CN115664295A - 一种大功率异步牵引电机的定速控制方法及系统 - Google Patents

一种大功率异步牵引电机的定速控制方法及系统 Download PDF

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CN115664295A CN202211681108.2A CN202211681108A CN115664295A CN 115664295 A CN115664295 A CN 115664295A CN 202211681108 A CN202211681108 A CN 202211681108A CN 115664295 A CN115664295 A CN 115664295A
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Abstract

本发明提供了一种大功率异步牵引电机的定速控制方法及系统，涉及异步电机控制技术领域。包括将机车预设速度值与速度传感器实时采集的当前实际速度值进行比较，生成速度误差；自适应滑模控制器模块获取速度误差，输出给定力矩；直接转矩控制单元获取给定力矩，输出脉冲宽度调制脉冲控制逆变器，驱动异步牵引电机按给定力矩运行运行，完成大功率异步牵引电机高响应高精度的定速控制。本发明设计了一个基于自适应滑模控制的大功率异步牵引电机定速控制系统，该系统运用一种自适应滑模的控制方法，解决了传统大功率异步牵引电机定速控制方法存在精度不高的问题，同时通过改进滑模控制趋近律从而提高了定速控制的控制速度。

Description

一种大功率异步牵引电机的定速控制方法及系统
技术领域
本发明涉及异步电机控制技术领域，特别是指一种大功率异步牵引电机的定速控制方法及系统。
背景技术
大功率工业异步电机都是具有长期连续工作的特点。在工业生产中，不仅仅要求对其有良好的控制能力，又由于其工作环境的不同，因此必须要求异步电机控制系统有良好的抗干扰能力。而在工业运输应用中，大功率异步电机经常需要定速运行；所以在工业运输传动控制系统中，定速控制是一项重要的功能，当人为设定好期望速度时，机车能储存此时的车速，并通过调节机车异步牵引电机的给定牵引控制力矩使机车自动跟踪设定速度。传统的定速控制一般采用PID控制算法等来实现。但是在用传统的方法控制大功率异步牵引电机时，不能够满足大功率异步牵引电机定速控制精度和稳定性不高的问题；同时在处理由于实际工作需求可能存在的左右轮驱动电机参数不完全相同的情况时，并不能有良好的适应性。
发明内容
针对现有技术中，控制大功率异步牵引电机时，不能够满足大功率异步牵引电机定速控制精度和稳定性不高和在处理由于实际工作需求可能存在的左右轮驱动电机参数不完全相同的情况时并不能有良好的适应性的问题，本发明提出了一种大功率异步牵引电机高响应高精度的定速控制方法及系统。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一方面，提供了一种大功率异步牵引电机的定速控制方法，该方法应用于电子设备，包括以下步骤：
S1：将机车预设速度值与速度传感器实时采集的当前实际速度值进行比较，生成速度误差；
S2：获取所述速度误差，将所述速度误差输入自适应滑模控制器模块，输出给定力矩；
S3：获取所述给定力矩，将所述给定力矩输入直接转矩控制单元，输出脉冲宽度调制脉冲，控制逆变器，驱动异步牵引电机按给定力矩运行，完成大功率异步牵引电机的定速控制。
可选地，步骤S1中，还包括：
基于机车的动力学模型建立数学模型，建立模型过程包括：
根据牛顿定律，左右轮的异步牵引电机力矩平衡方程如下述公式（1）所示：
Figure 454007DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 585911DEST_PATH_IMAGE002
为左电机的电磁转矩，
Figure 127882DEST_PATH_IMAGE003
为右电机的电磁转矩，
Figure 3434DEST_PATH_IMAGE004
为左电机的负载转矩，
Figure 766991DEST_PATH_IMAGE005
为右电机的负载转矩，
Figure 319064DEST_PATH_IMAGE006
为左电机的机械角速度，
Figure 800861DEST_PATH_IMAGE007
为右电机的机械角速度，
Figure 214525DEST_PATH_IMAGE008
为转动惯量；
根据公式（1）进一步得到下述公式（2）：
Figure 301429DEST_PATH_IMAGE009
其中，
Figure 775136DEST_PATH_IMAGE010
为车辆对左车轮的作用力，
Figure 494962DEST_PATH_IMAGE011
为车辆对右车轮的作用力；
Figure 712316DEST_PATH_IMAGE012
为左车轮摩擦力，
Figure 716044DEST_PATH_IMAGE013
为右车轮摩擦力；
Figure 95073DEST_PATH_IMAGE014
为左车轮转速，
Figure 800730DEST_PATH_IMAGE015
为右车轮转速；
Figure 556196DEST_PATH_IMAGE016
为驱动轮的质量，
Figure 414431DEST_PATH_IMAGE017
为驱动轮的半径；
Figure 964361DEST_PATH_IMAGE018
；
当机车正常运行，则机车的左右轮转速应相同，根据公式（2）可知机车左右轮转速相同也可为转换为左右轮牵引电机的机械角转速相同，则有下述公式（3）：
Figure 924358DEST_PATH_IMAGE019
。
可选地，步骤S1中，将机车预设速度值与速度传感器实时采集的当前实际速度值进行比较，生成速度误差，包括：
速度误差可以被表示为：
Figure 483515DEST_PATH_IMAGE020
其中，
Figure 196256DEST_PATH_IMAGE021
为速度误差，
Figure 182667DEST_PATH_IMAGE022
为机车预设速度值，
Figure 597336DEST_PATH_IMAGE023
为速度传感器实时采集的当前实际速度值。
可选地，步骤S2中，获取所述速度误差，将所述速度误差输入自适应滑模控制器模块，输出给定力矩，包括：
设状态变量
Figure 897868DEST_PATH_IMAGE024
和
Figure 730694DEST_PATH_IMAGE025
如下述公式（4）所示：
Figure 684744DEST_PATH_IMAGE026
选取一个一阶滑模面为下述公式（5）：
Figure 540705DEST_PATH_IMAGE027
其中：
Figure 192397DEST_PATH_IMAGE028
为滑模面，
Figure 879730DEST_PATH_IMAGE029
为滑模系数；
将滑模控制引入大功率异步牵引电机定速控制中，采用指数趋近律这一种典型的趋近律对状态变量的轨迹进行控制，其表达式为下述公式（6）：
Figure 473523DEST_PATH_IMAGE030
其中：
Figure 613517DEST_PATH_IMAGE031
为开关增益且
Figure 53855DEST_PATH_IMAGE032
，
Figure 861274DEST_PATH_IMAGE033
为指数系数且
Figure 360388DEST_PATH_IMAGE034
；则
Figure 987679DEST_PATH_IMAGE035
的值为：
Figure 981174DEST_PATH_IMAGE036
根据上述公式（7）求解
Figure 580782DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 250798DEST_PATH_IMAGE003
，所求得的
Figure 365385DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 411838DEST_PATH_IMAGE003
即为输出的给定力矩：
Figure 911958DEST_PATH_IMAGE037
。
可选地，步骤S2还包括：
Figure 18455DEST_PATH_IMAGE038
和
Figure 620337DEST_PATH_IMAGE039
的取值会直接影响动态性能，对于滑模趋近律，当
Figure 204902DEST_PATH_IMAGE040
时，时间从
Figure 326573DEST_PATH_IMAGE041
到
Figure 338392DEST_PATH_IMAGE042
,到达时间
Figure 427570DEST_PATH_IMAGE042
则表示为：
Figure 550247DEST_PATH_IMAGE043
。
可选地，步骤S2中还包括：
设计自适应滑模控制算法，根据下述公式（10）对指数趋近律进行改进：
Figure 24960DEST_PATH_IMAGE044
其中：
Figure 473259DEST_PATH_IMAGE045
是反双曲正弦函数；
Figure 784154DEST_PATH_IMAGE046
是自适应滑模控制的状态变量且
Figure 913784DEST_PATH_IMAGE047
；选择光滑连续的
Figure 259315DEST_PATH_IMAGE048
函数来代替符号函数
Figure 363668DEST_PATH_IMAGE049
，并将
Figure 161860DEST_PATH_IMAGE048
函数定义为：
Figure 891919DEST_PATH_IMAGE050
其中，
Figure 91956DEST_PATH_IMAGE051
是一个正常数；
根据上述公式（10）更新
Figure 865746DEST_PATH_IMAGE052
的值，即为：
Figure 416813DEST_PATH_IMAGE053
求解更新后的
Figure 684983DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 739527DEST_PATH_IMAGE003
，更新后的
Figure 451262DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 224046DEST_PATH_IMAGE003
即为输出的给定力矩的更新值：
Figure 30328DEST_PATH_IMAGE054
。
可选地，步骤S3中，获取所述给定力矩，将所述给定力矩输入直接转矩控制单元，输出脉冲宽度调制脉冲，控制逆变器，驱动异步牵引电机按给定力矩运行，完成大功率异步牵引电机的定速控制，包括：
根据从自适应滑模控制模块输出的
Figure 408220DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 274544DEST_PATH_IMAGE003
，直接转矩控制单元输出脉冲宽度调制脉冲控制逆变器，驱动异步牵引电机按给定力矩运行，完成大功率异步牵引电机高响应高精度的定速控制。
一方面，提供了一种大功率异步牵引电机的定速控制系统，该系统应用于电子设备，该系统包括：
数据采集模块，用于将机车预设速度值与速度传感器实时采集的当前实际速度值进行比较，生成速度误差；
自适应滑模控制器模块，用于获取所述速度误差，将所述速度误差输入自适应滑模控制器模块，输出给定力矩；
直接转矩控制单元，用于获取所述给定力矩，将所述给定力矩输入直接转矩控制单元，输出脉冲宽度调制脉冲，控制逆变器，驱动异步牵引电机按给定力矩运行，完成大功率异步牵引电机的定速控制。
可选地，数据采集模块，还用于：
基于机车的动力学模型建立数学模型，建立模型过程包括：
根据牛顿定律，左右轮的异步牵引电机力矩平衡方程如下述公式（1）所示：
Figure 789751DEST_PATH_IMAGE055
其中，
Figure 399724DEST_PATH_IMAGE002
为左电机的电磁转矩，
Figure 428860DEST_PATH_IMAGE003
为右电机的电磁转矩，
Figure 997245DEST_PATH_IMAGE004
为左电机的负载转矩，
Figure 229774DEST_PATH_IMAGE005
为右电机的负载转矩，
Figure 643438DEST_PATH_IMAGE006
为左电机的机械角速度，
Figure 527080DEST_PATH_IMAGE007
为右电机的机械角速度，
Figure 204049DEST_PATH_IMAGE008
为转动惯量；
根据公式（1）进一步得到下述公式（2）：
Figure 173142DEST_PATH_IMAGE009
其中，
Figure 374185DEST_PATH_IMAGE010
为车辆对左车轮的作用力，
Figure 643493DEST_PATH_IMAGE011
为车辆对右车轮的作用力；
Figure 288101DEST_PATH_IMAGE012
为左车轮摩擦力，
Figure 744490DEST_PATH_IMAGE013
为右车轮摩擦力；
Figure 250689DEST_PATH_IMAGE014
为左车轮转速，
Figure 46606DEST_PATH_IMAGE015
为右车轮转速；
Figure 862116DEST_PATH_IMAGE016
为驱动轮的质量，
Figure 805801DEST_PATH_IMAGE017
为驱动轮的半径；
Figure 630537DEST_PATH_IMAGE018
；
当机车正常运行，则机车的左右轮转速应相同，根据公式（2）可知机车左右轮转速相同也可为转换为左右轮牵引电机的机械角转速相同，则有下述公式（3）：
Figure 326967DEST_PATH_IMAGE019
。
可选地，数据采集模块，还用于：
速度误差可以被表示为：
Figure 313377DEST_PATH_IMAGE020
其中，
Figure 744359DEST_PATH_IMAGE021
为速度误差，
Figure 841628DEST_PATH_IMAGE022
为机车预设速度值,
Figure 425187DEST_PATH_IMAGE023
为速度传感器实时采集的当前实际速度值。
一方面，提供了一种电子设备，所述电子设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由所述处理器加载并执行以实现上述一种大功率异步牵引电机高响应高精度的定速控制方法。
一方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并执行以实现上述一种大功率异步牵引电机高响应高精度的定速控制方法。
本发明实施例的上述技术方案至少具有如下有益效果：
上述方案中，以机车的大功率牵引电机为控制对象，针对其直线恒速运行时的状态和左右驱动轮两个牵引电机，并考虑到由于实际工作需求，可能存在左右轮驱动电机参数不完全相同的情况，基于动力学模型建立数学模型，并基于此数学模型，设计了一个基于自适应滑模控制的大功率异步牵引电机定速控制系统，该系统运用一种自适应滑模的控制方法，解决了传统大功率异步牵引电机定速控制方法存在精度不高的问题，同时通过改进滑模控制趋近律从而提高了定速控制的控制速度，并削弱了滑模控制抖振，使整个系统的运行效果更好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种大功率异步牵引电机的定速控制方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的一种大功率异步牵引电机的定速控制方法的算法图；
图3是本发明实施例提供的一种大功率异步牵引电机的定速控制方法的改进算法图；
图4是本发明实施例提供的一种基于自适应滑模控制控制的大功率异步牵引电机定速控制系统整体结构图；
图5是本发明实施例提供的一种大功率异步牵引电机的定速控制系统框图；
图6是本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明实施例提供了一种大功率异步牵引电机的定速控制方法，该方法可以由电子设备实现，该电子设备可以是终端或服务器。如图1所示的大功率异步牵引电机高响应高精度的定速控制方法流程图，该方法的处理流程可以包括如下的步骤：
S101：将机车预设速度值与速度传感器实时采集的当前实际速度值进行比较，生成速度误差。
一种可行的实施方式中，机车设定速度
Figure 316919DEST_PATH_IMAGE022
（期望机车以该速度定速运行，为一定常数）与速度传感器实时采集的当前实际速度
Figure 235197DEST_PATH_IMAGE023
进行比较后，生成速度误差
Figure 339419DEST_PATH_IMAGE021
传送至自适应滑模控制器模块，然后经自适应滑模控制器模块输出给定力矩
Figure 761173DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 338654DEST_PATH_IMAGE003
后，进入直接转矩控制单元（DTC），输出脉冲调制（Pulse width modulation，PWM）脉冲控制逆变器IGBT，从而驱动异步牵引电机按给定力矩
Figure 478648DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 448878DEST_PATH_IMAGE003
运行，实现整个传动控制系统的高性能定速控制功能。
一种可行的实施方式中，对于一机车，假设机车在定速运行过程中由于机车角度变化较小，可以近似为直线运行；有两个驱动轮且左右驱动轮的参数相同。其中驱动轮的质量为
Figure 990718DEST_PATH_IMAGE016
，驱动轮的半径为
Figure 240565DEST_PATH_IMAGE017
，驱动轮的转动惯量为
Figure 867855DEST_PATH_IMAGE008
。
本文基于机车的动力学模型建立数学模型，其建模过程如下所示：
根据牛顿定律，左右轮的异步牵引电机力矩平衡方程如下述公式（1）所示：
Figure 110618DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 710226DEST_PATH_IMAGE002
为左电机的电磁转矩，
Figure 380242DEST_PATH_IMAGE003
为右电机的电磁转矩，
Figure 738237DEST_PATH_IMAGE004
为左电机的负载转矩，
Figure 519111DEST_PATH_IMAGE005
为右电机的负载转矩，
Figure 301122DEST_PATH_IMAGE006
为左电机的机械角速度，
Figure 142039DEST_PATH_IMAGE007
为右电机的机械角速度；
由此可得：
Figure 494654DEST_PATH_IMAGE056
进一步得到下述公式（2）：
Figure 282482DEST_PATH_IMAGE057
其中，
Figure 653420DEST_PATH_IMAGE058
为车辆对左车轮的作用力，反作用力为
Figure 665239DEST_PATH_IMAGE059
;
Figure 488838DEST_PATH_IMAGE060
为车辆对右车轮的作用力，反作用力为
Figure 126362DEST_PATH_IMAGE061
;
Figure 351807DEST_PATH_IMAGE062
为左车轮摩擦力，
Figure 800106DEST_PATH_IMAGE063
为右车轮摩擦力；
Figure 376581DEST_PATH_IMAGE064
为左车轮转速，
Figure 53681DEST_PATH_IMAGE065
为右车轮转速。
根据牛顿第三定律作用力与反作用力相等且相反，故有：
Figure 133632DEST_PATH_IMAGE066
其中，
Figure 752832DEST_PATH_IMAGE067
为车身质量，
Figure 551024DEST_PATH_IMAGE068
为车身速度。
同时有：
Figure 484345DEST_PATH_IMAGE069
左、右电机的电压方程可以描述为：
Figure 668070DEST_PATH_IMAGE070
其中：
Figure 458172DEST_PATH_IMAGE071
、
Figure 9239DEST_PATH_IMAGE072
和
Figure 277409DEST_PATH_IMAGE073
为电机参数。
由此可以推出：
Figure 82685DEST_PATH_IMAGE074
两式相加得：
Figure 43688DEST_PATH_IMAGE075
因此：
Figure 550893DEST_PATH_IMAGE076
当机车正常运行，则机车的左右轮转速应相同，由式（2）知机车的左右轮转速也可为转换为左右轮牵引电机的机械角转速相同，则有下述公式（3）
Figure 826016DEST_PATH_IMAGE077
。
一种可行的实施方式中，滑模控制（SMC）也称为变结构控制，本质上是一类特殊的非线性控制，滑模控制通过将空间中任意点的状态轨迹引导到所谓的滑动面，保证运动系统的渐近稳定，这种运动过程称为滑模。
一种可行的实施方式中，状态变量
Figure 646DEST_PATH_IMAGE078
和
Figure 116238DEST_PATH_IMAGE079
如下述公式（4）所示：
Figure 641897DEST_PATH_IMAGE080
其中，
Figure 251870DEST_PATH_IMAGE022
为机车设定速度且为一个常数；
选取一个一阶滑模面为下述公式（5）：
Figure 281006DEST_PATH_IMAGE081
。
可推出：
Figure 68965DEST_PATH_IMAGE082
令:
Figure 816341DEST_PATH_IMAGE083
则上式可以变为：
Figure 230005DEST_PATH_IMAGE084
由此可知：
Figure 113647DEST_PATH_IMAGE085
选取一个一阶滑模面为：
Figure 790616DEST_PATH_IMAGE086
其中，
Figure 14836DEST_PATH_IMAGE087
为滑模面，
Figure 966612DEST_PATH_IMAGE088
为滑模系数。
S102：获取所述速度误差，将所述速度误差输入自适应滑模控制器模块，输出给定力矩；
一种可行的实施方式中，通常情况下，对于滑模控制于其基本思想是保证系统满足稳定性准则即状态变量趋近滑模面，因此状态变量到达滑模面的方式对控制性能也有显著影响。
则将滑模控制引入大功率异步牵引电机定速控制中，采用指数趋近律这一种典型的趋近律对状态变量的轨迹进行控制，其表达式为下述公式（6）：
Figure 970340DEST_PATH_IMAGE089
其中：
Figure 349368DEST_PATH_IMAGE090
为开关增益且
Figure 822069DEST_PATH_IMAGE032
，
Figure 577536DEST_PATH_IMAGE033
为指数系数且
Figure 435770DEST_PATH_IMAGE091
；则
Figure 251279DEST_PATH_IMAGE092
的值为：
Figure 444232DEST_PATH_IMAGE093
根据上述公式（7）求解
Figure 941073DEST_PATH_IMAGE094
和
Figure 653814DEST_PATH_IMAGE095
。
一种可行的实施方式中，求解
Figure 640224DEST_PATH_IMAGE094
和
Figure 71206DEST_PATH_IMAGE095
具体包括：
由以下式子可以解出
Figure 184786DEST_PATH_IMAGE094
和
Figure 752034DEST_PATH_IMAGE095
：
Figure 909346DEST_PATH_IMAGE096
求出的
Figure 827623DEST_PATH_IMAGE094
和
Figure 666266DEST_PATH_IMAGE095
分别为：
Figure 602867DEST_PATH_IMAGE097
所求得的
Figure 931080DEST_PATH_IMAGE094
和
Figure 71075DEST_PATH_IMAGE095
即为输出的给定力矩。
此时算法框图如图2所示。
一种可行的实施方式中，在滑模控制系统中，
Figure 41305DEST_PATH_IMAGE090
和
Figure 333877DEST_PATH_IMAGE098
的取值会直接影响动态性能，对于滑模趋近律,当
Figure 832991DEST_PATH_IMAGE099
时，时间从
Figure 460282DEST_PATH_IMAGE100
到
Figure 437465DEST_PATH_IMAGE101
,到达时间
Figure 348658DEST_PATH_IMAGE101
则表示为：
Figure 221936DEST_PATH_IMAGE102
。
由上式可以看出，设计较高的和值，到达时间会减小，这意味着到达控制器具有较快的速度响应。然而由于滑模控制算法的固有特性，当和取较高的值时会显著加剧抖振现象。因此在设计指数趋近律参数时，存在着减少抖振和快速动态响应要求两者不可兼得的难题，且需要考虑稳定性和快速性等多个其他因素。
一种可行的实施方式中，针对以上问题，本发明设计自适应滑模控制算法，如图3所示；根据下述公式（10）对指数趋近律进行改进：
Figure 336523DEST_PATH_IMAGE103
其中：
Figure 117397DEST_PATH_IMAGE104
是反双曲正弦函数；
Figure 899408DEST_PATH_IMAGE105
是自适应滑模控制的状态变量且
Figure 491058DEST_PATH_IMAGE106
，
Figure 92940DEST_PATH_IMAGE107
，
Figure 677505DEST_PATH_IMAGE108
的值会随着自变量
Figure 251706DEST_PATH_IMAGE105
的减小而减小，自变量
Figure 263524DEST_PATH_IMAGE105
越接近于零，其斜率越大。基于这一特性，反双曲正弦函数非常适合调节状态变量到达滑动面的速度。同时选择光滑连续的
Figure 166470DEST_PATH_IMAGE109
函数来代替符号函数
Figure 554726DEST_PATH_IMAGE110
，并将
Figure 45750DEST_PATH_IMAGE109
函数定义为：
Figure 228469DEST_PATH_IMAGE111
其中，
Figure 555677DEST_PATH_IMAGE051
是一个正常数。
Figure 482044DEST_PATH_IMAGE112
具有平滑和渐近性，并保持单调性，利用
Figure 561996DEST_PATH_IMAGE112
极大程度上削弱了滑模控制的抖振。
根据李雅普诺夫稳定性理论，李雅普诺夫函数
Figure 384458DEST_PATH_IMAGE113
可以被描述为：
Figure 182650DEST_PATH_IMAGE114
因此有：
Figure 896397DEST_PATH_IMAGE115
故满足lyapunov稳定性条件，因此该系统是渐近稳定的。由滑模理论可知，如果状态变量达到滑模面，则可以得到：
Figure 96434DEST_PATH_IMAGE116
解得：
Figure 152115DEST_PATH_IMAGE117
其中
Figure 906444DEST_PATH_IMAGE118
为常数。由此可见，当时间趋于无穷时，
Figure 190926DEST_PATH_IMAGE046
会以指数形式趋近于0，同时系统的性能由
Figure 511049DEST_PATH_IMAGE088
决定，而与电机参数和干扰无关，具有较好的鲁棒性。
由改进的指数趋近律可知，当状态变量距离滑模面较远时，达到速度较快。并且，随着状态变量越接近滑面，达到速度越小，从一个较大的值逐渐减小到零。因此，改进的自适应滑模控制算法可以自适应状态变量即预设速度与实际速度之间的误差，在保证控制器的快速性和鲁棒性的同时，抑制了抖振现象。此外，自适应滑模控制算法的参数设计范围比传统滑模控制算法更广，需要综合考虑和调整。
根据上述公式（10）更新
Figure 206473DEST_PATH_IMAGE092
的值，即为：
Figure 979257DEST_PATH_IMAGE119
一种可行的实施方式中，求解
Figure 300385DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 209436DEST_PATH_IMAGE003
具体包括：
由以下式子可以解出
Figure 544602DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 539103DEST_PATH_IMAGE003
：
Figure 414655DEST_PATH_IMAGE120
求出的
Figure 194523DEST_PATH_IMAGE094
和
Figure 231749DEST_PATH_IMAGE095
分别为：
Figure 979126DEST_PATH_IMAGE121
更新后的
Figure 392789DEST_PATH_IMAGE094
和
Figure 525699DEST_PATH_IMAGE095
即为输出的给定力矩的更新值。
特别地，当左右两轮牵引电机参数相同时，有：
Figure 733827DEST_PATH_IMAGE122
其中：
Figure 702920DEST_PATH_IMAGE123
。
S103：获取所述给定力矩，将所述给定力矩输入直接转矩控制单元，输出脉冲宽度调制脉冲，控制逆变器，驱动异步牵引电机按给定力矩运行，完成大功率异步牵引电机的定速控制。
根据从自适应滑模控制模块输出的
Figure 920274DEST_PATH_IMAGE094
和
Figure 205893DEST_PATH_IMAGE095
，直接转矩控制单元输出脉冲宽度调制脉冲控制逆变器，驱动异步牵引电机按给定力矩运行运行，完成大功率异步牵引电机高响应高精度的定速控制。
综合上述方法，运用自适应滑模控制器进行大功率电机的定速控制，其控制结构如图4所示。
本发明实施例中，以机车的大功率牵引电机为控制对象，针对其直线恒速运行时的状态和左右驱动轮两个牵引电机，并考虑到由于实际工作需求，可能存在左右轮驱动电机的参数不完全相同的情况，基于机车动力学模型建立数学模型，并基于此数学模型，设计了一个基于自适应滑模控制的大功率异步牵引电机定速控制系统，该系统运用一种自适应滑模的控制方法，解决了传统大功率异步牵引电机定速控制方法存在精度不高的问题，同时通过改进滑模控制趋近律从而提高了定速控制的控制速度，并削弱了滑模控制抖振，使整个系统的运行效果更好。
图5是根据一示例性实施例示出的一种基于自适应滑模控制控制的大功率异步牵引电机定速控制系统整体结构图。参照图5，该系统300包括：
数据采集模块310，用于将机车预设速度值与速度传感器实时采集的当前实际速度值进行比较，生成速度误差；
自适应滑模控制器模块320，用于获取所述速度误差，将所述速度误差输入自适应滑模控制器模块，输出给定力矩；
直接转矩控制单元330，用于获取所述给定力矩，将所述给定力矩输入直接转矩控制单元，输出脉冲宽度调制脉冲，控制逆变器，驱动异步牵引电机按给定力矩运行，完成大功率异步牵引电机的定速控制。
可选地，数据采集模块310，还用于：
基于机车的动力学模型建立数学模型，建立模型过程包括：
根据牛顿定律，左右轮的异步牵引电机力矩平衡方程如下述公式（1）所示：
Figure 381660DEST_PATH_IMAGE124
其中，
Figure 93176DEST_PATH_IMAGE002
为左电机的电磁转矩，
Figure 848642DEST_PATH_IMAGE003
为右电机的电磁转矩，
Figure 706877DEST_PATH_IMAGE004
为左电机的负载转矩，
Figure 725649DEST_PATH_IMAGE005
为右电机的负载转矩，
Figure 403755DEST_PATH_IMAGE006
为左电机的机械角速度，
Figure 713644DEST_PATH_IMAGE007
为右电机的机械角速度，
Figure 691965DEST_PATH_IMAGE008
为转动惯量；
根据公式（1）进一步得到下述公式（2）：
Figure 678375DEST_PATH_IMAGE009
其中，
Figure 109356DEST_PATH_IMAGE125
为车辆对左车轮的作用力，
Figure 455893DEST_PATH_IMAGE011
为车辆对右车轮的作用力；
Figure 23141DEST_PATH_IMAGE012
为左车轮摩擦力，
Figure 383715DEST_PATH_IMAGE013
为右车轮摩擦力；
Figure 36413DEST_PATH_IMAGE126
为左车轮转速，
Figure 937373DEST_PATH_IMAGE015
为右车轮转速；
Figure 375439DEST_PATH_IMAGE016
为驱动轮的质量，
Figure 969231DEST_PATH_IMAGE017
为驱动轮的半径；
Figure 109225DEST_PATH_IMAGE018
；
当机车正常运行，则机车的左右轮转速应相同，根据公式（2）可知机车左右轮转速相同也可为转换为左右轮牵引电机的机械角转速相同，则有下述公式（3）：
Figure 548297DEST_PATH_IMAGE019
。
可选地，数据采集模块310，还用于：
速度误差可以被表示为：
Figure 293399DEST_PATH_IMAGE020
其中，
Figure 41781DEST_PATH_IMAGE021
为速度误差，
Figure 669071DEST_PATH_IMAGE022
为机车预设速度值，
Figure 911834DEST_PATH_IMAGE023
为速度传感器实时采集的当前实际速度值。
可选地，自适应滑模控制器模块320，还用于设状态变量
Figure 573759DEST_PATH_IMAGE024
和
Figure 260087DEST_PATH_IMAGE025
如下述公式（4）所示：
Figure 109094DEST_PATH_IMAGE026
选取一个一阶滑模面为下述公式（5）：
Figure 155548DEST_PATH_IMAGE027
其中：
Figure 671980DEST_PATH_IMAGE028
为滑模面，
Figure 716159DEST_PATH_IMAGE088
为滑模系数；
将滑模控制引入大功率异步牵引电机定速控制中，采用指数趋近律这一种典型的趋近律对状态变量的轨迹进行控制，其表达式为下述公式（6）：
Figure 98468DEST_PATH_IMAGE030
其中：
Figure 886295DEST_PATH_IMAGE031
为开关增益且
Figure 257234DEST_PATH_IMAGE032
，
Figure 269052DEST_PATH_IMAGE033
为指数系数且
Figure 374542DEST_PATH_IMAGE091
；则
Figure 497219DEST_PATH_IMAGE092
的值为：
Figure 988243DEST_PATH_IMAGE036
根据上述公式（7）求解
Figure 170963DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 725267DEST_PATH_IMAGE003
，所求得的
Figure 651634DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 200427DEST_PATH_IMAGE003
即为输出的给定力矩：
Figure 554048DEST_PATH_IMAGE037
。
可选地，自适应滑模控制器模块320，还用于：
Figure 352240DEST_PATH_IMAGE031
和
Figure 98610DEST_PATH_IMAGE033
的取值会直接影响动态性能，对于滑模趋近律，当
Figure 298648DEST_PATH_IMAGE040
时，时间从
Figure 823170DEST_PATH_IMAGE041
到
Figure 108658DEST_PATH_IMAGE042
，到达时间
Figure 891675DEST_PATH_IMAGE042
则表示为：
Figure 149481DEST_PATH_IMAGE043
。
可选地，自适应滑模控制器模块320，还用于
设计自适应滑模控制算法，根据下述公式（10）对指数趋近律进行改进：
Figure 844904DEST_PATH_IMAGE044
其中：
Figure 617688DEST_PATH_IMAGE045
是反双曲正弦函数；
Figure 689549DEST_PATH_IMAGE046
是自适应滑模控制的状态变量且
Figure 349332DEST_PATH_IMAGE127
；选择光滑连续的
Figure 481236DEST_PATH_IMAGE048
函数来代替符号函数
Figure 475737DEST_PATH_IMAGE049
，并将
Figure 616868DEST_PATH_IMAGE048
函数定义为：
Figure 629692DEST_PATH_IMAGE050
其中，
Figure 932498DEST_PATH_IMAGE051
是一个正常数；
根据上述公式（10）更新
Figure 414295DEST_PATH_IMAGE052
的值，即为：
Figure 31221DEST_PATH_IMAGE119
求解更新后的
Figure 914863DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 139302DEST_PATH_IMAGE003
，更新后的
Figure 108395DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 325750DEST_PATH_IMAGE003
即为输出的给定力矩的更新值：
Figure 329478DEST_PATH_IMAGE128
直接转矩控制单元330，还用于根据从自适应滑模控制模块输出的
Figure 223354DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 679743DEST_PATH_IMAGE003
，直接转矩控制单元输出脉冲宽度调制脉冲控制逆变器，驱动异步牵引电机按给定力矩运行，完成大功率异步牵引电机高响应高精度的定速控制。
本发明基于滑模控制理论，设计一种控制系统，运用一种自适应滑模的控制方法，解决了传统方法大功率异步牵引电机定速控制精度不高的问题，同时通过改进滑模控制趋近律从而提高了定速控制的控制速度，削弱了滑模控制抖振，使整个系统的运行效果更好。
图6是本发明实施例提供的一种电子设备400的结构示意图，该电子设备400可因配置或性能不同而产生比较大的差异，可以包括一个或一个以上处理器（centralprocessing units，CPU）401和一个或一个以上的存储器402，其中，所述存储器402中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由所述处理器401加载并执行以实现下述大功率异步牵引电机的定速控制方法的步骤：
S1：将机车预设速度值与速度传感器实时采集的当前实际速度值进行比较，生成速度误差；
S2：获取速度误差，将速度误差输入自适应滑模控制器模块，输出给定力矩；
S3：获取给定力矩，将给定力矩输入直接转矩控制单元，输出脉冲宽度调制脉冲，控制逆变器，驱动异步牵引电机按给定力矩运行，完成大功率异步牵引电机的定速控制。
在示例性实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，例如包括指令的存储器，上述指令可由终端中的处理器执行以完成上述大功率异步牵引电机高响应高精度的定速控制方法。例如，所述计算机可读存储介质可以是ROM、随机存取存储器（RAM）、CD-ROM、磁带、软盘和光数据存储设备等。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种大功率异步牵引电机的定速控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将机车预设速度值与速度传感器实时采集的当前实际速度值进行比较，生成速度误差；
S2：获取所述速度误差，将所述速度误差输入自适应滑模控制器模块，输出给定力矩；
S3：获取所述给定力矩，将所述给定力矩输入直接转矩控制单元，输出脉冲宽度调制脉冲，控制逆变器，驱动异步牵引电机按给定力矩运行，完成大功率异步牵引电机的定速控制。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中，还包括：
基于机车的动力学模型建立数学模型，建立模型过程包括：
根据牛顿定律，左右轮的异步牵引电机力矩平衡方程如下述公式（1）所示：
Figure 251927DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 409239DEST_PATH_IMAGE002
为左电机的电磁转矩，
Figure 327516DEST_PATH_IMAGE003
为右电机的电磁转矩，
Figure 962897DEST_PATH_IMAGE004
为左电机的负载转矩，
Figure 899498DEST_PATH_IMAGE005
为右电机的负载转矩，
Figure 227711DEST_PATH_IMAGE006
为左电机的机械角速度，
Figure 367705DEST_PATH_IMAGE007
为右电机的机械角速度，
Figure 72356DEST_PATH_IMAGE008
为转动惯量；
根据公式（1）进一步得到下述公式（2）：
Figure 364928DEST_PATH_IMAGE009
其中，
Figure 864043DEST_PATH_IMAGE010
为车辆对左车轮的作用力，
Figure 491333DEST_PATH_IMAGE011
为车辆对右车轮的作用力；
Figure 468517DEST_PATH_IMAGE012
为左车轮摩擦力，
Figure 379710DEST_PATH_IMAGE013
为右车轮摩擦力；
Figure 49725DEST_PATH_IMAGE014
为左车轮转速，
Figure 429891DEST_PATH_IMAGE015
为右车轮转速；
Figure 210765DEST_PATH_IMAGE016
为驱动轮的质量，
Figure 477930DEST_PATH_IMAGE017
为驱动轮的半径；
Figure 318847DEST_PATH_IMAGE018
；
当机车正常运行，则机车的左右轮转速应相同，根据公式（2）可知机车左右轮转速相同也可为转换为左右轮牵引电机的机械角转速相同，则有下述公式（3）：
Figure 920729DEST_PATH_IMAGE019
。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中，将机车预设速度值与速度传感器实时采集的当前实际速度值进行比较，生成速度误差，包括：
速度误差可以被表示为：
Figure 505295DEST_PATH_IMAGE020
其中，
Figure 125501DEST_PATH_IMAGE021
为速度误差，
Figure 137319DEST_PATH_IMAGE022
为机车预设速度值，
Figure 164181DEST_PATH_IMAGE023
为速度传感器实时采集的当前实际速度值。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中，获取所述速度误差，将所述速度误差输入自适应滑模控制器模块，输出给定力矩，包括：
设状态变量
Figure 552437DEST_PATH_IMAGE024
和
Figure 777882DEST_PATH_IMAGE025
如下述公式（4）所示：
Figure 711334DEST_PATH_IMAGE026
选取一个一阶滑模面为下述公式（5）：
Figure 287809DEST_PATH_IMAGE027
其中：
Figure 214176DEST_PATH_IMAGE028
为滑模面，
Figure 294128DEST_PATH_IMAGE029
为滑模系数；
将滑模控制引入大功率异步牵引电机定速控制中，采用指数趋近律这一种典型的趋近律对状态变量的轨迹进行控制，其表达式为下述公式（6）：
Figure 168455DEST_PATH_IMAGE030
其中：
Figure 232226DEST_PATH_IMAGE031
为开关增益且
Figure 696705DEST_PATH_IMAGE032
，
Figure 896743DEST_PATH_IMAGE033
为指数系数且
Figure 437576DEST_PATH_IMAGE034
；则
Figure 660747DEST_PATH_IMAGE035
的值为：
Figure 991235DEST_PATH_IMAGE036
根据上述公式（7）求解
Figure 249041DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 944464DEST_PATH_IMAGE037
，所求得的
Figure 966516DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 38377DEST_PATH_IMAGE037
即为输出的给定力矩：
Figure 947427DEST_PATH_IMAGE038
。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：
Figure 79331DEST_PATH_IMAGE039
和
Figure 90144DEST_PATH_IMAGE040
的取值会直接影响动态性能，对于滑模趋近律，当
Figure 700116DEST_PATH_IMAGE041
时，时间从
Figure 994832DEST_PATH_IMAGE042
到
Figure 32058DEST_PATH_IMAGE043
,到达时间
Figure 763122DEST_PATH_IMAGE043
则表示为：
Figure 442365DEST_PATH_IMAGE044
。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中还包括：
设计自适应滑模控制算法，根据下述公式（10）对指数趋近律进行改进：
Figure 326008DEST_PATH_IMAGE045
其中：
Figure 534135DEST_PATH_IMAGE046
是反双曲正弦函数；
Figure 253960DEST_PATH_IMAGE047
是自适应滑模控制的状态变量且
Figure 471315DEST_PATH_IMAGE048
；选择光滑连续的
Figure 209464DEST_PATH_IMAGE049
函数来代替符号函数
Figure 57334DEST_PATH_IMAGE050
，并将
Figure 513723DEST_PATH_IMAGE049
函数定义为：
Figure 518457DEST_PATH_IMAGE051
其中，
Figure 376692DEST_PATH_IMAGE052
是一个正常数；
根据上述公式（10）更新
Figure 192201DEST_PATH_IMAGE053
的值，即为：
Figure 870307DEST_PATH_IMAGE054
求解更新后的
Figure 445776DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 158517DEST_PATH_IMAGE037
，更新后的
Figure 144928DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 575909DEST_PATH_IMAGE037
即为输出的给定力矩的更新值：
Figure 916586DEST_PATH_IMAGE055
。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中，获取所述给定力矩，将所述给定力矩输入直接转矩控制单元，输出脉冲宽度调制脉冲，控制逆变器，驱动异步牵引电机按给定力矩运行，完成大功率异步牵引电机的定速控制，包括：
根据从自适应滑模控制模块输出的
Figure 483834DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 844408DEST_PATH_IMAGE037
，直接转矩控制单元输出脉冲宽度调制脉冲控制逆变器，驱动异步牵引电机按给定力矩运行，完成大功率异步牵引电机高响应高精度的定速控制。
8.一种大功率异步牵引电机的定速控制系统，其特征在于，所述系统适用于上述权利要求1-7中任意一项的方法，系统包括：
数据采集模块，用于将机车预设速度值与速度传感器实时采集的当前实际速度值进行比较，生成速度误差；
自适应滑模控制器模块，用于获取所述速度误差，将所述速度误差输入自适应滑模控制器模块，输出给定力矩；
直接转矩控制单元，用于获取所述给定力矩，将所述给定力矩输入直接转矩控制单元，输出脉冲宽度调制脉冲，控制逆变器，驱动异步牵引电机按给定力矩运行，完成大功率异步牵引电机的定速控制。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述数据采集模块，还用于：
基于机车的动力学模型建立数学模型，建立模型过程包括：
根据牛顿定律，左右轮的异步牵引电机力矩平衡方程如下述公式（1）所示：
Figure 497106DEST_PATH_IMAGE056
其中，
Figure 945536DEST_PATH_IMAGE002
为左电机的电磁转矩，
Figure 836132DEST_PATH_IMAGE037
为右电机的电磁转矩，
Figure 164345DEST_PATH_IMAGE004
为左电机的负载转矩，
Figure 304339DEST_PATH_IMAGE005
为右电机的负载转矩，
Figure 743411DEST_PATH_IMAGE006
为左电机的机械角速度，
Figure 534518DEST_PATH_IMAGE007
为右电机的机械角速度，
Figure 33633DEST_PATH_IMAGE008
为转动惯量；
根据公式（1）进一步得到下述公式（2）：
Figure 926503DEST_PATH_IMAGE009
其中，
Figure 903686DEST_PATH_IMAGE057
为车辆对左车轮的作用力，
Figure 581923DEST_PATH_IMAGE011
为车辆对右车轮的作用力；
Figure 251939DEST_PATH_IMAGE012
为左车轮摩擦力，
Figure 100946DEST_PATH_IMAGE013
为右车轮摩擦力；
Figure 350662DEST_PATH_IMAGE058
为左车轮转速，
Figure 867094DEST_PATH_IMAGE015
为右车轮转速；
Figure 754016DEST_PATH_IMAGE016
为驱动轮的质量，
Figure 90319DEST_PATH_IMAGE059
为驱动轮的半径；
Figure 878147DEST_PATH_IMAGE018
；
当机车正常运行，则机车的左右轮转速应相同，根据公式（2）可知机车左右轮转速相同也可为转换为左右轮牵引电机的机械角转速相同，则有下述公式（3）：
Figure 249085DEST_PATH_IMAGE019
。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述数据采集模块，还用于：
速度误差可以被表示为：
Figure 11636DEST_PATH_IMAGE020
其中，
Figure 100815DEST_PATH_IMAGE021
为速度误差，
Figure 223492DEST_PATH_IMAGE022
为机车预设速度值，
Figure 714516DEST_PATH_IMAGE023
为速度传感器实时采集的当前实际速度值。
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