。

各速度區(qū)間所對應(yīng)的滑膜面函數(shù)的邊界層厚度可以為定值；也可以為變值，滿足邊界層厚度隨著參考輸入速度的減小而增大的自適應(yīng)規(guī)律。

此外，在實(shí)際工程應(yīng)用中滑模觀測器滑膜面函數(shù)的邊界層厚度不宜過小或過大，厚度過小的邊界層會帶來嚴(yán)重抖振，反之則會帶來很大誤差?？赏ㄟ^多次實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)找出這兩個(gè)臨界值，限定邊界層厚度在有效區(qū)間內(nèi)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。

其中，所述滑膜面函數(shù)可以采用傳統(tǒng)的Signum函數(shù)或Sigmoid函數(shù)。本發(fā)明采用新型正弦飽和函數(shù)代替Signum函數(shù)或Sigmoid函數(shù)作為觀測器的滑模面函數(shù)：相比Signum函數(shù)，它無需使用低通濾波器即可有效抑制抖振；相比Sigmoid函數(shù)，具有更加快速的收斂速度和更高的估計(jì)精度。

下面給出一個(gè)基于具有可變邊界層飽和正弦函數(shù)的寬速滑模觀測器：

無刷直流電機(jī)本身的氣息磁場分布、反電勢和電流都不是正弦波形式，無需經(jīng)過直、交軸的坐標(biāo)系變換，直接利用電機(jī)本身的狀態(tài)變量即可建立數(shù)學(xué)模型。為了建立電機(jī)的數(shù)學(xué)模型、電磁轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動方程等，以兩相通電模式的星形三相六狀態(tài)電機(jī)為例，首先做如下假設(shè)：

a)定子上的三相繞組完全對稱，空間互差120°電角度，各相參數(shù)都相同；

b)忽略磁滯損耗、渦流、鐵芯齒槽效應(yīng)和定子繞組電樞反應(yīng)等的影響；

c)氣隙磁場為方波形式、轉(zhuǎn)子磁場分布都是對稱的；

則根據(jù)BLDCM的特性，其電壓平衡方程

其中，U_a、U_b、U_c是電機(jī)定子三相繞組的電壓(V)，I_a、I_b、I_c為定子三相的繞組電流(A)，E_a、E_b、E_c是定子三繞組的反電勢(V)，L是電機(jī)每相繞組的自感(H)，M為兩相繞組間的互感，R為定子繞組的電阻(Ω)，P是微分算子。

由于三相電流滿足：

I_a+I_b+I_c＝0 (2)

則

MI_a+MI_b＝-MI_c (3)

結(jié)合式(1)、式(2)和式(3)，有

考慮電機(jī)三相間的對稱關(guān)系和上述假設(shè)成立的情況下，以相電流差和線反電勢為狀態(tài)量，根據(jù)式(4)可得到BLDCM的簡化數(shù)學(xué)模型：

其中E_ab和E_bc為定子繞組的兩端反電勢，U_ab和U_bc為端電壓，α＝L-M,β＝R。

根據(jù)電機(jī)簡化的對稱數(shù)學(xué)模型式(5)，可得到以下滑模觀測器：

其中x₁＝I_a-I_b，x₂＝I_b-I_c，x₃＝E_ab，x₄＝E_bc，另外ε₁和ε₂是電流觀測增益，ε₃和ε₄是反電勢觀測增益，’^’代表其觀測值,Sat(s)是新型正弦飽和函數(shù)，表達(dá)式如下：

其中θ＝π/2φ，φ是滑模面函數(shù)的邊界層厚度，并且可以根據(jù)不同的參考輸入速度自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

可以采用一個(gè)一維模糊控制器來實(shí)現(xiàn)新型正弦飽和函數(shù)邊界層厚度對參考輸入速度的自適應(yīng)策略。從整體上看來，新型正弦飽和函數(shù)的邊界層厚度隨著參考輸入速度的減小而增大，示意圖可參考圖1。同時(shí)設(shè)計(jì)模糊控制器的時(shí)候限定邊界層厚度，確保其始終處于有效區(qū)間，避免引入嚴(yán)重抖振和大的誤差。

選取滑模面則定義誤差可得到如下所示誤差方程：

新型正弦飽和函數(shù)自適應(yīng)調(diào)整策略是通過一維模糊控制器實(shí)現(xiàn)的，根據(jù)ω_ref絕對值的大小對邊界層厚度φ進(jìn)行實(shí)時(shí)地調(diào)整。因?yàn)槟：刂破髟砗唵吻覍?shí)現(xiàn)容易，所以本實(shí)施例采用一維模糊控制器實(shí)現(xiàn)邊界層厚度的自適應(yīng)調(diào)整。在實(shí)際應(yīng)用中只要能夠滿足該數(shù)學(xué)規(guī)律的一切控制器都可以替代它，例如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器等。在此一維模糊控制器中，以參考輸入速度的絕對值|ω_ref|作為模糊控制器的輸入變量，那么邊界層厚度φ即為輸出變量。將輸入變量|ω_ref|和輸出變量φ進(jìn)行模糊化可分別得到對應(yīng)的模糊語言變量，然后其論域分別選取為{0,0.25,0.5,0.75,1}和{0,0.2,0.4,0.6,0.8,1}，對應(yīng)的模糊語言子集則為{Z(零)，PS(正小),PM(正中),PB(正大)}，根據(jù)提出邊界層厚度自適應(yīng)調(diào)整策略，可以得到如下模糊控制規(guī)則：

(1)當(dāng)輸入變量|ω_ref|較小時(shí)(正小，零)，模糊控制器的輸出變量φ較大(正中，正大)，用較寬的邊界層厚度來避免嚴(yán)重抖振；

(2)當(dāng)輸入變量|ω_ref|較大時(shí)(正大，正中)，模糊控制器的輸出變量φ較小(零，正小)，用較窄的邊界層厚度來確保良好的估計(jì)精度。

具體的，輸入變量|ω_ref|和輸出變量φ的隸屬度函數(shù)如圖2所示，模糊控制規(guī)則表如表1所示。

表1模糊控制規(guī)則表

圖3為本發(fā)明所提出的寬滑模觀測器的結(jié)構(gòu)圖，以a-b線反電勢為例。其中x₁＝I_a-I_b，x₃＝E_ab，另外ε₁是電流觀測增益，ε₃是反電勢觀測增益，’^’代表其觀測值,Sat(s)是新型飽和正弦函數(shù)，它的邊界層厚度通過一個(gè)基于參考輸入速度的模糊控制器進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

在Matlab中的仿真結(jié)構(gòu)如圖4，主要由以下六個(gè)部分組成：電機(jī)本體模塊(圖中的BLDCM)，電流滯環(huán)控制模塊，速度控制模塊(圖中的SMC速度控制器)，參考電流模塊，電壓逆變模塊，滑模觀測器模塊(圖中的SMO)。本發(fā)明重點(diǎn)部分在于滑模觀測器模塊，從圖中可知它的輸入為三相電流、三相電壓和參考輸入速度，輸出是估計(jì)的轉(zhuǎn)子位置和速度信號速度，反饋到速度控制器和參考電流模塊，構(gòu)成無位置傳感器無刷直流電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)。其他模塊的功能和實(shí)現(xiàn)可通過相關(guān)文獻(xiàn)查閱，此處不再詳細(xì)給出。

為說明本發(fā)明提出的寬速滑模觀測器具有更寬的觀測速度范圍，主要考慮在較低和較高兩種參考輸入速度的情況：低速(900r/mim)和高速(3000r/min)。

圖5和圖6展示了在低速時(shí)傳統(tǒng)的滑模觀測器和本發(fā)明提出的滑模觀測器估計(jì)的轉(zhuǎn)子速度及穩(wěn)態(tài)時(shí)估計(jì)誤差仿真波形，傳統(tǒng)方法的速度估計(jì)誤差為3.0r/min，本發(fā)明滑模觀測器誤差約為1.5r/min，比傳統(tǒng)方法減小了50％左右，有效地提高了估計(jì)精度。圖7和圖8展示參考輸入速度在高速時(shí)傳統(tǒng)的滑模觀測器和本發(fā)明的滑模觀測器估計(jì)的轉(zhuǎn)子速度及穩(wěn)態(tài)時(shí)估計(jì)誤差仿真波形的仿真波形。傳統(tǒng)方法的速度估計(jì)誤差為57.0r/min，本發(fā)明滑模觀測器誤差約為16.5r/min，比傳統(tǒng)方法減小了71.1％左右，大幅度提高估計(jì)精度，同樣也有效抑制抖振。

通過在仿真環(huán)境中兩種方法的對比，可以驗(yàn)證本發(fā)明滑模觀測器能夠在更寬的速度范圍下對包括線反電動勢、速度和位置在內(nèi)的狀態(tài)進(jìn)行有效且準(zhǔn)確的估算。

下面在基于TMS320F28035型MCU的無位置傳感器控制實(shí)驗(yàn)平臺驗(yàn)證本發(fā)明中提出的方法。整個(gè)無刷直流電機(jī)無位置傳感器調(diào)速控制系統(tǒng)可以分成硬件部分和軟件算法部分?？刂齐娐泛凸β孰娐方M成了硬件的核心部分。軟件控制算法是在CCS5.5開發(fā)工具中實(shí)現(xiàn)，使用C語言進(jìn)行編程，包括主程序和中斷服務(wù)程序等，主要重點(diǎn)是本發(fā)明提出的滑模觀測器估計(jì)算法的實(shí)現(xiàn)。寬速滑模觀測器的算法程序流程如圖9所示。

本發(fā)明的基于可變邊界層厚度的新型正弦飽和函數(shù)的寬速滑模觀測器，能根據(jù)不同速度輸入實(shí)時(shí)調(diào)整邊界層厚度，確保在更低或者更高速度范圍下取得更好的估計(jì)效果，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更寬范圍的更加精準(zhǔn)有效的調(diào)速控制。

綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。