CN107395080A - 基于级联非奇异终端滑模观测器的无速度传感器转矩控制系统及方法 - Google Patents

基于级联非奇异终端滑模观测器的无速度传感器转矩控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于级联非奇异终端滑模观测器的无速度传感器转矩控制系统及方法，其对永磁同步电机转矩进行精确控制。本发明在矢量控制的基础上，首先，在dq坐标系设计自适应非奇异终端滑模观测器，来实现永磁同步电机转速、转子位置及定子电阻的观测；其次在αβ坐标系设计有效磁链非奇异终端滑模观测器，并把所观测的转速、和定子电阻信号输入，来观测αβ轴上的有效磁链，从而形成级联非奇异终端滑模观测器；然后利用观测的有效磁链信号和电流观测值，来获取电机反馈转矩信号。最后，将估算的电机转矩与给定转矩形成转矩闭环。所述系统及方法，能抑制传统滑模观测器控制量的抖振，在参数摄动及外部扰动情况下，实现永磁同步电机转矩的精确控制。

Description

基于级联非奇异终端滑模观测器的无速度传感器转矩控制系 统及方法
技术领域
本发明涉及永磁同步牵引电机转矩控制技术领域，尤其涉及一种基于级联滑模观测器的无速度传感器转矩控制系统及方法，是一种特别适用于永磁同步牵引电机转矩高精度控制的系统及方法。
背景技术
永磁同步电机因具有高功率密度、高功率因数、高转矩电流比、高效率、优越的调速控制性能，且结构简单、机械强度高、易维护、造价低；能够实现低速恒转矩、高速恒功率运行，具有过载能力强、启动转矩大、能在全速范围内提供大而准确的转矩。为此，永磁同步牵引电机在轨道牵引领域被广泛使用。
轨道牵引驱动控制系统要求电机具有较宽的调速范围和较小的转矩脉动。在轨道牵引传动控制系统中，电机驱动系统接收整车控制系统发送的转矩指令，控制电机输出相应大小的转矩，整车控制系统要求电机控制系统转矩控制的精度在给定5％范围内。有效准确地检测或观测电机的输出转矩，构成转矩闭环控制才能按照给定指令值输出相应的转矩而实现牵引电机的转矩控制。
然而要实现电机转矩的高精度控制，通常需要在转子轴上安装机械式扭矩传感器检测电机转矩，但由于机械式传感器容易受温度、湿度及振动的影响，因此降低了电机系统的可靠性，且在一些特殊场合无法应用。为此，无速度传感器转矩控制得到了广泛的关注，但传统的方法在电机系统参数发生摄动及外部存在扰动的情况下，难以精确地检测出转子速度及位置，因此也无法对电机转矩进行精确控制；且传统滑模变结构控制方法存在抖动现象，因此也限制了其工程应用。
发明内容
本发明提供一种基于级联非奇异终端滑模观测器的无速度传感器转矩控制装置，来提高观测器的精度，并抑制传统滑模观测器控制量的抖振，实现永磁同步牵引电机转矩的高精度和强鲁棒性控制的技术问题。
本发明一方面提供一种基于级联非奇异终端滑模观测器的无速度传感器转矩控制方法，所述方法是基于永磁同步电机控制系统的，包括：
步骤1，在dq坐标系中以定子电流为状态变量建立永磁同步电机数学模型
式中， Ld、Lq分别为d、q轴的电感，ud、uq分别为d、q轴的电压，id、iq分别d、 q轴的电流，为转子永磁体磁链，ωe为转子电角速度，Rs为定子电阻；
步骤2，在dq坐标系中以定子电流为状态变量，为实现永磁同步牵引电机转速ωe、转子位置θe及定子电阻Rs的观测，设计自适应非奇异终端滑模观测器
式中， 为非奇异终端滑模观测器的控制输入量。
步骤3，根据有效磁链的定义ψext＝ψr+(Ld-Lq)id，在αβ坐标系中建立基于有效磁链的永磁同步电机数学模型
式中，x'＝[iα iβ]T，u'＝[uα uβ]T，d＝[ψext,α ψext,β]T， uα、uβ分别为αβ坐标系定子电压分量，iα、 iβ分别为αβ坐标系定子电流分量，ψα、ψβ分别为αβ坐标系定子磁链分量；
步骤4，在αβ坐标系中设计有效磁链非奇异终端滑模观测器来实现有效磁链的观测
式中，ζ＝[ξd ξq]T为观测器的控制输入量。
步骤5，根据级联滑模观测器输出的电流观测值和有效磁链来估算电机转矩
步骤6，将估算的电机转矩与给定转矩形成转矩闭环，从而实现永磁同步牵引电机转矩的精确控制。
进一步的，步骤2的具体过程为：
步骤2.1，定义电流观测偏差为选取非奇异终端滑模面为
式中，l∈R2，s＝[s1 s2]T＝e，β＝diag(β1,β2)，β1、β2为大于0的常数，p、q为奇数且1＜p/q＜2。
步骤2.2，步骤2.2，设计非奇异终端滑模控制律为式
设计定子电阻参数自适应律为
设计转速自适应律为
式中，k＞0，η＞0，μ＞0为设计参数，sgn(l)＝[sgn(l1),sgn(l2)]T， kR、kω为待调节的参数；
步骤2.3，当设计的自适应非奇异终端滑模观测器全局范围渐进稳定时，定子电阻的估计值，转子速度的估计值，
步骤2.3，根据转子速度来计算位置
进一步的，步骤4的具体过程为：
步骤4.1，将自适应滑模观测器观测出的转子速度和定子电阻输入到有效磁链滑模观测器中，形成级联非奇异终端滑模观测器；
步骤4.2，当设计的有效磁链滑模观测器全局范围渐进稳定时，Ed＝v'；
步骤4.3，根据电流观测值来计算有效磁链d＝E-1v'；
本发明另一方面提供一种基于级联非奇异终端滑模观测器的无速度传感器转矩控制系统，其特征在于，包括：无速度传感器转矩控制模块，所述无速度传感器转矩控制模块包括级联非奇异滑模终端模观测器、电磁转矩计算单元；级联非奇异终端滑模观测器的输出端与电磁转矩计算单元的输入端连接；所述级联非奇异终端滑模观测器包括自适应非奇异终端滑模观测器和有效磁链非奇异终端滑模观测器；自适应非奇异终端滑模观测器与有效磁链非奇异终端滑模观测器连接；
其中，自适应非奇异终端滑模观测器，根据dq轴的电压电流信号ud、uq、id、iq，来获取转子速度信号转子位置信号电机参数和q轴电流的观测值
有效磁链非奇异终端滑模观测器，根据αβ轴的电压电流信号uα、uβ、iα、iβ和自适应非奇异终端滑模观测器输出的转速电机参数信号来获取αβ轴上的有效磁链
电磁转矩计算单元，根据级联滑模观测器输出的αβ轴上的有效磁链来获取有效磁链幅值信号和级联滑模观测器输出的q轴电流观测值来获取电机反馈转矩信号
进一步的，自适应非奇异终端滑模观测器包括非奇异终端滑模观测器、自适应律调节单元、电机参数存取单元、转子速度和位置提取单元；非奇异终端滑模观测器的输出端与自适应律调节单元的输入端连接，自适应律调节单元的输出端与电机参数存取单元的输入端、转子速度和位置提取单元的输入端连接，电机参数存取单元的输出端与非奇异终端滑模观测器连接，转子速度和位置提取单元的输出端与非奇异终端滑模观测器连接；
进一步的，所述系统还包括，与自适应非奇异终端滑模观测器连接的有效磁链非奇异终端滑模观测器；有效磁链非奇异终端滑模观测器的输入端与自适应非奇异终端滑模观测器中的电机参数存取单元、转子速度和位置提取单元连接。
本实施例提供的基于级联非奇异终端滑模观测器的无速度传感器转矩控制系统及方法，能在电机系统参数摄动及外部存在扰动的情况下，实现永磁同步电机转矩的精确控制。且通过基于级联非奇异终端滑模观测器的无机械式速度传感器的设计，进一步提升了永磁同步电机控制系统转矩控制的可靠性和鲁棒性，可广泛应用于以永磁同步电机为驱动系统的场合。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。
图1为根据本发明实施例一的基于级联非奇异终端滑模观测器的无速度传感器转矩控制方法的流程示意图；
图2为根据本发明实施例二的整体结构示意图；
图3为根据本发明实施例三的基于级联非奇异终端滑模观测器的无速度传感器转矩控制系统及方法的原理示意图；
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
实施例一
本实施例的无速度传感器转矩控制方法的执行主体是无速度传感器转矩控制系统，图1为根据本发明实施例一的基于级联非奇异终端滑模观测器的无速度传感器转矩控制方法的流程示意图。如图1所示，本实施例提供基于级联非奇异终端滑模观测器的无速度传感器转矩控制方法，所述方法是基于永磁同步电机控制系统的，包括：
步骤1，在dq坐标系中以定子电流为状态变量建立永磁同步电机数学模型
式中， Ld、Lq分别为d、q轴的电感，ud、uq分别为d、q轴的电压，id、iq分别d、 q轴的电流，ψr为转子永磁体磁链，ωe为转子电角速度，Rs为定子电阻；
步骤2，在dq坐标系中以定子电流为状态变量，设计自适应非奇异终端滑模观测器来实现永磁同步牵引电机转速ωe、转子位置θe及定子电阻Rs的观测
式中， v＝[vd vq]T为观测器的控制输入量，分别为d、q轴电流的观测值，为定子电阻的观测值，为转子电角速度的观测值；
步骤3，根据有效磁链的定义ψext＝ψr+(Ld-Lq)id，在αβ坐标系中建立基于有效磁链的永磁同步电机数学模型
式中，x'＝[iα iβ]T，u'＝[uα uβ]T，d＝[ψext,α ψext,β]T， uα、uβ分别为αβ坐标系定子电压分量，iα、 iβ分别为αβ坐标系定子电流分量，ψα、ψβ分别为αβ坐标系定子磁链分量；
步骤4，在αβ坐标系中设计有效磁链非奇异终端滑模观测器来实现有效磁链的观测；
式中，ζ＝[ξd ξq]T为观测器的控制输入量。
步骤5，根据级联滑模观测器输出的电流观测值和有效磁链来估算电机转矩
步骤6，将估算的电机转矩与给定转矩形成转矩闭环，从而实现永磁同步牵引电机转矩的精确控制。
进一步的，步骤2的具体过程为：
步骤2.1，定义电流观测偏差为选取非奇异终端滑模面为
式中，l∈R2，s＝[s1 s2]T＝e，β＝diag(β1,β2)，β1、β2为大于0的常数，p、q为奇数且1＜p/q＜2。
步骤2.2，设计非奇异终端滑模控制律为式
设计定子电阻参数自适应律为
设计转速自适应律为
式中，k＞0，η＞0，μ＞0为设计参数，sgn(l)＝[sgn(l1),sgn(l2)]T，kR、kω为待调节的参数；
步骤2.3，当设计的自适应非奇异终端滑模观测器全局范围渐进稳定时，定子电阻的估计值转子速度的估计值，
步骤2.4，根据转子速度来计算位置
进一步的，步骤4的具体过程为：
步骤4.1，将自适应非奇异终端滑模观测器观测出的转子速度和定子电阻输入到有效磁链非奇异终端滑模观测器中，形成级联非奇异终端滑模观测器；
步骤4.2，当设计的有效磁链非奇异终端滑模观测器全局范围渐进稳定时，Ed＝v'；
步骤4.3，根据电流观测值来计算有效磁链d＝E-1v'；
实施例二
本实施例的基于级联非奇异终端滑模观测器的无速度传感器转矩控制系统用于执行上述无速度传感器转矩控制方法。图2为根据本发明实施例二的整体结构示意图，如图2所示，本实施例提供一种基于级联非奇异终端滑模观测器的无速度传感器转矩控制装置，所述装置包括：三相桥式逆变电路1、电压电流信号采集单元2、永磁同步牵引电机3、坐标变换模块4、无速度传感器转矩控制模块5、最大转矩电流比控制/弱磁控制单元6、转矩给定单元7；三相桥式逆变电路1的输入端与输出端分别连接最大转矩电流比/弱磁控制单元6、电压电流信号采集单元2，电压电流信号采集单元2的输出端与永磁同步牵引电机3、坐标变换模块4连接，坐标变换模块4的输出端与无速度传感器转矩控制模块5、最大转矩电流比控制/弱磁控制单元6 连接，无速度传感器转矩控制模块5的输出端与转矩给定单元7、最大转矩电流比/弱磁控制单元6连接。
具体的，三相桥式逆变电路1，用于根据PWM调制波形控制三相桥式逆变电路开关的导通，使三相桥式逆变电路输出有规律的abc三相电压，从而实现对永磁同步牵引电机的控制；电压电流信号采集单元2，用于根据三相桥式逆变电路输出的大电压、大电流，获取小电压、小电流数字信号；坐标变换模块4，用于根据电压电流信号采集单元2采集的电压电流信号uab、ubc、ia、ib，获取dq轴的电压电流信号ud、uq、id、iq，和αβ轴的电压电流信号uα、 uβ、iα、iβ；无速度传感器转矩控制模块5，用于根据dq轴的电压电流信号ud、uq、id、iq，和αβ轴的电压电流信号uα、uβ、iα、iβ，获取电机反馈转矩信号转子速度信号转子位置信号最大转矩电流比控制/弱磁控制单元6，用于根据反馈转矩信号与转矩给定单元7输出的给定转矩信号之间的差值、dq轴的电流id、iq、转子位置信号产生三相占空比的PWM调制波形；转矩给定单元7，用于输出给定转矩信号
实施例三
本实施例是在实施例二的基础上进行的补充说明。
图3为根据本发明实施例三的无速度传感器转矩控制模块的原理示意图，所述无速度传感器转矩控制模块5包括：级联非奇异终端滑模观测器51、电磁转矩计算单元52；级联非奇异终端滑模观测器51的输出端与电磁转矩计算单元52的输入端连接。
所述级联非奇异终端滑模观测器51包括：自适应非奇异终端滑模观测器511和有效磁链非奇异快速终端滑模观测器512，自适应非奇异终端滑模观测器511与有效磁链非奇异快速终端滑模观测器512连接；自适应非奇异终端滑模观测器511包括，非奇异终端滑模观测器5111、自适应律调节单元5112、电机参数存取单元5113、转子速度和位置提取单元5114；非奇异终端滑模观测器5111的输出端与自适应律调节单元5112的输入端连接，自适应律调节单元5112 的输出端与电机参数存取单元5113的输入端、转子速度和位置提取单元5114的输入端连接，电机参数存取单元5113的输出端分别连接非奇异终端滑模观测器5111、有效磁链非奇异快速终端滑模观测器512的输入端，转子速度和位置提取单元5114的输出端分别连接非奇异终端滑模观测器5111、有效磁链非奇异快速终端滑模观测器512的输入端。
图3可知，无速度传感器转矩控制模块5的具体实现步骤如下：
1、首先将坐标变换模块4输出的dq轴的电压电流信号ud、uq、id、iq输入到非奇异终端滑模观测器5111中；
2、非奇异终端滑模观测器5111与自适应律调节单元5112、电机参数存取单元5113和转子速度和位置提取单元5114形成一个闭环控制。首先通过对自适应律参数的调节，自适应律调节单元5112将实时输出电机参数、转子速度转子位置信号然后将电机参数、转子速度转子位置信号输入非奇异终端滑模观测器5111中，非奇异终端滑模观测器5111再将输出dq轴电流的观测值输入自适应律调节单元5112中，从而构成一个闭环控制；
3、电机参数存取单元5113对自适应律调节单元5112输出的电机参数进行实时存取，转子速度和位置提取单元5114对自适应律调节单元5112输出的转子速度转子位置信号进行提取；
4、将电机参数存取单元5113提取的电机参数与转子速度和位置提取单元5114提取的转子速度输入给有效磁链非奇异快速终端滑模观测器512中，有效磁链非奇异快速终端滑模观测器512将检测出αβ轴上的有效磁链
5、将有效磁链非奇异快速终端滑模观测器512检测出的αβ轴上的有效磁链输入给电磁转矩计算单元52；
6、电磁转矩计算单元52根据有效磁链信号和非奇异终端滑模观测器511输出的q轴电流观测值计算出反馈转矩电机反馈转矩与转矩给定单元7输出的转矩给定信号形成转矩闭环控制，再通过最大转矩电流比控制/弱磁控制单元6来实现永磁同步电机转矩的精确控制。
本发明提供的基于级联非奇异终端滑模观测器的无速度传感器转矩控制系统及方法，能在电机系统参数发生摄动及外部存在扰动的情况下，实现永磁同步电机转矩的精确控制，解决了传统滑模观测器存在的抖动问题，且通过基于级联非奇异终端滑模观测器的无速度传感器转矩控制的设计，进一步提升了永磁同步电机转矩控制的可靠性和鲁棒性，可广泛应用于以永磁同步电机为驱动系统的场合。虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (6)

1.一种基于级联非奇异终端滑模观测器的无速度传感器转矩控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，在dq坐标系以定子电流为状态变量建立永磁同步电机数学模型
式中，x＝[id iq]T，u＝[ud uq]T， Ld、Lq分别为d、q轴的电感，ud、uq分别为d、q轴的电压，id、iq分别d、q轴的电流，ψr为转子永磁体磁链，ωe为转子电角速度，Rs为定子电阻；
步骤2，在dq坐标系中以定子电流为状态变量，设计自适应非奇异终端滑模观测器来实现永磁同步牵引电机转速ωe、转子位置θe及定子电阻Rs的观测；
式中， v＝[vd vq]T为观测器的控制输入量，分别为d、q轴电流的观测值，为定子电阻的观测值，为转子电角速度的观测值；
步骤3，根据有效磁链的定义ψext＝ψr+(Ld-Lq)id，在αβ坐标系中建立基于有效磁链的永磁同步电机数学模型
式中，x'＝[iα iβ]T，u'＝[uα uβ]T，d＝[ψext,α ψext,β]T， C＝I，uα、uβ分别为αβ坐标系定子电压分量，iα、iβ分别为αβ坐标系定子电流分量，ψα、ψβ分别为αβ坐标系定子磁链分量；
步骤4，在αβ坐标系中设计有效磁链非奇异终端滑模观测器来实现有效磁链的观测；
式中，ζ＝[ξd ξq]T为观测器的控制输入量。
步骤5，根据级联滑模观测器输出的电流观测值和有效磁链来估算电机转矩
步骤6，将估算的电机转矩与给定转矩形成转矩闭环，从而实现永磁同步牵引电机转矩的精确控制。
2.根据权利要求1所述基于级联非奇异终端滑模观测器的无速度传感器转矩控制方法，其特征在于，所述步骤2的具体过程为：
步骤2.1，定义电流观测偏差为选取非奇异终端滑模面为
式中，l∈R2，s＝[s1 s2]T＝e，β＝diag(β1,β2)，β1、β2为大于0的常数，p、q为奇数且1＜p/q＜2。
步骤2.2，设计非奇异终端滑模控制律为式
设计定子电阻参数自适应律为
设计转速自适应律为
式中，k＞0，η＞0，μ＞0为设计参数，sgn(l)＝[sgn(l1),sgn(l2)]T，kR、kω为待调节的参数；
步骤2.3，当设计的自适应非奇异终端滑模观测器全局范围渐进稳定时，定子电阻的估计值，转子速度的估计值，
步骤2.4，根据转子速度观测值来计算转子位置观测值 。
3.根据权利要求1所述基于级联非奇异终端滑模观测器的无速度传感器转矩控制方法，其特征在于，所述步骤4的具体过程为：
步骤4.1，将自适应滑模观测器观测出的转子速度和定子电阻输入到有效磁链滑模观测器中，形成级联非奇异终端滑模观测器；
步骤4.2，当设计的有效磁链滑模观测器全局范围渐进稳定时，Ed＝v'；
步骤4.3，根据电流观测值来计算有效磁链d＝E-1v'。
4.一种基于级联非奇异终端滑模观测器的无速度传感器转矩控制系统，其特征在于，包括：无速度传感器转矩控制模块，所述无速度传感器转矩控制模块包括级联非奇异终端滑模观测器、电磁转矩计算单元；级联非奇异终端滑模观测器的输出端与电磁转矩计算单元的输入端连接；所述级联非奇异终端滑模观测器包括自适应非奇异终端滑模观测器和有效磁链非奇异终端滑模观测器；自适应非奇异终端滑模观测器与有效磁链非奇速终端滑模观测器连接。
其中，自适应非奇异终端滑模观测器，根据dq轴的电压电流信号ud、uq、id、iq，来获取转子速度信号转子位置信号电机参数和q轴电流的观测值
有效磁链非奇异终端滑模观测器，根据αβ轴的电压电流信号uα、uβ、iα、iβ和自适应非奇异终端滑模观测器输出的转速电机参数信号来获取αβ轴上的有效磁链
电磁转矩计算单元，根据级联非奇异终端滑模观测器输出的αβ轴上的有效磁链 来获取有效磁链幅值信号和级联滑模观测器输出的q轴电流观测值来获取电机反馈转矩信号。
5.根据权利要求4所述的一种基于级联非奇异终端滑模观测器的无速度传感器转矩控制系统，其特征在于，所述的自适应非奇异终端滑模观测器包括非奇异终端滑模观测器、自适应律调节单元、电机参数存取单元、转子速度和位置提取单元；非奇异终端滑模观测器的输出端与自适应律调节单元的输入端连接，自适应律调节单元的输出端与电机参数存取单元的输入端、转子速度和位置提取单元的输入端连接，电机参数存取单元的输出端与非奇异终端滑模观测器连接，转子速度和位置提取单元的输出端与非奇异终端滑模观测器连接。
6.根据权利要求4所述的一种基于级联非奇异终端滑模观测器的无速度传感器转矩控制系统，其特征在于，还包括与自适应非奇异终端滑模观测器连接的有效磁链非奇异终端滑模观测器；有效磁链非奇异终端滑模观测器的输入端与自适应非奇异终端滑模观测器中的电机参数存取单元、转子速度和位置提取单元连接。
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