[發明專利]雙級矩陣變換器驅動的永磁同步電動機滑模速度觀測器

有效

• 申請號: 201310737905.2
• 申請日: 2013-12-25
• 公開（公告）號: CN103715962A
• 公開（公告）日: 2014-04-09
• 發明（設計）人: 宋衛章;馬寶劍;鐘彥儒;汪麗娟
• 申請（專利權）人: 西安理工大學
• 主分類號: H02P21/14
• 分類號: H02P21/14
• 代理公司: 西安弘理專利事務所 61214
• 代理人: 李娜

技術領域

本發明屬于永磁電機控制領域，涉及一種雙級矩陣變換器驅動的永磁同步電動機滑模速度觀測器。

背景技術

隨著經濟的發展，電力電子裝置在工業中得到了廣泛的應用，但在創造了巨大經濟效益的同時也給電網帶來了巨大的諧波。因此，開發綠色環保、結構緊湊又高效的新型電力電子裝置就成了一種發展趨勢。雙級矩陣變換器（Two-stage?Matrix?Converter，TSMC）是近年發展起來的一種新型AC/AC“綠色”電力變換器，具有輸入電流諧波含量少、功率密度高、輸入功率因數可控、能量可雙向流動、直流側無儲能電容等優點。

永磁同步電機（Permanent?Magnet?Synchronous?Motor，PMSM）無需無功勵磁電流，效率高，體積小，又因其高功率密度、高轉矩電流比等優點而被廣泛應用。

在高性能永磁同步電動機系統中，為了實現高精度、高動態性能的速度與位置控制，速度與位置的閉環必不可少，因此需要在轉子軸上安裝機械式傳感器，以測量電機轉子速度與位置。機械式傳感器往往使得系統體積和重量增加，成本上升，因此限制了永磁同步電動機在一些特殊場合的應用。為了克服這一缺陷，永磁同步電動機無速度傳感器控制技術成為電機控制領域的一個研究熱點。

針對TSMC和PMSM以及無速度傳感器技術各自獨特的優點，將三者結合，能發揮各自獨特的優勢，于是TSMC-PMSM無速度傳感器系統成為電機控制領域的一個新的研究方向。

永磁同步電動機無速度傳感器控制技術估算速度與位置的準確與否是成功的關鍵。目前永磁同步電動機速度估算的方法主要有基于數學模型的直接估算法、模型參考自適應法以及基于觀測器的估算方法等。模型參考自適應估算法與參考模型本身的選取有關，并且模型參考自適應估算法與直接估算法均依賴于電機參數，從而影響了估算的準確性。利用狀態觀測器對轉子位置和角度進行估算的方法主要有三種:滑模觀測器、Luenberger觀測器和全階自適應狀態觀測器。

滑模觀測器是根據當前的狀態控制系統按照預定的滑動模態軌跡運動，在滑動過程中，滑動模態與對象的參數和擾動無關，具有物理實現簡單，在線辨識，響應速度快，對擾動不敏感，魯棒性強等優點而被廣泛應用，是上述三種觀測器中使用最多，最成熟的觀測器，因此基于滑模變結構觀測器的TSMC-PMSM系統是目前最具前途的無位置傳感器控制系統。

現有的傳統滑模觀測器原理框圖如圖2，需要將電壓、電流和估算的開關信號作為PMSM模型輸入量，將符號函數sign作為切換函數，獲得開關信號，再通過低通濾波器獲得估算的反電勢，然后依靠三角函數計算獲得轉速和位置信息，該方法對控制對象的參數和擾動具有很強的魯棒性。但由于開關時間和空間上的滯后，使得滑模觀測器呈現固有的抖動現象，估算電流沿實際電流幅值上下抖動，導致估算的反電勢也存在脈動；再加上低通濾波器的使用造成的延時，需要對低通濾波器引起的滯后進行補償，補償算法要實現快速響應，需要針對不同速度點建表，從而導致傳統滑模觀測器存在抖動、延時、建表工作量大，浪費存儲空間而且算法復雜等問題。

發明內容

本發明的目的在于提供一種雙級矩陣變換器驅動的永磁同步電動機滑模速度觀測器，解決了現有技術存在的滑模觀測器抖動、延時、建表工作量大及浪費存儲空間等問題。

本發明所采用的技術方案，雙級矩陣變換器驅動的永磁同步電動機滑模速度觀測器，包括基于滑模觀測器的電機模型、S型開關函數、角度計算模塊和角速度計算模塊；永磁同步電機兩相靜止坐標系下的定子電壓u_α和u_β通過電壓重構獲得與S型開關函數輸出量和作為基于滑模觀測器的電機模型輸入，基于滑模觀測器的電機模型輸出定子電流觀測值減定子實際電流值i_α、i_β，差值作為S型開關函數的輸入，經其處理后輸出兩相靜止坐標系下的反電勢估算值和再經過角度計算模塊獲得轉子位置經角速度計算模塊求導獲得角速度

本發明的特點還在于：

S型開關函數表達式如下：