[發明專利]無刷直流電機在轉子偏心故障下的容錯觀測器設計方法

在審

• 申請號: 202110085706.2
• 申請日: 2021-01-22
• 公開（公告）號: CN112910327A
• 公開（公告）日: 2021-06-04
• 發明（設計）人: 邢科新;林葉貴;劉世豪;李星宏
• 申請（專利權）人: 紹興敏動科技有限公司
• 主分類號: H02P6/08
• 分類號: H02P6/08;H02P23/12;H02M7/5387
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務所(特殊普通合伙) 33240
• 代理人: 黃玉杰

本發明公開了無刷直流電機在轉子偏心故障下的容錯觀測器設計方法，包括如下步驟：步驟一、搭建無刷直流電機本體模塊，形成控制對象；步驟二、構造滑模觀測器模塊；步驟三、引入電感辨識；步驟四、完成容錯觀測器設計。本發明無論是在無刷直流電機正常狀態下還是轉子靜態偏心故障的情況下，均可以準確有效的觀測到無刷直流電機的反電勢值，對于某些需要無刷直流電機即使發生故障也要安全運行的場合具有重要意義。

技術領域

本發明涉及無刷直流電機控制技術領域，具體涉及一種無刷直流電機在轉子偏心故障下的容錯觀測器設計方法。

背景技術

無刷直流電機(brushless DC motor，BLDCM)由于其動態響應快，調速范圍寬，容易進行控制等優點，而被廣泛的應用于航空航天、工業自動化制造等領域。為了降低成本和一些需要節約空間的應用場合，無位置傳感器的相關控制技術成為了研究的熱點。無位置傳感器控制中重要的一點就是如何準確獲取無刷直流電機的反電勢。但是由于定子橢圓或者轉子裝配錯誤所導致的轉子靜態偏心故障發生時，反電勢波形將出現畸變且無刷直流電機運行不穩定。如何在靜態偏心故障下準確獲取反電勢并進行無位置傳感器控制，將變得十分重要。

在傳統的無位置傳感器控制中，滑模觀測器(sliding-mode observer，SMO)由于其穩定性好、對擾動較強的魯棒性等優點，得到了廣泛的應用。但是諸多國內外學者都是在BLDCM結構正常的情況下而設計的滑模觀測器。即使有學者提出正弦電流注入方法在線估計反電勢，但是仍存在魯棒性差等問題。因此，需要設計一種既可以準確獲取反電勢，又具有較好的魯棒性并且在正常或者轉子靜態偏心故障下都可以穩定運行的觀測器。

發明內容

本發明的目的在于解決無刷直流電機在轉子靜態偏心故障下傳統滑模觀測器無法準確觀測出反電勢值的問題，提供一種魯棒性好、準確性高、適應性強的基于傳統滑模觀測器和李雅普諾夫(Lyapunov)穩定性理論的無刷直流電機在轉子偏心故障下的容錯觀測器設計方法。

為達成上述目的，本發明提供如下技術方案：

無刷直流電機在轉子偏心故障下的容錯觀測器設計方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟一、搭建無刷直流電機本體模塊，形成控制對象

(1)根據無刷直流電機的控制特性，搭建直流電源與三相全橋控制模塊；

(2)根據無刷直流電機的物理結構，搭建本體模塊；

(3)根據無刷直流電機的數學模型，搭建電磁轉矩與運動方程模塊；

步驟二、構造滑模觀測器模塊

根據滑模觀測器狀態方程以及無刷直流電機的數學方程，搭建針對無刷直流電機轉子靜態偏心故障下的滑模觀測器模塊；

步驟三、引入電感辨識

利用李雅普諾夫穩定性理論以及滑模觀測器推導的數學模型，搭建電感辨識模塊，根據自適應辨識率得出實時準確的電感參數；

步驟四、完成容錯觀測器設計

將步驟三中辨識得到的電感參數實時替換滑模觀測器中的電感參數，形成一個閉環整體，實現無刷直流電機在轉子靜態偏心故障下反電勢值的準確觀測。

進一步地，所述步驟一中，所述無刷直流電機的電源為直流電源，所述無刷直流電機的驅動方式為全橋式驅動。

進一步地，所述步驟一中，所述本體模塊包括三相繞組定子電阻、可修改的三相繞組定子電感和可修改的三相繞組反電勢。

進一步地，所述步驟一中，所述電磁轉矩可表示為：

式中Ω為無刷直流電機的機械角速度；

所述運動方程為：