CN112039389B - 矿用牵引永磁同步电机驱动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿用牵引永磁同步电机驱动控制方法，永磁同步电机速度采用滑模速度控制器进行控制，负载转矩观测器对负载转矩进行观测，负载转矩观测器的输出用于对滑模速度控制器的输出进行负载转矩补偿；负载转矩观测采用反馈增益依据负载转矩给定值的变化量和负载转矩观测值的变化量进行自动调整的算法，能在电机调速、系统参数发生变化或者是负载发生扰动，导致负载转矩给定值发生变化或/和负载转矩观测值发生变化时，快速降低负载转矩的观测误差并将负载转矩观测值前馈补偿至电流调节器中，有效地削弱了系统的抖振，且动态响应速度快，鲁棒性高，提高了永磁同步电机的控制精度。

Description

矿用牵引永磁同步电机驱动控制方法

技术领域

本发明涉及永磁同步电机技术领域，更具体地，尤其是涉及一种矿用牵引永磁同步电机驱动控制方法。

背景技术

永磁同步电机具有效率高、扭矩大、转速性能好等优点，被广泛应用在制造、电动汽车、工业生产等领域中。矿用牵引电机应用场合工作环境复杂多变，负载转矩变化大，调速范围广，且要求能够大力矩启动，基于PI控制器的永磁同步电机矢量控制方法的鲁棒性不如滑模控制方法，但滑模控制方法在发生负载扰动或内部参数摄动时，会使电机速度产生明显的抖振。

发明内容

本发明的目的是针对负载转矩变化大和调速范围广的情况，提供一种将观测的负载转矩前馈补偿至电流调节器中，提高负载转矩观测响应速度并减少转矩观测波动性的矿用牵引永磁同步电机驱动控制方法，包括：

永磁同步电机速度由滑模速度控制器控制，负载转矩观测器对负载转矩进行观测，负载转矩观测器的输出用于对滑模速度控制器的输出进行负载转矩补偿；其特征在于，负载转矩观测器根据负载转矩给定值和负载转矩观测值的变化对反馈增益进行调整，依据转子角速度ω和电流i_q对负载转矩进行观测，得到新的负载转矩观测值；q轴转矩电流给定值为转矩电流给定分量与转矩电流补偿分量之和。

滑模速度控制器的状态变量为

其中，ω是转子角速度，ω^*是给定转子角速度；滑模速度控制器的滑模面为s＝cx₁+x₂，c为滑模面参数，且c＞0。滑模速度控制器输出的负载转矩给定值

和转矩电流给定分量i′_q为

其中，J是转动惯量，p是电机极对数，ψ_f是永磁体磁链；系数k₁、k₂、k₃、k₄为速度滑模控制的指数趋近率系数，且k₁＞0，k₂＞0，1＜k₃＜2，k₄＞0。

负载转矩观测器为

其中，

是转子角速度估计值，g是负载转矩观测器的反馈增益且g＜0；

k_g是负载转矩观测器的滑模增益且k_g≤-|e₂/J|，

为负载转矩观测误差，T_L为负载转矩。

负载转矩观测器根据负载转矩给定值和负载转矩观测值的变化对反馈增益进行调整的方法是：

步骤1、计算

计算

步骤2、判断ΔT是否大于ε₂；当ΔT大于ε₂时，取反馈增益g等于g_min并进入步骤5；当ΔT小于等于ε₂时，进入步骤3；

步骤3、判断ΔT是否小于ε₁；当ΔT小于ε₁时，取反馈增益g等于g_max并进入步骤5；当ΔT大于等于ε₁时，进入步骤4；

步骤4、反馈增益g按照

进行计算；

步骤5、负载转矩观测器对负载转矩进行T_L观测，得到负载转矩观测值

滑模速度控制器进行控制运算得到负载转矩给定值

其中，ε₁为转矩变化低限比较阈值，ε₂为转矩变化高限比较阈值，且0＜ε₁＜ε₂；g_max为反馈增益高值，g_min为反馈增益低值，且g_min＜g_max＜0。

转矩电流补偿分量i″_q为

q轴转矩电流给定值

为

选取g_min、g_max、ε₁、ε₂值的方法是：

步骤⑴，负载转矩观测器和滑模速度控制器均处于稳态且保持给定转子角速度不变和负载转矩不变；滑模速度控制器处于稳态指的是滑模速度控制器稳定地处于滑动模态；负载转矩观测器处于稳态指的是观测器稳定地处于滑动模态；

步骤⑵，令反馈增益g从一个较大值开始逐渐减小，例如，令反馈增益g从-0.01开始逐渐减小，当负载转矩观测的稳态误差达到负载转矩观测稳态误差限值时，确定此时的反馈增益g值为g_max；

步骤⑶，保持给定转子角速度不变和负载转矩不变且令反馈增益g等于g_max，连续进行n次ΔT值的测量，并将此时n次测量中最大m个ΔT值之和的平均值作为转矩变化低限比较阈值ε₁；

步骤⑷，微调改变反馈增益g，负载转矩观测器和滑模速度控制器均处于稳态时，保持给定转子角速度不变和令负载转矩突变，在保证负载转矩观测器输出观测值的转矩观测跟踪超调量处于转矩观测跟踪超调限值之内的前提下，测量负载转矩观测器的跟踪调节时间；

步骤⑸，重复步骤⑷，选择跟踪调节时间最短的反馈增益g值为g_min值；

步骤⑹，再次保持给定转子角速度不变和负载转矩不变且令反馈增益g等于g_min，连续进行n次ΔT值的测量，并将此时n次测量中最大m个ΔT值之和的平均值作为转矩变化高限比较阈值ε₂。

所述n≥20，5≤m≤0.5n。

滑模增益k_g按照

进行选择；其中，α≥1；优选地，1≤α≤5。

永磁同步电机速度控制的过程具体包括以下步骤：

步骤一、检测永磁同步电机的转子位置θ、转子角速度ω和三相电流i_a、i_b和i_c；

步骤二、依据三相电流i_a、i_b和i_c对永磁同步电机进行Clark变换得到在α-β轴坐标系下的电流i_α、电流i_β，依据电流i_α、电流i_β和转子位置θ进行Park变换，得到在d-q轴坐标系下的电流i_d、电流i_q；

步骤三、负载转矩观测器的反馈增益g依据负载转矩给定值T_L ^*和负载转矩观测值

的变化进行调整；

步骤四、负载转矩观测器依据转子角速度ω和电流i_q对负载转矩进行观测，得到新的负载转矩观测值

和转矩电流补偿分量i″_q；

步骤五、滑模速度控制器依据输入的转子给定角速度ω^*和转子角速度ω进行控制计算，得到负载转矩给定值

和转矩电流给定分量i′_q；

步骤六、依据转矩电流给定分量i′_q和转矩电流补偿分量i″_q计算得到q轴转矩电流给定值i_q ^*；d轴电流控制器依据d轴转矩电流给定值i_d ^*与d轴坐标系下的电流i_d之间的差值进行PI控制运算，得到d轴坐标系下的控制电压U_d；q轴电流控制器依据q轴转矩电流给定值i_q ^*与q轴坐标系下的电流i_q之间的差值进行PI控制运算，得到q轴坐标系下的控制电压U_q；依据d-q轴坐标系下的控制电压U_d、U_q进行Park逆变换，得到α-β轴坐标系下的控制电压U_α、U_β；d轴转矩电流给定值i_d ^*等于0；

步骤七、将α-β轴坐标系下的控制电压U_α、U_β作为SVPWM模块的输入，由SVPWM模块控制三相逆变器产生三相交流电源U_a、U_b、U_c，从而驱动永磁同步电机运转。

上述周期性控制过程中，步骤三与步骤四、五的先后顺序可以互换，即可以先执行步骤四、五，后执行步骤三。

所述永磁同步电机速度控制由包括滑模速度控制器、负载转矩观测器、q轴电流控制器、d轴电流控制器、Clarke变换模块、位置与速度检测模块、Park变换模块、Park逆变换模块、SVPWM模块和三相逆变器的永磁同步电机速度控制系统实现。

本发明的有益效果是，将负载转矩观测值前馈补偿至电流调节器的给定值中，在不需要滑模速度控制器输出的给定电流部分产生较大调整的情况下，就能抵消负载发生扰动或者是系统参数发生变化所造成的相关影响，有效地削弱了系统的抖振。负载转矩观测采用反馈增益依据负载转矩给定值的变化量和负载转矩观测值的变化量进行自动调整的算法，避免了负载转矩观测器选择固定小反馈增益导致转矩观测波动大，选择固定大反馈增益导致收敛时间长的问题，能在系统的控制参数、模型参数等发生变化或者是负载发生扰动，导致负载转矩给定值发生变化或/和负载转矩观测值发生变化时，快速降低负载转矩的观测误差，改善了观测效果和电机速度控制的快速性与精确性。反馈增益在负载转矩给定值变化时即进行自动调整，能够在负载转矩观测值还没有发生较大变化，但因转子角速度给定值改变或/和转子角速度实际值改变使负载转矩给定值改变，或者是系统模型参数发生变化使负载转矩给定值发生改变，将引起负载转矩观测值有较大波动时，提前调整反馈增益，当负载转矩观测值真正产生观测误差时，加快观测器的响应速度，快速降低负载转矩观测值的观测误差，并进一步改善电机速度控制的快速性与精确性。

附图说明

图1为永磁同步电机速度控制系统实施例1框图；

图2为反馈增益自动调整方法实施例1流程图；

图3为永磁同步电机速度控制系统实施例2框图；

图4为反馈增益自动调整方法实施例2流程图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

矿用牵引永磁同步电机驱动控制方法由永磁同步电机速度控制系统实现，图1为永磁同步电机速度控制系统实施例1的框图。图1中，Clarke变换模块输入永磁同步电机(即PMSM)的三相电流i_a、i_b和i_c，输出两相静止α-β轴坐标系下的电流i_α、i_β；位置与速度检测模块中的位置传感器检测永磁同步电机的转子位置θ后转换为转子角速度ω输出；Park变换模块输入电流i_α、i_β和转子位置θ，输出旋转d-q轴坐标系下的电流i_d、i_q；滑模速度控制器SMC输入转子给定角速度ω^*和转子角速度ω，输出负载转矩给定值T_L ^*和转矩电流给定分量i′_q；负载转矩观测器输入负载转矩给定值T_L ^*、转子角速度ω和电流i_q，输出转矩电流补偿分量i″_q；转矩电流给定分量i′_q和转矩电流补偿分量i″_q相加后，作为q轴转矩电流给定值i^* _q；q轴电流PI控制器输入q轴转矩电流给定值i^* _q和电流i_d，输出q轴坐标系下的控制电压U_q；d轴电流PI控制器输入q轴转矩电流给定值i^* _d和电流i_d，输出d轴坐标系下的控制电压U_d，d轴转矩电流给定值i^* _d等于0；Park逆变换模块输入d-q轴坐标系下的控制电压U_d、U_q，输出α-β轴坐标系下的控制电压U_α、U_β；SVPWM模块(即空间矢量脉宽调制模块)输入控制电压U_α、U_β，输出脉冲信号至三相逆变器，三相逆变器将直流电压U_dc转换为三相交流电源U_a、U_b、U_c，从而驱动永磁同步电机运转。

忽略铁心涡流与磁滞损耗等影响，采用i_d＝0的PMSM转子磁场定向控制，建立PMSM在d-q轴旋转坐标系下的数学模型，电压方程为：

对于采用i_d＝0控制方式的凸极式PMSM矢量控制系统，电磁转矩方程为：

PMSM运动方程为：

式(1)(2)(3)中，u_d、u_q分别是d-q轴的电压；i_d、i_q分别是d-q轴的电流；L_d、L_q分别是d-q轴的电感；T_e是电磁转矩；T_L是负载转矩；R是定子的电阻；p是电机极对数；ω_e是转子电角速度，即角频率；ω是转子角速度，即电机转子机械角速度；ψ_f是永磁体磁链；J是转动惯量；B是摩擦系数；t是时间。

令电机的转子角速度误差e＝ω^*-ω，ω^*是电机的给定转子角速度。定义永磁同步电机速度控制系统实施例1的状态变量为：

由式(2)、(3)、(4)得：

对式(5)进行化简，令D＝1.5pψ_f/J，

可得实施例1系统状态空间方程为：

选择滑模面函数为：

s＝cx₁+x₂ (7)

式(7)中，s为滑模面，c为滑模面参数，且c＞0。式(7)中c为转子角速度误差项的系数，其大小对控制作用的影响主要类似于PID控制中的比例系数，c的取值同时还兼顾平衡转子角速度误差和转子角速度误差变化率，通常情况下，在大于0且小于1000的范围内选取，例如，取c＝60。对式(7)求导可得：

传统指数趋近律的表达式为：

式(9)中，sgn()为符号函数，-k₁sgn(s)为等速趋近项，-k₂s为指数趋近项，k₁、k₂两个系数分别决定滑模面的抖振和趋近过程的运动品质，且k₁、k₂均大于0。为提高系统响应速度，在传统指数趋近率的基础上改进，等速趋近项改变为变速趋近项，改进的趋近律为：

其中k₁＞0，k₂＞0，1＜k₃＜2，k₄＞0。当|s|较大时，

变速趋近项趋近速度较大，可加快滑模趋近运动速度；当|s|较小时，

变速趋近项趋近速度较小，可减弱抖振。k₄取值可以参照永磁同步电机额定负载启动时的转子角速度变化率，在该转子角速度变化率附近选取，进一步地，在该转子角速度变化率的80％至120％范围内取值；例如，设某永磁同步电机额定负载启动至额定转速1500r/min所用时间为0.21s，平均的转子角速度变化率是750rad/s²，建议此时k₄在600～900范围内取值。k₃越大，则变速越大，k₃一般在1.05～1.3范围内取值。一般地，系数k₁和系数k₂的取值均小于2000；系数k₂越大，系统状态能以较大速度趋近于滑动模态；系数k₁决定到达切换面的速度，k₁越小则穿越切换面的距离和抖动越小。k₁和k₂分别为变速趋近项系数和指数趋近项系数，由于

的值在1附近变化，因此，式(10)中变速趋近项系数k₁和指数趋近项系数k₂可以按照调整传统指数趋近率中等速趋近项系数和指数趋近项系数的方法进行整定。k₃为变速系数，其大小改变变速快慢；k₄是迁移系数，其大小改变变速临界点。

结合式(8)和(10)，将计算得出的q轴给定电流作为转矩电流给定分量i′_q，可得滑模速度控制器输出的负载转矩给定值T_L ^*和转矩电流给定分量i′_q为：

永磁同步电机速度控制系统实施例1滑模速度控制器输出中含有积分项，对控制量进行了滤波，可削弱系统抖振、减少系统的稳态误差。定义Lyapunov函数为：

由式(10)和式(12)可得：

式(13)中，k₁＞0，k₂＞0，s·sgn(s)≥0，

故

表明系统跟踪误差能在有限时间内收敛到零，系统能稳定运行。

设计滑模速度控制器时整定参数c、k₁、k₂、k₃、k₄的方法是，首先确定k₃、k₄的值；令q轴转矩电流给定值i^* _q只包括输入转矩电流给定分量i′_q(即不进行负载转矩补偿控制)，然后在系统的滑动模态从小到大调整滑模面参数c和变速趋近项系数k₁的值，直到系统出现明显抖振，在此基础上兼顾抑制抖振和系统状态收敛速度，适当减小滑模面参数c和变速趋近项系数k₁的值；最后，在兼顾抑制滑动模态抖振的情况下，主要依据系统到达段(例如，阶跃响应的电机启动阶段)的快速性来调整指数趋近项系数k₂的值，并对滑模速度控制器的其他参数值进行适当微调。

根据PMSM电磁转矩与运动方程，对于恒定的阶跃性负载，在变化周期内可认为是一恒定值，即

将电机转子角速度与负载转矩作为状态变量，构成PMSM状态方程为：

在式(14)基础上，以负载转矩与电机转子角速度为观测对象，建立负载转矩观测器实施例1为：

式(15)中，

是负载转矩的观测值，

是转子角速度估计值，g是负载转矩观测器的反馈增益，

k_g是负载转矩观测器实施例1的滑模增益，负载转矩观测器实施例1为滑模观测器。电机摩擦与负载转矩相比较，所占比重小，令Ｂ＝0，忽略摩擦的影响，则式(15)的负载转矩观测器实施例1变为：

依据B＝0时的(14)和式(16)，得到负载转矩观测器实施例1的误差方程为：

式(17)中，

为转子角速度估算误差，

为负载转矩观测误差，并定义观测器滑模面为

根据滑模可达性条件，式(16)观测器系统稳定条件为k_g≤-|e₂/J|，且g＜0。

在式(14)基础上，以负载转矩与电机转子角速度为观测对象，还可以建立负载转矩观测器实施例2为：

电机摩擦与负载转矩相比较，所占比重小，令B＝0，忽略摩擦的影响，则式(18)的负载转矩观测器实施例2变为：

式(18)、(19)中，

是负载转矩的观测值，

是转子角速度估计值，g是负载转矩观测器的反馈增益，

k_W是负载转矩观测器实施例2的比例增益，负载转矩观测器实施例2为状态观测器。依据B＝0时的式(14)和式(19)，得到负载转矩观测器实施例2误差方程为：

式(20)中，

为转子角速度估算误差，

为负载转矩观测误差。式(19)的状态观测器是一个自治的线性系统，在k_W＜0，且g＜0时，该观测器是渐近稳定的。负载转矩观测器实施例1的式(15)和负载转矩观测器实施例2的式(18)均考虑了电机的摩擦因素，小摩擦阻尼的加入，会给系统响应的快速性带来不利影响，但可以使稳定性分别在式(16)和式(19)的基础上增加。

选择式(15)、(16)的观测器实施例1时，滑模增益k_g的整定方法是，按照

进行选择。式(21)中，α≥1；一般地，α值在1～5的范围内选择，例如，选择α等于1.5。负载转矩观测器实施例1在观测负载转矩的过程中，k_g的绝对值选择过小，当|e₂|较大时观测器不能进入滑模状态；k_g的绝对值选择足够大，可保证观测器进入滑模状态，但负载转矩的稳态观测波动变大；k_g的值随着负载转矩观测误差的变化而变化，可以同时兼顾增加观测器稳定性和减小负载转矩的稳态观测波动。

选择式(18)、(19)的观测器实施例2时，比例增益k_W的整定方法是，按照

进行选择。式(22)中，T_N是电机的额定转矩，β＞0；一般地，β值在1～20的范围内选择，例如，选择β＝10。β选择增大时，负载转矩观测的稳态波动变大，但转矩观测跟踪超调量变小；β选择减小时，负载转矩观测的稳态波动变小，但转矩观测跟踪超调量变大。

在式(15)、(16)或者式(18)、(19)所表示的观测器中，反馈增益g的取值大小对负载转矩观测结果影响较大。反馈增益g越大，观测转矩波动性越小，但观测转矩辨识速度越慢；反馈增益g越小，观测转矩速度越快，但观测转矩波动性越大。出于对此问题的考虑，在传统负载转矩观测器中，综合考虑负载转矩的观测速度与波动性，将反馈增益g取一个折中值，但这会舍弃大反馈增益时的波动性小和小反馈增益时的观测速度快的优势。

电机滑模速度控制主要通过增大控制器中不连续项的幅值来抑制参数变化和外部负载扰动对系统的影响，但幅值增大会引起滑模固有抖振。为解决滑模控制系统抖振与抗扰性之间的矛盾，利用观测器实时观测负载扰动变化，将负载转矩观测值前馈补偿至电流调节器中，以降低滑模控制中不连续项幅值，削弱参数变化导致给定转矩变化，或者是负载扰动所引起系统抖振。为了充分利用反馈增益g在高、低值时的优势，根据两相邻时刻负载转矩观测值以及负载转矩给定值变化量的大小，在负载转矩给定值变化小且负载转矩观测值变化小时，给予反馈增益g较大值，使观测结果波动性小，稳定性更强；在负载转矩给定值变化大或者负载转矩观测值变化大时，给予反馈增益g较小值，使观测速度加快，最终通过对反馈增益g的调整，得到观测速度快和波动小、稳定性更强的综合结果。

负载转矩观测器实施例1，或者是负载转矩观测器实施例2用于图1永磁同步电机速度控制系统实施例1中时，负载转矩观测器根据负载转矩给定值

和负载转矩观测值

的变化对反馈增益g进行调整，依据转子角速度ω和电流i_q对负载转矩进行观测，得到新的负载转矩观测值

图2为反馈增益自动调整方法实施例1流程图，在负载转矩观测器实施例1，或者是负载转矩观测器实施例2用于图1永磁同步电机速度控制系统实施例1中时，进行反馈增益自动调整。在一次电机速度的周期性控制过程中，图2中的(b)所示反馈增益g的调整晚于负载转矩观测和滑模速度控制器的输出计算，有：

步骤①、负载转矩观测器依据现有反馈增益g的值对负载转矩T_L进行观测，得到负载转矩观测值

滑模速度控制器进行控制运算得到负载转矩给定值

此时的

为

为

至下一次进行反馈增益g调整时，该次

变为

变为

步骤②、计算

步骤③、判断ΔT是否大于ε₂；当ΔT大于ε₂时，取反馈增益g等于g_min并退出；当ΔT小于等于ε₂时，进入步骤④；

步骤④、判断ΔT是否小于ε₁；当ΔT小于ε₁时，取反馈增益g等于g_max并退出；当ΔT大于等于ε₁时，进入步骤⑤；

步骤⑤、反馈增益g按照

进行计算。

其中，ε₁为转矩变化低限比较阈值，ε₂为转矩变化高限比较阈值，且0＜ε₁＜ε₂；g_max为反馈增益高值，g_min为反馈增益低值，且g_min＜g_max＜0。

在一次电机速度的周期性控制过程中，图2中的(a)所示反馈增益g的调整先于负载转矩观测和滑模速度控制器的输出计算，其反馈增益g调整方法将上述步骤①变为步骤⑤，步骤②-⑤变为步骤①-④，各步骤中的退出改为进入步骤⑤，且

图2中，最近2次负载转矩给定值的变化量与负载转矩观测值的变化量之和

ΔT_L ^*为最近2次负载转矩给定值之间的差值，

为最近2次负载转矩观测值之间的差值。当ΔT大于ε₂时，表明负载转矩观测值波动大，或者是因系统模型参数变化、转子角速度给定值变化、转子角速度实际值变化，使负载转矩给定值变化大并将引起负载转矩观测值有较大波动，反馈增益g选择等于g_min进行负载转矩的快速辨识与观测；当ΔT小于ε₁时，表明负载转矩给定值变化小且状态负载转矩观测值波动小，反馈增益g选择等于g_max进行以稳定为主的负载转矩辨识与观测；当ΔT大于等于ε₁且小于等于ε₂时，反馈增益g按照式(23)进行计算，使反馈增益g在此区间内随着ΔT的增加而减小，避免因ΔT的较小变化而使反馈增益g产生剧烈变化带来的对转矩观测器工作稳定性的不利影响。图2中，ε₁、ε₂的具体取值与滑模速度控制器的采样控制周期(周期时间)、永磁同步电机及其负载情况相关，ε₂一般在小于额定转矩5％的范围内取值，例如，额定转矩为22N·m，取ε₁＝0.1N·m，ε₂＝0.6N·m。反馈增益g的取值满足g_min＜g_max＜0，一般情况下，g_min≥-5000。g_min取值应在负载转矩突变时，负载转矩观测器的转矩观测跟踪超调量处于转矩观测跟踪超调限值之内；g_max取值应在负载转矩不变，负载转矩观测器和滑模速度控制器均处于稳态时，最近2次负载转矩给定值的变化量与负载转矩观测值的变化量之和ΔT小于ε₁；例如，选择反馈增益g_max＝-0.5，g_min＝-10。选取g_min、g_max、ε₁、ε₂值的具体方法是：

步骤⑴，负载转矩观测器和滑模速度控制器均处于稳态且保持给定转子角速度不变和负载转矩不变；

步骤⑵，令反馈增益g从一个较大值开始逐渐减小，例如，令反馈增益g从-0.01开始逐渐减小，当负载转矩观测的稳态误差达到负载转矩观测稳态误差限值时，确定此时的反馈增益g值为g_max；

步骤⑶，保持给定转子角速度不变和负载转矩不变且令反馈增益g等于g_max，连续进行n次ΔT值的测量，并将此时n次测量中最大m个ΔT值之和的平均值作为转矩变化低限比较阈值ε₁；

步骤⑷，微调改变反馈增益g，负载转矩观测器和滑模速度控制器均处于稳态时，保持给定转子角速度不变和令负载转矩突变，在保证负载转矩观测器输出观测值的转矩观测跟踪超调量处于转矩观测跟踪超调限值之内的前提下，测量负载转矩观测器的跟踪调节时间；

步骤⑸，重复步骤⑷，选择跟踪调节时间最短的反馈增益g值为g_min值；通常情况下，转矩观测跟踪超调量接近转矩观测跟踪超调限值时，负载转矩观测器的跟踪调节时间较短；

步骤⑹，再次保持给定转子角速度不变和负载转矩不变且令反馈增益g等于g_min，连续进行n次ΔT值的测量，并将此时n次测量中最大m个ΔT值之和的平均值作为转矩变化高限比较阈值ε₂。

观测得到负载转矩观测值

后，将负载转矩的观测值

转换成转矩电流补偿分量i″_q前馈补偿至q轴电流PI控制器的输入，对滑模速度控制器输出的转矩电流给定分量i′_q进行补偿。q轴电流PI控制器的q轴转矩电流给定值i^* _q为：

式(24)中，k_q＝1/(1.5pψ_f)为转矩观测补偿系数。比较式(11)与式(24)可得，当负载发生扰动或者是系统参数发生变化时，式(11)中没有加入负载转矩补偿，需要选取较大的k₁、k₂值来提供足够大的给定电流变化量来抵消负载发生扰动或者是系统参数发生变化的相关影响，以保证电机转速能够快速恒定；而式(24)将负载转矩观测值前馈补偿至电流调节器中，在不需要较大k₁、k₂值的情况下就能在负载发生扰动或者是系统参数发生变化时，提供足够大的给定电流变化量来抵消负载发生扰动或者是系统参数发生变化的相关影响，减少滑模速度控制器的输出压力及不连续项的幅值，有效地削弱了系统的抖振。

固定反馈增益值时，反馈增益g越小，负载转矩观测的振荡幅值越大，波动性越强；反馈增益g越大，负载转矩观测的振荡幅值越小，观测精度越高。自动调整增益算法解决了负载转矩观测器中小反馈增益导致转矩观测波动大的问题，大反馈增益收敛时间长的问题，收敛时间和波动幅度指标都优于折中增益算法，能快速跟踪负载转矩变化值以及快速降低给定变化或者参数变化所带来的观测误差，且振荡幅值小，观测精度高，达到了较好的观测效果。

在额定负载转矩下改变给定转速时，尽管实际的负载转矩没有改变，但从式(15)、(16)或者式(18)、(19)所构造的负载转矩观测器可知，当转子角速度ω发生改变时，即使负载转矩没有改变，观测到的转矩观测值也会发生变化，造成观测误差。在额定负载转矩下改变给定转速时，永磁同步电机滑模控制系统的控制调节过程是，首先由滑模速度控制器依据给定速度变化，使输出的负载转矩给定值T_L ^*改变，使转矩电流给定值i^* _q发生改变，进而使永磁同步电机的电磁转矩T_e发生改变，带动电机使转子角速度ω发生改变；反馈增益g如果只依据负载转矩观测值的变化量

进行自动调整，则此时只有当转子角速度ω发生改变，使负载转矩观测值

发生了改变后，才对反馈增益g进行调整；反馈增益g依据负载转矩给定值的变化量ΔT_L ^*和负载转矩观测值的变化量

的绝对值之和进行自动调整，当给定转速改变使负载转矩给定值T_L ^*改变，负载转矩观测值

还没有发生变化时，就提前调整反馈增益g，当负载转矩观测值

真正产生观测误差时，能够加快观测器响应速度，尽快消除(减小)负载转矩观测值

的观测误差，进而改善电机速度控制的快速性与精确性。同样地，当系统模型参数发生变化使负载转矩给定值T_L ^*先于负载转矩观测值

发生改变时，反馈增益g同时依据负载转矩给定值的变化量ΔT_L ^*和负载转矩观测值的变化量

进行自动调整，能够提前调整反馈增益g，加快观测器响应速度，尽快消除(减小)负载转矩观测值

的观测误差，并进一步改善电机速度控制的快速性与精确性。当然，如果负载发生扰动导致观测值

发生改变时，

发生较大变化时，从图2可知，反馈增益g也能够进行自动调整，以尽快消除(减小)负载转矩观测值

的观测误差，使负载转矩观测值

尽快跟上负载转矩T_L的变化。

在永磁同步电机速度控制系统实施例1的周期性控制过程中，将当次k时刻(或者是第k步)计算得到的负载转矩给定值T_L ^*记为T_L ^*(k)，负载转矩观测值

记为

k-1时刻为k时刻的前一次周期性控制过程时刻，负载转矩给定值T_L ^*记为T_L ^*(k-1)，负载转矩观测值

记为

k-2时刻为k-1时刻的前一次周期性控制过程时刻，负载转矩给定值T_L ^*记为T_L ^*(k-2)，负载转矩观测值

记为

图2中的(b)先进行负载转矩观测和速度控制，后进行反馈增益自动调整，此时电机速度的周期性控制过程如下：

步骤一、检测永磁同步电机的转子位置θ、转子角速度ω和三相电流i_a、i_b和i_c；

步骤二、依据三相电流i_a、i_b和i_c对永磁同步电机进行Clark变换得到在α-β轴坐标系下的电流i_α、i_β，依据电流i_α、i_β和转子位置θ进行Park变换，得到在d-q轴坐标系下的电流i_d、i_q；

步骤三、负载转矩观测器依据转子角速度ω和电流i_q对负载转矩进行观测，得到负载转矩观测值

和转矩电流补偿分量i″_q；

步骤四、滑模速度控制器依据输入的转子给定角速度ω^*和转子角速度ω进行控制计算，得到负载转矩给定值

和转矩电流给定分量i′_q；

步骤五、负载转矩观测器的反馈增益g依据负载转矩给定值T_L ^*和负载转矩观测值

的变化进行调整；

步骤六、依据转矩电流给定分量i′_q和转矩电流补偿分量i″_q计算得到q轴转矩电流给定值i_q ^*；d轴电流控制器依据d轴转矩电流给定值i_d ^*与d轴坐标系下的电流i_d之间的差值进行PI控制运算，得到d轴坐标系下的控制电压U_d；q轴电流控制器依据q轴转矩电流给定值i_q ^*与q轴坐标系下的电流i_q之间的差值进行PI控制运算，得到q轴坐标系下的控制电压U_q；依据d-q轴坐标系下的控制电压U_d、U_q进行Park逆变换，得到α-β轴坐标系下的控制电压U_α、U_β；d轴转矩电流给定值i_d ^*等于0；

步骤七、将α-β轴坐标系下的控制电压U_α、U_β作为SVPWM模块的输入，由SVPWM模块控制三相逆变器产生三相交流电源U_a、U_b、U_c，从而驱动永磁同步电机运转。

图2中的(a)先进行反馈增益自动调整，后进行负载转矩观测和速度控制，上述步骤中，应该将步骤五与步骤三、四的先后顺序互换，即先进行步骤五，后进行步骤三、四。

图3为实现基于负载转矩观测器的永磁同步电机滑模控制方法的永磁同步电机速度控制系统实施例2的框图。图3实施例2与图1实施例1的区别在于，滑模速度控制器采用积分滑模控制方式，负载转矩观测器的观测值

被送至滑模速度控制器，滑模速度控制器输出的q轴给定电流(转矩电流给定分量)中中已经包括有负载转矩观测值

的计算项(即补偿分量)，因此，实施例2中滑模速度控制器输出的q轴给定电流(转矩电流给定分量)直接作为q轴转矩电流给定值，同样能够起到负载转矩补偿的作用；滑模速度控制器输出的负载转矩给定值T_L ^Δ中同样已经包括有负载转矩观测值

的计算项，负载转矩观测器直接根据负载转矩给定值T_L ^Δ的变化量进行反馈增益自动调整，其作用与前述反馈增益自动调整方法实施例1依据最近2次负载转矩给定值的变化量与负载转矩观测值的变化量之和ΔT进行反馈增益自动调整相同；

定义永磁同步电机速度控制系统实施例2的状态变量为：

选择滑模面函数为：

s_y＝c_yy₁+y₂ (26)

式(26)中，c_y为滑模面参数，且c_y＞0。式(26)中c_y为转子角速度误差积分项的系数，其大小对控制作用的影响主要类似于PID控制中的比例系数，c_y的取值同时还兼顾平衡转子角速度误差积分项和转子角速度误差项，通常情况下，c_y在大于0且小于100的范围内选取。对式(26)求导可得：

在传统指数趋近律的基础上，采用新的趋近律为：

μ₁、μ₂、μ₃、μ₄为速度滑模控制的指数趋近率系数，其中，μ₁＞0，μ₂＞0，0＜μ₃＜1，μ₄＞0。当|s_y|较大时，

变速趋近项趋近速度较大，可加快滑模趋近运动速度；当|s_y|较小时，

变速趋近项趋近速度较小，可减弱抖振。μ₄取值可以参照永磁同步电机稳定运行时转子角速度的允许稳态误差，μ₄取值不大于该允许稳态误差的倒数值，进一步地，在该倒数值的50％至100％的范围内取值；例如，设允许的永磁同步电机转子角速度稳态误差是5rad/s(弧度/秒)，μ₄建议取值不大于0.2，进一步地，μ₄在0.1至0.2范围内取值。μ₃一般在0.5附近取值，进一步地，μ₃一般在0.4至0.6范围内取值。一般地，系数μ₁和系数μ₂的取值均小于5000。μ₁和μ₂分别为变速趋近项系数和指数趋近项系数，由于

的值在1附近变化，因此，式(28)中变速趋近项系数μ₁和指数趋近项系数μ₂可以按照调整传统指数趋近率中等速趋近项系数和指数趋近项系数的方法进行整定。μ₃是迁移系数，其大小改变变速临界点；μ₄为变速系数，其大小改变变速快慢。式(28)中的e是自然指数，即自然对数的底数。

结合式(2)、(3)、(27)，得：

结合式(28)、(29)，将计算得出的q轴给定电流直接作为q轴转矩电流给定值i^Δ _q，可得控制器输出的q轴转矩电流给定值i^Δ _q和负载转矩给定值T_L ^Δ为：

式(30)中，负载转矩值T_L使用负载转矩观测器的输出值

来代替。定义Lyapunov函数为：

由式(26)和式(28)可得：

式(32)中，μ₁＞0，μ₂＞0，

s_y·sgn(s_y)≥0，故

表明观测器的跟踪误差能在有限时间内收敛到零，系统能稳定运行。

设计滑模速度控制器时整定参数c_y、μ₁、μ₂、μ₃、μ₄的方法是，首先确定μ₃、μ₄的值；令式(30)中的负载转矩观测器的输出值

(即不进行负载转矩补偿控制)，然后在系统的滑动模态从小到大调整滑模面参数c_y、变速趋近项系数μ₁的值，直到系统出现明显抖振，在此基础上兼顾抑制抖振和系统状态收敛速度，适当减小滑模面参数c_y和变速趋近项系数μ₁的值；最后，在兼顾抑制滑动模态抖振的情况下，主要依据系统到达段(例如，阶跃响应的电机启动阶段)的快速性来调整指数趋近项系数μ₂的值，并对滑模速度控制器的其他参数值进行适当微调。

图3永磁同步电机速度控制系统实施例2中的负载转矩观测器仍然采用前述的负载转矩观测器实施例1，或者是采用前述的负载转矩观测器实施例2；此时，负载转矩观测器根据滑模速度控制器输出的负载转矩给定值

的变化对反馈增益g进行调整，依据转子角速度ω和电流i_q对负载转矩T_L进行观测，得到负载转矩观测值

图4为反馈增益自动调整方法实施例2流程图，在负载转矩观测器实施例1，或者是负载转矩观测器实施例2用于图3永磁同步电机速度控制系统实施例2中时，进行反馈增益自动调整。图4中，ε₁为转矩变化低限比较阈值，ε₂为转矩变化高限比较阈值，且0＜ε₁＜ε₂；g_max为反馈增益高值，g_min为反馈增益低值，且g_min＜g_max＜0；ΔT_L ^Δ为最近2次负载转矩给定值之间的差值。在一次电机速度的周期性控制过程中，图4中的(a)所示反馈增益g的调整先于负载转矩观测和滑模速度控制器的输出计算，具体方法是：

步骤㈠、计算

步骤㈡、判断

是否大于ε₂；当

大于ε₂时，取反馈增益g等于g_min并进入步骤㈤；当ΔT小于等于ε₂时，进入步骤㈢；

步骤㈢、判断

是否小于ε₁；当

小于ε₁时，取反馈增益g等于g_max并进入步骤㈤；当

大于等于ε₁时，进入步骤㈣；

步骤㈣、反馈增益g按照

进行计算后进入步骤㈤；

步骤㈤、负载转矩观测器对负载转矩T_L进行观测，得到负载转矩观测值

滑模速度控制器进行控制运算得到

此时的

为

在下一次电机速度的周期性控制过程中变为

在一次电机速度的周期性控制过程中，图4中的(b)所示反馈增益g的调整晚于负载转矩观测和滑模速度控制器的输出计算，具体方法是：

步骤A、负载转矩观测器对负载转矩T_L进行观测，得到负载转矩观测值

滑模速度控制器进行控制运算得到

此时的

为

在下一次电机速度的周期性控制过程中变为

步骤B、计算

步骤C、判断

是否大于ε₂；当

大于ε₂时，取反馈增益g等于g_min并退出；当ΔT小于等于ε₂时，进入步骤D；

步骤D、判断

是否小于ε₁；当

小于ε₁时，取反馈增益g等于g_max并退出；当

大于等于ε₁时，进入步骤E；

步骤E、反馈增益g按照式(33)进行计算后退出。

T_L ^Δ的输出项中，既包括因系统参数变化，或者是转子角速度给定值变化，或者是转子角速度实际值变化而处于变化状态的给定分项

也包括补偿分项负载转矩观测值

当|ΔT_L ^Δ|大于ε₂时，表明负载转矩观测值波动大，或者是因系统模型参数变化、转子角速度给定值变化、转子角速度实际值变化，使T_L ^Δ中的给定分项变化大并将引起负载转矩观测值有较大波动，反馈增益g选择等于g_min进行负载转矩的快速辨识与观测；当|ΔT_L ^Δ|小于ε₁时，表明负载转矩观测值波动小且将引起负载转矩观测值有较大波动的因素(即T_L ^Δ中的给定分项)变化小，反馈增益g选择等于g_max进行以稳定为主的负载转矩辨识与观测；当|ΔT_L ^Δ|大于等于ε₁且小于等于ε₂时，反馈增益g按照式(33)进行计算，使反馈增益g在此区间内随着|ΔT_L ^Δ|的增加而减小，避免因|ΔT_L ^Δ|的较小变化而使反馈增益g产生剧烈变化带来的对转矩观测器工作稳定性的不利影响。图4中，ε₁、ε₂的具体取值与滑模速度控制器的采样控制周期(周期时间)、永磁同步电机及其负载情况相关，ε₂一般在小于额定转矩5％的范围内取值，例如，额定转矩为22N·m，取ε₁＝0.1N·m，ε₂＝0.6N·m。反馈增益g的取值满足g_min＜g_max＜0，一般情况下，g_min≥-5000。g_min取值应在负载转矩突变时，负载转矩观测器输出观测值的转矩观测跟踪超调量处于转矩观测跟踪超调限值之内；g_max取值应在负载转矩不变，负载转矩观测器和滑模速度控制器均处于稳态时，最近2次负载转矩给定值之间的差值|ΔT_L ^Δ|小于ε₁；例如，选择反馈增益g_max＝-0.5，g_min＝-10。

选取g_min、g_max、ε₁、ε₂值的具体方法是：

步骤1)，负载转矩观测器和滑模速度控制器均处于稳态且保持给定转子角速度不变和负载转矩不变；

步骤2)，令反馈增益g从一个较大值开始逐渐减小，例如，令反馈增益g从-0.01开始逐渐减小，当负载转矩观测的稳态误差达到负载转矩观测稳态误差限值时，确定此时的反馈增益g值为g_max；

步骤3)，保持给定转子角速度不变和负载转矩不变且令反馈增益g等于g_max，连续进行n次

值的测量，并将n次

测量中最大m个

测量值的平均值作为转矩变化比较阈值ε；

步骤4)，微调改变反馈增益g，负载转矩观测器和滑模速度控制器均处于稳态时，保持给定转子角速度不变和令负载转矩突变，在保证负载转矩观测器输出观测值的转矩观测跟踪超调量处于转矩观测跟踪超调限值之内的前提下，测量负载转矩观测器的跟踪调节时间；

步骤5)，重复步骤4)，选择跟踪调节时间最短的反馈增益g值为g_min值；通常情况下，转矩观测跟踪超调量接近转矩观测跟踪超调限值时，负载转矩观测器的跟踪调节时间较短；

步骤6)，再次保持给定转子角速度不变和负载转矩不变且令反馈增益g等于g_min，连续进行n次

值的测量，并将此时n次测量中最大m个

值之和的平均值作为转矩变化高限比较阈值ε₂。

在以上各选取g_min、g_max值和比较阈值ε₁、ε₂的具体方法中，均在滑模速度控制器中的参数已经完成整定，且在进行负载转矩补偿控制的情况下实现；建议n为大于等于20的整数，m为大于等于5且小于等于0.5n的整数。

式(30)滑模速度控制器的输出项中包括补偿分项负载转矩观测值

相当于式(24)中将负载转矩观测值前馈至电流调节器的给定值中，在不需要滑模速度控制器输出的给定电流部分产生较大调整的情况下，就能抵消负载发生扰动或者是系统参数发生变化所造成的相关影响，有效地削弱了系统的抖振。反馈增益g依据负载转矩给定值的变化量ΔT_L ^Δ进行自动调整的算法，避免了负载转矩观测器选择固定小反馈增益导致转矩观测波动大，选择固定大反馈增益导致收敛时间长的问题，能在系统的控制参数、模型参数等发生变化或者是负载发生扰动，导致负载转矩给定值中的给定分项部分发生变化或/和负载转矩观测值部分发生变化时，快速降低负载转矩的观测误差，改善了观测效果和电机速度控制的快速性与精确性。反馈增益g在负载转矩给定值变化时即进行自动调整，能够在负载转矩观测值还没有发生较大变化，但因转子角速度给定值改变或/和转子角速度实际值改变使负载转矩给定值中的给定分项部分改变，或者是因系统模型参数发生变化使负载转矩给定值中的给定分项部分发生改变，将引起负载转矩观测值有较大波动时，提前调整反馈增益g，当负载转矩观测值真正产生观测误差时，加快观测器的响应速度，快速降低负载转矩观测值的观测误差，并进一步改善电机速度控制的快速性与精确性。

滑模速度控制器采用积分滑模控制方式的永磁同步电机速度控制系统实施例2，其反馈增益依据负载转矩给定值T_L ^Δ的变化量进行自动调整的算法，作用与永磁同步电机速度控制系统实施例1中，反馈增益依据最近2次负载转矩给定值的变化量与负载转矩观测值的变化量之和

进行自动调整的算法相同，避免了负载转矩观测器选择固定小反馈增益导致转矩观测波动大，选择固定大反馈增益导致收敛时间长的问题，能在系统的控制参数、模型参数等发生变化或者是负载发生扰动，导致负载转矩给定值T_L ^Δ发生变化(包括给定分项发生变化或/和补偿分项发生变化)时，快速降低负载转矩的观测误差，改善了观测效果和电机速度控制的快速性与精确性。反馈增益g依据负载转矩给定值变化T_L ^Δ进行自动调整，能够在负载转矩观测值

还没有发生较大变化，但因转子角速度给定值变化或/和转子角速度实际值变化使负载转矩给定值的给定分项发生变化，或者是系统模型参数发生变化使负载转矩给定值的给定分项发生变化，将引起负载转矩观测值有较大波动时，提前调整反馈增益g，当负载转矩观测值

真正产生观测误差时，加快观测器的响应速度，快速降低负载转矩观测值

的观测误差，并进一步改善电机速度控制的快速性与精确性。

在永磁同步电机速度控制系统实施例2的周期性控制过程中，将当次k时刻(或者是第k步)计算得到的负载转矩给定值

记为

负载转矩观测值

记为

k-1时刻为k时刻的前一次周期性控制过程时刻，负载转矩给定值

记为

负载转矩观测值

记为

k-2时刻为k-1时刻的前一次周期性控制过程时刻，负载转矩给定值

记为

负载转矩观测值

记为

按照图4中的(a)进行反馈增益g调整时，控制过程包括以下步骤：

步骤一、检测永磁同步电机的转子位置θ、转子角速度ω和三相电流i_a、i_b和i_c；

步骤二、依据三相电流i_a、i_b和i_c对永磁同步电机进行Clark变换得到在α-β轴坐标系下的电流i_α、i_β，依据电流i_α、i_β和转子位置θ进行Park变换，得到在d-q轴坐标系下的电流i_d、i_q；

步骤三、负载转矩观测器的反馈增益g依据负载转矩给定值

的变化进行调整；

步骤四、负载转矩观测器依据转子角速度ω和电流i_q对负载转矩进行观测，得到负载转矩观测值

步骤五、滑模速度控制器依据输入的转子给定角速度ω^*、转子角速度ω和负载转矩观测值

进行控制计算，得到负载转矩给定值

和q轴转矩电流给定值

步骤六、d轴电流控制器依据d轴转矩电流给定值i_d ^*与d轴坐标系下的电流i_d之间的差值进行PI控制运算，得到d轴坐标系下的控制电压U_d；q轴电流控制器依据q轴转矩电流给定值

与q轴坐标系下的电流i_q之间的差值进行PI控制运算，得到q轴坐标系下的控制电压U_q；依据d-q轴坐标系下的控制电压U_d、U_q进行Park逆变换，得到α-β轴坐标系下的控制电压U_α、U_β；

步骤七、将α-β轴坐标系下的控制电压U_α、U_β作为SVPWM模块的输入，由SVPWM模块控制三相逆变器产生三相交流电源U_a、U_b、U_c，从而驱动永磁同步电机运转。

按照图4中的(b)进行反馈增益g调整时，上述控制过程的步骤中，步骤四、五的内容先进行，步骤三的内容后进行。

在以上的各实施例中，转矩观测跟踪超调限值通常为电机额定转矩的1％～10％，具体来说，转矩观测跟踪超调限值是额定转矩的2％，或者是额定转矩的5％，或者是额定转矩的10％，等等。负载转矩从一个定值突变至另外一个定值，突变开始时刻至负载转矩观测器输出观测值稳定地进入负载转矩观测稳态误差限值范围时刻为转矩观测过渡过程，跟踪调节时间指的是该过渡过程时间；负载转矩观测稳态误差指的是负载转矩不变且负载转矩观测器处于稳态时观测转矩瞬时值与负载转矩之间的误差，该误差包括滑模观测器自身抖振引起的观测误差和负载波动之外干扰原因所造成的观测误差，或者是状态观测器因为转子角速度抖振引起的观测误差和负载波动之外干扰原因所造成的观测误差；负载转矩观测稳态误差限值是负载转矩观测器允许的负载转矩观测稳态误差最大绝对值；负载转矩观测稳态误差限值通常为电机额定转矩的1％～5％，具体来说，负载转矩观测稳态误差限值是额定转矩的1％，或者是额定转矩的2％，或者是额定转矩的5％，等等。转矩观测跟踪超调量指的是负载转矩从一个定值突变至另外一个定值，负载转矩观测器输出的观测值超过突变后负载转矩的最大偏差值。当负载转矩观测的稳态误差在负载转矩观测稳态误差限值的临近范围之内，例如，95％～105％范围内，或者是98％～102％范围内时，认为负载转矩观测的稳态误差增大到负载转矩观测稳态误差限值。滑模速度控制器处于稳态指的是滑模速度控制器稳定地处于滑动模态；转子角速度稳态误差指的是稳态时电机转子角速度瞬时值与稳态值之间的差值，转子角速度稳态误差限值为系统允许的转子角速度稳态误差最大绝对值。负载转矩观测器中，实施例1的滑模观测器处于稳态指的是滑模观测器稳定地处于滑动模态；实施例2的状态观测器处于稳态指的是状态观测器处于转矩观测过渡过程之后的工作状态。转子角速度稳态误差指的是稳态时电机转子角速度瞬时值与稳态值之间的差值，转子角速度稳态误差限值为系统允许的转子角速度稳态误差最大绝对值。

本发明的永磁同步电机速度控制系统及永磁同步电机驱动控制方法，除用于矿用牵引电机的控制之外，还可以用于其他永磁同步电机应用场合。

除说明书所述的技术特征外，本发明所涉及的其他技术均为本领域技术人员所掌握的常规技术。例如，q轴电流控制器、d轴电流控制器采用PI控制器进行控制及控制器参数的选择，滑模速度控制器控制参数的选择，位置与速度检测模块使用旋转变压器或光电编码器等进行永磁同步电机转子旋转角度与旋转速度检测，以及对于Clarke变换模块、Park变换模块、Park逆变换模块和SVPWM模块、三相逆变器的变换方法及应用方法，等等，均为本领域技术人员所掌握的常规技术。

Claims (6)

1.一种矿用牵引永磁同步电机驱动控制方法，永磁同步电机速度由滑模速度控制器控制，负载转矩观测器对负载转矩进行观测，负载转矩观测器的输出用于对滑模速度控制器的输出进行负载转矩补偿；其特征在于，负载转矩观测器根据负载转矩给定值和负载转矩观测值的变化对反馈增益进行调整，依据转子角速度ω和电流i_q对负载转矩进行观测，得到负载转矩观测值；q轴转矩电流给定值为转矩电流给定分量与转矩电流补偿分量之和；

滑模速度控制器的状态变量为

其中，ω是转子角速度，ω^*是给定转子角速度；滑模速度控制器的滑模面为s＝cx₁+x₂，c为滑模面参数，且c＞0；滑模速度控制器输出的负载转矩给定值

和转矩电流给定分量i′_q为

其中，J是转动惯量，p是电机极对数，ψ_f是永磁体磁链；系数k₁、k₂、k₃、k₄为速度滑模控制的指数趋近率系数，且k₁＞0，k₂＞0，1＜k₃＜2，k₄＞0；

负载转矩观测器为

其中，

是转子角速度估计值，g是负载转矩观测器的反馈增益且g＜0；

k_g是负载转矩观测器的滑模增益且k_g≤-|e₂/J|，

为负载转矩观测误差，

为负载转矩观测值，T_L为负载转矩；

负载转矩观测器根据负载转矩给定值和负载转矩观测值的变化对反馈增益进行调整的方法是：

步骤1、计算

计算

步骤2、判断ΔT是否大于ε₂；当ΔT大于ε₂时，取反馈增益g等于g_min并进入步骤5；当ΔT小于等于ε₂时，进入步骤3；

步骤3、判断ΔT是否小于ε₁；当ΔT小于ε₁时，取反馈增益g等于g_max并进入步骤5；当ΔT大于等于ε₁时，进入步骤4；

步骤4、反馈增益g按照

进行计算；

步骤5、负载转矩观测器对负载转矩进行T_L观测，得到负载转矩观测值

滑模速度控制器进行控制运算得到负载转矩给定值

其中，ε₁为转矩变化低限比较阈值，ε₂为转矩变化高限比较阈值，且0＜ε₁＜ε₂；g_max为反馈增益高值，g_min为反馈增益低值，且g_min＜g_max＜0。

2.如权利要求1所述的矿用牵引永磁同步电机驱动控制方法，其特征在于，转矩电流补偿分量i″_q为

q轴转矩电流给定值

为

3.如权利要求2所述的矿用牵引永磁同步电机驱动控制方法，其特征在于，选取g_min、g_max、ε₁、ε₂值的方法是：

步骤⑴，负载转矩观测器和滑模速度控制器均处于稳态且保持给定转子角速度不变和负载转矩不变；

步骤⑵，令反馈增益g从一个较大值开始逐渐减小，当负载转矩观测的稳态误差达到负载转矩观测稳态误差限值时，确定此时的反馈增益g值为g_max；

步骤⑶，保持给定转子角速度不变和负载转矩不变且令反馈增益g等于g_max，连续进行n次ΔT值的测量，并将此时n次测量中最大m个ΔT值之和的平均值作为转矩变化低限比较阈值ε₁；

步骤⑷，微调改变反馈增益g，负载转矩观测器和滑模速度控制器均处于稳态时，保持给定转子角速度不变和令负载转矩突变，在保证负载转矩观测器输出观测值的转矩观测跟踪超调量处于转矩观测跟踪超调限值之内的前提下，测量负载转矩观测器的跟踪调节时间；

步骤⑸，重复步骤⑷，选择跟踪调节时间最短的反馈增益g值为g_min值；

步骤⑹，再次保持给定转子角速度不变和负载转矩不变且令反馈增益g等于g_min，连续进行n次ΔT值的测量，并将此时n次测量中最大m个ΔT值之和的平均值作为转矩变化高限比较阈值ε₂。

4.如权利要求1所述的矿用牵引永磁同步电机驱动控制方法，其特征在于，滑模增益k_g按照

进行选择；其中，α≥1。

5.如权利要求4所述的矿用牵引永磁同步电机驱动控制方法，其特征在于，1≤α≤5。

6.如权利要求1所述的矿用牵引永磁同步电机驱动控制方法，其特征在于，检测永磁同步电机的转子位置θ、和三相电流i_a、i_b和i_c；依据三相电流i_a、i_b和i_c对永磁同步电机进行Clark变换得到在α-β轴坐标系下的电流i_α、电流i_β，依据电流i_α、电流i_β和转子位置θ进行Park变换，得到在d-q轴坐标系下的电流i_d、电流i_q。

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