[發明專利]一種無位置傳感器無刷直流電機的寬速滑模觀測器

有效

• 申請號: 201710088775.2
• 申請日: 2017-02-20
• 公開（公告）號: CN106787978B
• 公開（公告）日: 2019-06-14
• 發明（設計）人: 甘明剛;鄭春燁;陳杰;竇麗華;蔡濤;白永強
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: H02P6/00
• 分類號: H02P6/00
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 代麗;仇蕾安

本發明公開了一種無位置傳感器無刷直流電機的寬速滑模觀測器。使用本發明能夠擴大滑模觀測器的速度適用范圍，實現較寬速度范圍內的估計，進而實現更寬范圍的調速控制。本發明將無刷直流電機的參考輸入速度分為低速、中速和高速三個速度區間，根據直流電機的參考輸入速度的不同調整邊界層厚度：在低速時增大邊界層厚度，有效抑制抖振；在高速時減小邊界層厚度，加快觀測器響應速度，減小估計誤差，從而在整體上提高了滑模觀測器準確的觀測范圍和估計精度，進而獲取更好的估計效果和實現更寬范圍的調速控制。同時，采用正弦飽和函數作為滑模面函數，無需使用低通濾波器即可有效抑制抖振，且收斂速度快、估計精度高。

技術領域

本發明涉及機電控制技術領域，涉及無刷直流電機的無位置傳感器控制系統，具體涉及一種無位置傳感器無刷直流電機的寬速滑模觀測器。

背景技術

無刷直流電機(Brushless DC Motor，BLDCM)無需電刷便可實現電機定子和轉子之間的電氣連接，融合了直流電機和交流電機各自的特點，具有控制方式簡單、轉矩特性高、動態響應快、調速性能良好和制造工藝簡單的優勢，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的正常連續運轉，需要通過位置傳感器獲取轉子的位置信息以便進行換相。然而，位置傳感器的使用容易受周圍環境和條件影響且使用壽命有限，降低了控制系統的可靠性。同時，霍爾位置傳感器的存在使得系統的空間占比無法進一步縮小，不利于其在一些空間資源不足的場合發揮作用，也加大了生產和維護的難度，提高了制造成本，限制了制造工藝的進一步提升。

為消除上述位置傳感器帶來的不利影響，進一步減小控制系統執行機構的成本和空間大小，可采用軟硬件結合的技術避免位置傳感裝置的使用，通過軟件算法來提供電機連續換相所需的位置信息，再據此估計出轉子速度信息，并將其反饋給控制器實現閉環調速控制。特別是在一些極端環境下，位置檢測裝置無法正常穩定地工作，無位置傳感器控制技術依舊能夠確保系統具有良好穩定的控制性能。因此，世界各國各地越來越多的學者和科研人員積極參與到高效穩定且適用廣泛的無位置傳感器控制技術的研究中來。

通過文獻(Position and Speed Control of Brushless DC Motors UsingSensorless Techniques and Application Trends[J].SENSORS,2010,10(7):6901-6947.)可知，目前較常用且相對精準的無位置傳感器的轉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，在低速時性能較差、誤差較大且不適用于需要頻繁調速系統，或存在無法消除換相誤差，易引起誤差積累和偏差的問題。

在基于模型的估計方法中，應用最廣泛的是狀態估計法，主要包括擴展卡爾曼濾波法(EKF)、人工神經網絡法(ANN)、模型參考自適應法(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。擴展卡爾曼濾波具有復雜的算法和結構，限制了其在實際工程中的推廣。人工神經網絡為了系統參數辨識取得好的結果，常采用在線辨識方式，引入了耗時長和實時性較低的缺點。模型參考自適應法對參數過于敏感，如果參考模型選取不準可能導致系統發散，所以穩定性較差。區別于以上三種方法，很多學者提出了結構簡單且便于實現的滑模觀測器法，對內部參數和外界擾動有一定的魯棒性，但魯棒性依舊有待加強，同時由于滑模結構特點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誤差較大的缺點。

發明內容

有鑒于此，本發明提供了一種無位置傳感器無刷直流電機的寬速滑模觀測器，能夠擴大滑模觀測器的速度適用范圍，實現較寬速度范圍內的估計，進而實現更寬范圍的調速控制。