CN108847791A - 一种自适应非奇异快速终端滑模观测器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自适应非奇异快速终端滑模观测器控制方法，属于电机转矩控制领域。本发明通过转矩差值自适应调节终端吸引子中的指数趋近律和终端吸引趋近律的系数，用转矩差值变化率调整整体的趋近速率；通过定子电流和电压来确定滑模超平面，并通过转矩差值和转矩差值变化率自适应调整滑模超平面；通过超平面和趋近律得到滑模控制率，并通过转矩差值和转矩差值变化率自适应调整控制率；转矩计算模块计算得到实时转矩，并与给定转矩产生转矩差值。本发明自适应调节终端吸引子趋近律、控制率和超平面，避免了滑模系统在控制切换时出现的超调和振荡现象，同时对参数摄动和外界干扰具有很好的自适应效果，提高了无刷直流电机控制系统的稳定性能。

Description

一种自适应非奇异快速终端滑模观测器控制方法

技术领域

本发明属于电机转矩控制领域，特别涉及一种自适应非奇异快速终端滑模观测器控制方法。

背景技术

滑模观测器是一种比较特殊的非线性控制结构，通过正常运动和滑动模态运动两种控制切换，最终使得系统在一定时间内稳定在平衡点处，而自适应非奇异快速终端滑模观测器是滑模观测器的一种变形。1989年，本领域技术人员提出了终端滑模的概念，很大程度上减小了滑模控制中的系统“抖振”问题，但在平衡点处存在奇异现象；现有技术中，有一种非奇异快速终端滑模观测器，能够改善系统全局趋近速度和解决平衡点处的奇异问题，但是系统容易外界因素干扰，动态性能不好。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种自适应非奇异快速终端滑模观测器控制方法，采用终端吸引子作为观测器的趋近律，消除了系统的“抖振问题”，采用幂指数趋近律和终端吸引趋近律，系统全局趋近速度性能好，利用转矩误差和转矩误差的变化率来自适应滑模观测器的趋近律、滑模面和控制率，抗外界干扰和动态性能好，为无刷直流电机直接转矩控制中反电动势观测提供了一种可行的方案。

一种自适应非奇异快速终端滑模观测器控制方法，应用于自适应非奇异快速终端滑模观测器，所述滑模观测器与无刷直流电机电性连接，所述滑模观测器包括自适应滑模超平面模块、自适应终端吸引子趋近率模块、自适应滑模控制率模块、转矩计算模块，所述方法包括以下步骤：

步骤1，采集所述无刷直流电机的定子电压u和定子电流i，通过所述自适应滑模超平面模块，基于所述滑模观测器的误差方程，得到所述滑模观测器的滑模超平面s；

步骤2，采集所述无刷直流电机的定子电压u和定子电流i，通过所述自适应终端吸引子趋近率模块得到所述滑模观测器的趋近率

步骤3，根据所述超平面s和趋近率基于所述滑模观测器的误差方程，所述自适应滑模控制率模块得到所述滑模观测器的控制率u；

步骤4，根据所述滑模观测器获取的反电动势的观测值，通过所述转矩计算模块得到所述无刷直流电机的转矩T_e；

步骤5，将计算得到的转矩T_e和给定转矩做差，得到转矩差值ΔT_e和转矩差值变化率以自适应调整控制所述滑模观测器的滑模面、趋近率及控制率。

进一步地，所述步骤1包括以下流程：

采集所述无刷直流电机的定子电压u和定子电流i，通过所述自适应滑模超平面模块，基于所述滑模观测器的误差方程，得到所述滑模观测器的滑模超平面s，表达式为

其中， 和表示定子电流在αβ轴上分量的误差值，和为关于转矩差值变化率的函数，t＞1，p和q为正奇数，

进一步地，所述滑模观测器的误差方程为

其中，e_α和e_β为反电动势在αβ轴上的分量，v_α和v_β为预设的控制率，R为定子相电阻，L为定子相电感。

进一步地，所述步骤1还包括以下流程：

和随所述转矩差值变化率自适应变化，表示为

其中，σ＞0，η＞0，ξ＞1，ζ＞1，m和n为已知正常数。

进一步地，所述步骤2包括以下流程：

采集所述无刷直流电机的定子电压u和定子电流i，通过所述自适应终端吸引子趋近率模块得到所述滑模观测器的趋近率表达式为

其中，x＞1，y＞1， 为幂指数趋近率，为终端吸引趋近率，ΔT_e为转矩差值，为转矩差值变化率，L为定子相电感；

基于转矩差值ΔT_e和转矩差值变化率自适应调整趋近率系数。

进一步地，所述步骤3包括以下流程：

根据所述超平面s和趋近率基于所述滑模观测器的误差方程，所述自适应滑模控制率模块得到所述滑模观测器的控制率u，表示为

其中，R为定子相电阻，e_α和e_β为反电动势在αβ轴上的分量；

基于转矩差值ΔT_e和转矩差值变化率自适应调整所述滑模观测器的控制率。

进一步地，所述步骤4包括以下流程：

根据所述滑模观测器获取的反电动势的观测值e_α和e_β，通过所述转矩计算模块得到所述无刷直流电机的转矩T_e，表示为

其中，p为所述无刷直流电机的极对数，w为所述无刷直流电机的角速度，i_α和i_β为定子电流在αβ轴上的分量，e_α和e_β为反电动势在αβ轴上的分量。

本发明的有益效果：本发明提供了一种自适应非奇异快速终端滑模观测器控制方法，通过转矩的误差来自适应调节终端吸引子中的指数趋近律和终端吸引趋近律的系数，用转矩误差的变化率来调整整体的趋近速率；通过定子电流和电压来确定滑模超平面，并通过转矩误差和转矩误差的变化率来自适应调整滑模超平面；通过超平面和趋近律得到滑模的控制率，并通过转矩误差和转矩误差的变化率来自适应调整控制率；转矩计算模块计算得到实时转矩，并与给定转矩产生转矩差值。本发明自适应调节终端吸引子趋近律、控制率和超平面，很大程度避免了滑模系统在控制切换时出现的超调和振荡现象，同时对参数摄动和外界干扰具有很好的自适应效果，提高了无刷直流电机控制系统的稳定性能。

附图说明

图1为本发明实施例的非奇异快速终端滑模观测器和无刷直流电机的结构示意图。

图2为本发明实施例的结构示意图。

图中：10-滑模观测器；110-自适应滑模超平面模块；120-自适应终端吸引子趋近率模块；130-自适应滑模控制率模块；140-转矩计算模块；20-无刷直流电机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做进一步的说明。

本发明提出了一种自适应非奇异快速终端滑模观测器10控制方法，应用于自适应非奇异快速终端滑模观测器10，请参阅图1，图1示出了滑模观测器10与无刷直流电机20的示意图，滑模观测器10与无刷直流电机20典型连接，滑模观测器10包括自适应滑模超平面模块110、自适应终端吸引子趋近率模块120、自适应滑模控制率模块130、转矩计算模块140。

请参阅图2，本发明提出的控制方法，通过以下步骤实现：

步骤1，采集所述无刷直流电机20的定子电压u和定子电流i，通过所述自适应滑模超平面模块110，基于所述滑模观测器10的误差方程，得到所述滑模观测器10的滑模超平面s。

本实施例中，滑模观测器10的滑模超平面s，表达式为

其中， 和表示定子电流在αβ轴上分量的误差值，和为关于转矩差值变化率的函数，t＞1，p和q为正奇数，

滑模观测器10的误差方程为

其中，e_α和e_β为反电动势在αβ轴上的分量，v_α和v_β为预设的控制率，R为定子相电阻，L为定子相电感。

和随所述转矩差值变化率自适应变化，表示为

其中，σ＞0，η＞0，ξ＞1，ζ＞1，m和n为已知正常数。

本实施例中，自适应滑模超平面模块110通过定子电流和电压来确定滑模超平面，并通过转矩差值和转矩差值的变化率来自适应调整滑模超平面。

步骤2，采集所述无刷直流电机20的定子电压u和定子电流i，通过所述自适应终端吸引子趋近率模块120得到所述滑模观测器10的趋近率

本实施例中，滑模观测器10的趋近率趋近率引用终端引子，表达式为

其中，x＞1，y＞1， 为幂指数趋近率，为终端吸引趋近率。

本实施例中，自适应终端吸引子趋近律模块是利用定子电流和电压来确定终端吸引子趋近律，并通过转矩的差值来自适应调节终端吸引子中的指数趋近律和终端吸引趋近律的系数，用转矩误差的变化率来调整整体的趋近速率。

步骤3，根据所述超平面s和趋近率基于所述滑模观测器10的误差方程，所述自适应滑模控制率模块130得到所述滑模观测器10的控制率u。

本实施例中，滑模观测器10的控制率u，表示为

其中，e_α和e_β为反电动势在αβ轴上的分量；

本实施例中，自适应滑模控制率模块130是通过超平面和趋近律得到滑模的控制率，并通过转矩误差和转矩误差的变化率来自适应调整控制率。

步骤4，根据所述滑模观测器10获取的反电动势的观测值，通过所述转矩计算模块140得到所述无刷直流电机20的转矩T_e。

本实施例中，无刷直流电机20的转矩T_e，表示为

其中，p为所述无刷直流电机20的极对数，w为所述无刷直流电机20的角速度，i_α和i_β为定子电流在αβ轴上的分量，e_α和e_β为反电动势在αβ轴上的分量。

步骤5，将计算得到的转矩T_e和给定转矩做差，得到转矩差值ΔT_e和转矩差值变化率以自适应调整控制所述滑模观测器10的滑模面、趋近率及控制率。

本实施例中，本发明通过转矩差值ΔT_e和转矩差值变化率可以自适应调整趋近率、控制率和超平面，很大程度避免了滑模系统在控制切换时出现的超调和振荡现象，同时对参数摄动和外界干扰具有很好的自适应效果，提高了无刷直流电机20控制系统的稳定性能。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种自适应非奇异快速终端滑模观测器控制方法，应用于自适应非奇异快速终端滑模观测器，其特征在于，所述滑模观测器与无刷直流电机电性连接，所述滑模观测器包括自适应滑模超平面模块、自适应终端吸引子趋近率模块、自适应滑模控制率模块、转矩计算模块，所述方法包括以下步骤：

步骤1，采集所述无刷直流电机的定子电压u和定子电流i，通过所述自适应滑模超平面模块，基于所述滑模观测器的误差方程，得到所述滑模观测器的滑模超平面s；

步骤2，采集所述无刷直流电机的定子电压u和定子电流i，通过所述自适应终端吸引子趋近率模块得到所述滑模观测器的趋近率

步骤3，根据所述超平面s和趋近率基于所述滑模观测器的误差方程，所述自适应滑模控制率模块得到所述滑模观测器的控制率u；

步骤4，根据所述滑模观测器获取的反电动势的观测值，通过所述转矩计算模块得到所述无刷直流电机的转矩T_e；

步骤5，将计算得到的转矩T_e和给定转矩T_e*做差，得到转矩差值ΔT_e和转矩差值变化率以自适应调整控制所述滑模观测器的滑模面、趋近率及控制率。

2.如权利要求1所述的自适应非奇异快速终端滑模观测器控制方法，其特征在于，所述步骤1包括以下流程：

采集所述无刷直流电机的定子电压u和定子电流i，通过所述自适应滑模超平面模块，基于所述滑模观测器的误差方程，得到所述滑模观测器的滑模超平面s，表达式为

其中， 和表示定子电流在αβ轴上分量的误差值，和为关于转矩差值变化率的函数，p和q为正奇数，

3.如权利要求2所述的自适应非奇异快速终端滑模观测器控制方法，其特征在于，所述滑模观测器的误差方程为

其中，e_α和e_β为反电动势在αβ轴上的分量，v_α和v_β为预设的控制率，R为定子相电阻，L为定子相电感。

4.如权利要求2所述的自适应非奇异快速终端滑模观测器控制方法，其特征在于，所述步骤1还包括以下流程：

和随所述转矩差值变化率自适应变化，表示为

其中，σ＞0，η＞0，ξ＞1，ζ＞1，m和n为已知正常数。

5.如权利要求2所述的自适应非奇异快速终端滑模观测器控制方法，其特征在于，所述步骤2包括以下流程：

采集所述无刷直流电机的定子电压u和定子电流i，通过所述自适应终端吸引子趋近率模块得到所述滑模观测器的趋近率表达式为

其中，x＞1，y＞1， 为幂指数趋近率，为终端吸引趋近率，ΔT_e为转矩差值，为转矩差值变化率，L为定子相电感；

基于转矩差值ΔT_e和转矩差值变化率自适应调整趋近率系数。

6.如权利要求5所述的自适应非奇异快速终端滑模观测器控制方法，其特征在于，所述步骤3包括以下流程：

根据所述超平面s和趋近率基于所述滑模观测器的误差方程，所述自适应滑模控制率模块得到所述滑模观测器的控制率u，表示为

其中，R为定子相电阻，e_α和e_β为反电动势在αβ轴上的分量；

基于转矩差值ΔT_e和转矩差值变化率自适应调整所述滑模观测器的控制率。

7.如权利要求1所述的自适应非奇异快速终端滑模观测器控制方法，其特征在于，所述步骤4包括以下流程：

根据所述滑模观测器获取的反电动势的观测值e_α和e_β，通过所述转矩计算模块得到所述无刷直流电机的转矩T_e，表示为

其中，p为所述无刷直流电机的极对数，w为所述无刷直流电机的角速度，i_α和i_β为定子电流在αβ轴上的分量，e_α和e_β为反电动势在αβ轴上的分量。