1.本发明属于永磁同步电机控制领域，具体地而言为一种永磁同步电机控制方法。
背景技术：2.永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,pmsm)结构简单，且可靠性高，本身的功率效率高，带负载能力强，广泛运用在电机领域。永磁同步电机的矢量控制策略核心是两次坐标变换，将三相电流分解旋转轴上的d轴电流和q轴电流，这需要转子的电角度。传统的永磁同步需要安装霍尔传感器，实时检测电机转子电角度。为了节约成本以及体积，使用算法实现电角度的测量。运用哪种算法，使算法更加简便成为电机控制领域研究热点。
技术实现要素：3.本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于滑模观测器的永磁电机控制方法，该方法建立在pmsm在αβ坐标系下的数学模型，以及依据数学模型设计的滑模面；使用滑模算法，确保观测器能够精准的观测到所需要的电角度以及电速度，本发明提出了一种滑模增益的计算方法，这将替代传统滑模算法把滑模增益算出来。最终确定了电角度也使pmsm控制系统中增加了系统鲁棒性。
4.本发明是这样实现的，
5.一种永磁同步电机控制方法，包括以下步骤：
6.1)建立永磁同步电机pmsm三相坐标系下的电压方程；
7.2)将永磁同步电机三相坐标系下的电压方程通过clark变换化简为αβ两相静止坐标系下电压方程；
8.3)把αβ两相静止坐标系下电压方程简单化简，化简为另一种以电流导数为左边项的形式，得到永磁同步电机在aβ两相静止坐标系下的数学模型；
9.4)根据数学模型构建观测器方程；
10.5)根据李雅普诺夫定理构建滑模面；
11.6)计算出滑模增益范围，通过实际系统参数确定滑模增益，使观测器出的电流收敛于实际电流，并获得反电动势，并将反电动势通过低通滤波器进行消噪处理；
12.7)根据获得的反电动势使用锁相环提取转子电角度以及速度。
13.进一步地，对所述观测器的输入数据进行离散化处理，在使用锁相环提取转子电角度以及速度前确定锁相环中pi控制器的k
p
,ki。
14.进一步地步骤1)中建立三相坐标系下永磁同步电机的电压方程：
[0015][0016]
其中ua、ub、uc分别为绕组的端电压；ia、ib、ic分别为三相绕组的相电流；ea、eb、ec为三相绕组的反电动势；rs为绕组相电阻，l为等效电感。
[0017]
进一步地，步骤2)将三相坐标系下的电压方程化简为αβ两相静止坐标系下电压方程为：
[0018][0019]
其中e
α
、e
β
反电动势；λ
αf
为永磁体磁链；ωr为转子角速度；θ为转子速度。
[0020]
进一步地，步骤3)中将αβ两相静止坐标系下电压方程简单化简，化简为另一种形式：
[0021][0022]
进一步地，步骤4)根据数学模型构建观测器方程为：
[0023][0024]
其中是由观测器估计出来的电流值，va，v
β
则是观测器的输入；
[0025][0026]
若估计电流比实际电流大，则观测器输入+h，若估计电流比实际电流小，则观测器输入为-h，h为滑模增益，观测器的输入大小取决于滑模增益。
[0027]
进一步地，步骤5)中根据李雅普诺夫定理构建滑模面为：
[0028][0029]
进一步地，步骤6)具体包括：选择作为s1的李雅普诺夫候选函数，则其导数为导数展开若则则滑模增益h满足同理当推出将两式结合可推出即观测增益只要满足由公式可得h越大则观测器偏离实际电流的最大距离越大，稳态后在滑模面附近抖动幅度越大，同理，
h满足这两条件，则s1，s2都会收敛于0，电流观测误差全为0，此时ea＝va，e
β
＝v
β
，即
[0030]
进一步地，步骤7)根据步骤6获取的两相反电动势分别乘与后得到的结果做差，得到的差值通过pi控制器获得角速度，角速度经过积分后获得角度。
[0031]
进一步地，确定锁相环中pi控制器的传递函数k
p
,ki：根据pi控制器的传递函数输入以及输出，得出入以及输出，得出为估计角度，θe为实际角度，写出二阶动态系统形式ζ为阻尼系数，ωn为自然角频率，则则k
p
,ki的值取决于阻尼系数以及自然角频率。
[0032]
本发明与现有技术相比，有益效果在于：
[0033]
本发明运用滑模观测器代替了霍尔传感器测量转子角速度，节约成本；运用滑模算法，减少算法算力；计算出滑模增益的取值范围，代替了通过试出来的方法，这使的控制更加高效，提高了控制效率。
附图说明
[0034]
图1为本发明实施例提供的永磁同步电机等效电路图；
[0035]
图2为本发明实施例提供的含有滑模观测器的永磁同步电机控制原理框图；
[0036]
图3为本发明实施例提供的构建的滑膜面；
[0037]
图4为本发明实施例提供的引入4(a)为未加入滤波器时的ea、4(b)为未加入滤波器时的e
β
，4(c)为加入滤波器时的ea、4(d)为加入滤波器时的e
β
反电动势波形对比；
[0038]
图5为本发明实施例提供的提取电角度，角速度的锁相环；
[0039]
图6为本发明实施例提供的霍尔传感器检测到电角度的值(a)与观测器估计到的电角度值(b)。
具体实施方式
[0040]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0041]
如图1所示，一种永磁同步电机控制方法，包括以下步骤：
[0042]
1)建立永磁同步电机pmsm三相坐标系下的电压方程；
[0043]
2)将永磁同步电机三相坐标系下的电压方程通过clark变换化简为αβ两相静止坐标系下电压方程；
[0044]
3)把αβ两相静止坐标系下电压方程简单化简，化简为另一种以电流导数为左边项的形式，得到永磁同步电机在aβ两相静止坐标系下的数学模型；
[0045]
4)根据数学模型构建观测器方程；
[0046]
5)根据李雅普诺夫定理构建滑模面；
[0047]
6)计算出滑模增益范围，通过实际系统参数确定滑模增益，使观测器出的电流收敛于实际电流，并获得反电动势，并将反电动势通过低通滤波器进行消噪处理；
[0048]
7)根据获得的反电动势使用锁相环提取转子电角度以及速度；
[0049]
将获取的转子电角度以及速度进行反馈至永磁同步电机控制器。
[0050]
其中，假设永磁同步电机三相绕组对称，忽略永磁同步电机的电磁滞损耗以及涡流损耗，电压方程为：
[0051][0052]
其中ua、ub、uc分别为绕组的端电压；ia、ib、ic分别为三相绕组的相电流；ea、eb、ec为三相绕组的反电动势；rs为绕组相电阻，l为等效电感。永磁同步电机三相坐标系下的电机三相电流可通过坐标等效变换变换成两相坐标系下的定子电流ia、i
β
。
[0053]
永磁同步电机在aβ两相静止坐标系下的数学模型为：
[0054][0055][0056]
式(2)、(3)中ia、i
β
、u
α
、u
β
、ea、e
β
为定子电流、电压、反电动势；λ
αf
为永磁体磁链；ωr为转子角速度；θ为转子速度。
[0057]
图2所示，把相电流相电压引入观测器，通为了获得反电动势，构建观测器方程：
[0058][0059]
其中va、v
β
为观测器的输入；为观测电流。
[0060][0061]
h为滑模增益，当估计电流比实际电流大，则观测器输入+h,若估计电流比实际电流小，则观测器输入为-h,h为滑模增益，观测器的输入大小取决于滑模增益。
[0062]
图3所示，构建滑模面
[0063]
其中纵轴为观测电流，横轴为实际电流。
[0064]
若观测到的电流比实际的电流大一点，根据式(5)，只要滑模增益h足够大则式(4)中观测电流的导数将为负数，观测电流也将逐渐减小，最终与实际电流的差值越来越小，此时可以得到反电动势。
[0065]
根据李雅普诺夫定理构建滑模面为：
[0066][0067]
引入李雅普诺夫定理：存在一个系统f(s1)代表s1的一个函数。u(s1)是s1的李雅普诺夫候选函数，若u(s1)≥0且且此系统对于平衡点s1＝0是全局渐进稳定的。定义滑模面若观测到的状态以及实际状态都呆在滑模面上则s1便收
敛到0。若选择合适滑模增益h，则观测器输入将使得观测到的电流收敛于实际电流，使两个电流量都保持在滑模面上。
[0068]
计算出滑模增益范围，通过实际系统参数确定滑模增益，使观测器出的电流收敛于实际电流，并获得反电动势，并将反电动势通过低通滤波器进行消噪处理；选择作为s1的李雅普诺夫候选函数，则其导数为导数展开若则则滑模增益h满足同理当推出将两式结合可推出即观测增益只要满足由公式可得h越大则观测器偏离实际电流的最大距离越大，稳态后在滑模面附近抖动幅度越大，同理，h满足这两条件，则s1，s2都会收敛于0，电流观测误差全为0，此时ea＝va，e
β
＝v
β
，即
[0069]
参见图5所示，在观测器中引入锁相环，锁相环两相反电动势分别乘与后得到的结果做差，得到的差值通过pi控制器获得角速度，角速度经过积分后获得角度。在锁相环计算角速度和角度之前确定锁相环中pi控制器的传递函数k
p
,ki：根据pi控制器的传递函数输入以及输出，得出制器的传递函数输入以及输出，得出为估计角度，θe为实际角度，写出二阶动态系统形式ζ为阻尼系数，ωn为自然角频率，则则k
p
,ki的值取决于阻尼系数以及自然角频率。
[0070]
图4所示，为在两个拓展反电动势引入锁相环之前引入低通滤波器前后的仿真图，4(a)和图(b)为未引入低通滤波器的波形的仿真波形，由波形可见，引入滤波器后去除了反电动势中的高频杂波。4(a)为未加入滤波器时的ea、4(b)为未加入滤波器时的e
β
，4(c)为加入滤波器时的ea、4(d)为加入滤波器时的e
β
。
[0071]
图6所示，6(a)图为霍尔传感器检测到电角度的值，6(b)图为观测器估计到的电角度值，由图可得观测器估计的值与霍尔传感器测试到的电角度值误差在一度以内，滑模观测器有效。
[0072]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：1.一种永磁同步电机控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)建立永磁同步电机pmsm三相坐标系下的电压方程；2)将永磁同步电机三相坐标系下的电压方程通过clark变换化简为αβ两相静止坐标系下电压方程；3)把αβ两相静止坐标系下电压方程简单化简，化简为另一种以电流导数为左边项的形式，得到永磁同步电机在aβ两相静止坐标系下的数学模型；4)根据数学模型构建观测器方程；5)根据李雅普诺夫定理构建滑模面；6)计算出滑模增益范围，通过实际系统参数确定滑模增益，使观测器出的电流收敛于实际电流，并获得反电动势，并将反电动势通过低通滤波器进行消噪处理；7)根据获得的反电动势使用锁相环提取转子电角度以及速度。2.按照权利要求1所述的永磁同步电机控制方法，其特征在于，对所述观测器的输入数据进行离散化处理，在使用锁相环提取转子电角度以及速度前确定锁相环中pi控制器的k
p
,k
i
。3.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机控制方法，其特征在于，步骤1)中建立三相坐标系下永磁同步电机的电压方程：其中u
a
、u
b
、u
c
分别为绕组的端电压；i
a
、i
b
、i
c
分别为三相绕组的相电流；e
a
、e
b
、e
c
为三相绕组的反电动势；r
s
为绕组相电阻，l为等效电感。4.根据权利要求3所述的一种永磁同步电机控制方法，其特征在于，步骤2)将三相坐标系下的电压方程化简为αβ两相静止坐标系下电压方程为：其中e
α
、e
β
反电动势；λ
αf
为永磁体磁链；ω
r
为转子角速度；θ为转子速度。5.根据权利要求4所述的一种永磁同步电机控制方法，其特征在于，步骤3)中将αβ两相静止坐标系下电压方程简单化简，化简为另一种形式：6.根据权利要求5所述的一种永磁同步电机控制方法，其特征在于，步骤4)根据数学模型构建观测器方程为：其中是由观测器估计出来的电流值，v
a
，v
β
则是观测器的输入；
若估计电流比实际电流大，则观测器输入+h，若估计电流比实际电流小，则观测器输入为-h，h为滑模增益，观测器的输入大小取决于滑模增益。7.根据权利要求6所述的一种永磁同步电机控制方法，其特征在于，步骤5)中根据李雅普诺夫定理构建滑模面为：8.根据权利要求7所述的一种永磁同步电机控制方法，其特征在于，步骤6)具体包括：选择作为s1的李雅普诺夫候选函数，则其导数为导数展开若则则则滑模增益h满足同理当推出将两式结合可推出即观测增益只要满足由公式可得h越大则观测器偏离实际电流的最大距离越大，稳态后在滑模面附近抖动幅度越大，同理，越大，稳态后在滑模面附近抖动幅度越大，同理，h满足这两条件，则s1，s2都会收敛于0，电流观测误差全为0，此时e
a
＝v
a
，e
β
＝v
β
，即9.根据权利要求8所述的一种永磁同步电机控制方法，其特征在于，步骤7)根据步骤6获取的两相反电动势分别乘与后得到的结果做差，得到的差值通过pi控制器获得角速度，角速度经过积分后获得角度。10.根据权利要求2所述的一种永磁同步电机控制方法，其特征在于，确定锁相环中pi控制器的传递函数k
p
,k
i
：根据pi控制器的传递函数输入以及输出，得出：根据pi控制器的传递函数输入以及输出，得出为估计角度，θ
e
为实际角度，写出二阶动态系统形式ζ为阻尼系数，ω
n
为自然角频率，则则k
p
,k
i
的值取决于阻尼系数以及自然角频率。
技术总结本发明属于永磁同步电机控制领域，具体地而言为一种永磁同步电机控制方法，包括建立永磁同步电机PMSM三相坐标系下的电压方程；将永磁同步电机三相坐标系下的电压方程通过Clark变换化简为αβ两相静止坐标系下电压方程；把αβ两相静止坐标系下电压方程简单化简，化简为另一种以电流导数为左边项的形式，得到永磁同步电机在aβ两相静止坐标系下的数学模型；根据数学模型构建观测器方程；根据李雅普诺夫定理构建滑模面；计算出滑模增益范围，获得反电动势，并将反电动势通过低通滤波器进行消噪处理；根据获得的反电动势使用锁相环提取转子电角度以及速度。代替了霍尔传感器测量转子角速度，节约成本以及提高了效率。节约成本以及提高了效率。节约成本以及提高了效率。
技术研发人员：刘卫平 卢希全 李任 杨祥卓 王兆枫 刘祥港
受保护的技术使用者：吉林省驭功智能科技有限责任公司
技术研发日：2022.07.08
技术公布日：2022/11/1
