本发明涉及电机控制，具体涉及一种基于增强型自适应超螺旋滑模观测器的ipmsm控制方法。
背景技术：
1、永磁同步电机以其高功率密度、高效率、高扭矩惯量比等优点广泛应用于工业生产。通常为了获取转子位置与速度，需要在电机转子轴上安装位置传感器。然而，在实际的应用中位置传感器的安装会增加机械空间与成本；此外，在恶劣环境下，位置传感器会受到影响从而降低影响整个伺服系统控制性能。因此，基于以上因素，无位置传感器控制技术近些年来备受工业界以及学术界青睐。经过几十年的发展，该项技术日趋逐渐发展成熟，国内外伺服变频器厂家已经成功地将某些技术应用于工业产品。根据分类，无位置传感器控制技术主要分为模型法与高频注入法。高频注入法通过处理高频电流响应信号来获取转子位置与速度信息，该类方法已经被广泛研究证明非常适用于电机零低速启动以及初始位置检测，然而不可避免会产生电机功率损耗以及物理噪音等问题，在实际应用中需要慎重考虑这些问题。模型法利用电机的基频模型构建观测器来获取反电势或者磁链信号，然后通过位置观测器来提取转子位置与速度信息。主要分为基于磁链观测法与基于反电势观测法，前者主要包括有效磁链观测器、非线性磁链观测器，后者主要包括滑模观测器、龙伯格观测器、扩展卡尔曼观测器以及扩展状态观测器等方法。
2、滑模观测器由于具备抗干扰能力强、参数鲁棒性强、响应速度快以及易于实现等优点，非常适合用于永磁同步电机无位置传感器控制研究。然而，传统的滑模观测器控制量采用符号函数会导致反电势包含高频抖振信号。尽管采用低通滤波器能够获得相对平滑的信号，然而会带来反电势幅值衰减以及相位滞后的问题。为了解决抖振问题，衍生了很多解决方案，包括边界层法、趋近率法、高阶滑模法等。边界层法通常会采用饱和函数、sigmiod函数代替符号函数，这样的方法只能使滑动变量趋于接近滑动面的邻域，换句话说，这类方法抖振抑制效果是以牺牲闭环系统抗扰性能为代价的。趋近率法是一类能够很好抑制抖振的方法，通常作用在趋近滑模面过程，而如何合理设计趋近率也是一种关键，保证能够在远离平衡点快速收敛，靠近平衡点附近减小滑动变量变化速度来削弱抖振。高阶滑模法能够解决传统一阶滑模观测器存在的不连续控制问题，其中代表的是超螺旋滑模观测器(supertwisting sliding mode observer,st-smo)。在st-smo中，由于不连续项隐藏在积分项里，因此可以实现连续控制，且在扰动满足有界条件下能够保证系统状态收敛。然而，在实际的控制系统中，滑模增益系数的取值取决于扰动上界，准确的扰动上界很难获取，通常取一个较大数值保证系统稳定。过大的增益会产生抖振问题，降低系统稳态性能；相反，过小的增益会降低系统收敛速度，降低系统动态性能。因此，本发明首先设计一种自适应增益超螺旋滑模观测器，滑模增益能够根据滑动变量自适应调整大小，当系统远离滑模面时候，采用较大增益增强收敛性能，当系统靠近滑模面采用较小增益减小抖振，提高稳态性能，因此通过这种方式，能够很好地同时兼顾永磁同步电机在宽速范围内的动态性能与稳态性能。
3、然而，在实际的控制系统中，由于逆变器的死区效应会给采样电流带来(6k±1)次谐波干扰，尤其是5次、7次谐波，最终会让观测的扩展反电势产生畸变，因此针对这一问题，本发明还设计了一种增强型谐波数字陷波器(enhancedharmonic digital notch filter，eh-dnf)，相比于传统低通滤波器无法消除指定阶数谐波，本设计的eh-dnf能够保证基频信号没有幅值衰减以及相位滞后的同时还能够消除任意阶数谐波，最终提高转子位置估计精度。
技术实现思路
1、为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于增强型自适应超螺旋滑模观测器的ipmsm控制方法。首先能够解决传统固定增益超螺旋滑模观测器无法同时兼顾动态性能与稳态性能，此外针对逆变器的死区效应给扩展反电势带来的谐波干扰设计了一种增强型谐波数字陷波器，能够保证基波信号没有幅值衰减以及相位滞后的同时还能够消除指定阶谐波，最终提高转子位置估计精度。为了解决上述技术问题本发明提供的技术方案为：
2、一种基于自适应增益超螺旋滑模观测器与增强型谐波数字陷波器结合的内置式永磁同步电机无位置传感器控制策略，包括以下步骤：
3、步骤1，建立静止α-β坐标系下内置式永磁同步电机扩展反电势模型。
4、首先给出内置式永磁同步电机在d-q坐标下电压方程为
5、
6、式中：ud、ud分别为dq轴电压，id、iq分别为dq轴电流，ψf、rs分别为永磁铁磁链与定子电阻。
7、将式(2)d-q坐标下电压方程转换到αβ坐标系下，可得
8、
9、式中：lα＝l0+l1 cos2θe，lβ＝l0-l1cos2θe，lαβ＝l1cos2θe，
10、展开式(2)可得
11、
12、重写式(3)，并且忽略二次谐波项d，可得
13、
14、因此，永磁同步电机在αβ坐标系下电流状态方程为
15、
16、式中：p为微分算子，ld、lq与rs分别为d轴电感、q轴电感与定子电阻，ωe为电角速度，uα、uβ分别为αβ轴电压，iα、iβ分别为αβ轴电流，eα、eβ分别为αβ轴扩展反电势，且扩展反电势eα、eβ为
17、
18、式中：式中：id、iq、ψf分别d轴电感、q轴电感、永磁铁磁链。
19、步骤2，设计基于自适应增益的超螺旋滑模观测器。
20、根据滑模观测器设计原理，电流状态观测方程为
21、
22、式中：zα、zβ为超螺旋滑模观测器的控制率
23、
24、式中：tanh(.)为双曲正切函数，且定义域为实数域，值域为[-1,1]，k1可以用来提升系统动态响应速度，k2用来降低估计的反电势抖振程度；为α轴相电流的估计误差，且为β轴相电流的估计误差，且
25、
26、式(7)减去式(5)可得电流误差状态方程为
27、
28、选择电流误差为滑模面
29、
30、则式(10)变为
31、
32、式中：扰动项且满足有界条件。则必然存在一个δ＞0，使得令k1＝2l，且自适应增益l满足
33、
34、式中：s＝[sαsβ]t，l(0)＞0，lm＞0，lm为很小的正数，目的是保证滑模增益始终为正数，μ为滑模边界且μ＞0。当|s|＞μ时候，l在增大，系统迅速到达平衡点附近；一旦系统进入滑模边界内，l在减小，削弱在平衡点附近反电势抖振程度，通过这种方法实现动态性能与稳态性能同时兼顾。
35、当系统进入滑动状态后，最终扩展反电势近似估计为
36、
37、步骤3，自适应增益超螺旋滑模观测器离散化。
38、为了方便工程数字化实现，推导出所设计的自适应增益超螺旋滑模观测器离散域方程
39、
40、式中：|.|表示绝对值，l(k)为k时刻增益数值，且l(k)表达形式为：为k-1时刻αβ轴相电流估计误差组成的列向量表达形式，通常也可称之为αβ轴滑动变量；ts为采样周期；k表采样时刻；j虚数单位；为k-1时刻电机的电角速度；为在k时刻αβ轴相电流估计值组成的列向量表达形式；u(k-1)＝[uα(k-1)uβ(k-1)]t为在k-1时刻αβ轴相电压实际测量值组成的列向量表达形式；为k-1时刻αβ轴反电动势估计值组成的列向量表达形式；同理，z(k)、z(k-1)分别为k时刻、k-1时刻的αβ轴中间变量组成的列向量表达形式。
41、步骤4，设计一种增强型谐波数字陷波器来实现扩展反电势特定谐波消除。
42、由于所设计的陷波器是基于三个三阶广义积分器(third order generalizedintegrator,togi)级联实现的，因此首先需要给出单个togi的输入信号vi到同向输出信号vo之间的传递函数d(s)为：
43、
44、式中：此处的s称为传递函数的复频率，k、k0分别togi的前向通道与反馈通道的增益；ωn为基频信号频率，该频率通常由锁频环(frequency locked-loop,fll)结构根据电机运行基频频率去自适应地估计；
45、接下来为了推导出所设计的陷波器的传递函数，需要给出基频信号z1、5次谐波信号z5、7次谐波信号z7与输入的反电势信号z之间的关系分别为
46、
47、式中：d1(s)、d5(s)与d7(s)是与式(15)相同的形式的传递函数，如下式所示
48、
49、式中：n＝1，5，7。
50、综合式(15)、式(16)与式(17)，最终可以得到所设计陷波器的输入信号z到基频信号z1之间的传递函数为
51、
52、式中：d1(s)、d5(s)与d7(s)为
53、
54、步骤5，快速反正切求解转子电角度与速度信息。
55、采用快速反正切角度收敛更快，如下式所示
56、
57、式中：arctan(.)为反正切函数，pn为电机极对数，z1-α、z1-β分别为经过陷波器后的αβ轴估计反电势的基频信号，为电机旋转电角度估计值，为电机旋转机械角速度。
58、本发明有益效益效果为：本发明所设计的基于增强型自适应超螺旋滑模观测器的ipmsm控制方法具有两个优势：第一，能够保证系统在远离滑模面时候采用较大增益提升系统收敛速度，靠近滑模面时候采用较小增益减小抖振，通过这种与滑动变量相关的可调节自适应增益来同时兼顾系统动态性能与稳态性能；第二，由于逆变器死区效应会给采样的电流带来5次、7次谐波干扰，从而会让扩展反电势畸变，因此设计了一种基于增强型特定谐波数字陷波器来消除特定谐波干扰，从而提升转子位置估计精度，提升无位置传感器控制性能。
1.一种基于增强型自适应超螺旋滑模观测器的ipmsm控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的一种基于增强型自适应超螺旋滑模观测器的ipmsm控制方法，其特征在于，步骤1中永磁同步电机在静止α-β坐标系下扩展反电势模型为：
3.如权利要求2所述的一种基于增强型自适应超螺旋滑模观测器的ipmsm控制方法，其特征在于，步骤2中的自适应增益超螺旋滑模观测器为：
4.如权利要求3所述的一种基于增强型自适应超螺旋滑模观测器的ipmsm控制方法，其特征在于，步骤3中的离散域下的自适应增益超螺旋滑模观测器推导形式如下：
5.如权利要求4所述的一种基于增强型自适应超螺旋滑模观测器的ipmsm控制方法，其特征在于，步骤4中所设计的基于增强型特定谐波数字陷波器的推导形式如下：
6.如权利要求5所述的一种基于增强型自适应超螺旋滑模观测器的ipmsm控制方法，其特征在于，步骤5中所设计的快速反正切求解转子位置角度与速度信息的推导形式如下：
