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方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

Speed sensorless torque control system and method based on cascade nonsingular terminal sliding mode observer

The present invention discloses a speed sensorless torque control system and method based on cascade nonsingular terminal sliding mode observer, which can precisely control the torque of the permanent magnet synchronous motor. The invention is based on the vector control, first of all, in the design of adaptive DQ coordinates of non singular terminal sliding mode observer to realize the observation of permanent magnet synchronous motor speed and rotor position and stator resistance; secondly in alpha beta coordinate system to design effective flux of non singular terminal sliding mode observer and the observed speed and stator resistance the signal input, to observe the effective flux of alpha and beta axis, thus forming a cascade of non singular terminal sliding mode observer; then the effective flux signal and the current observation value, to obtain the motor torque signal feedback. Finally, the estimated motor torque and the given torque form a closed-loop torque. The system and method can suppress the chattering of the traditional sliding mode observer, and realize the accurate control of the torque of the PMSM under the condition of parameter perturbation and external disturbance.

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术涉及永磁同步牵引电机转矩控制
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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'＝[iαiβ]T，u'＝[uαuβ]T，d＝[ψext,αψext,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＝[ξdξq]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＝[s1s2]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'；本专利技术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专利技术进行更详细的描述。图1为根据本专利技术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为根据本专利技术实施例二的整体结构示意图；图3为根据本专利技术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专利技术作进一步说明。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为根据本专利技术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、i本文档来自技高网...

【技术保护点】
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

【技术特征摘要】
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＝[idiq]T，u＝[uduq]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＝[vdvq]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'＝[iαiβ]T，u'＝[uαuβ]T，d＝[ψext,αψext,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＝[ξdξq]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＝[s1s2]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...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵凯辉，李鹏，张昌凡，何静，李祥飞，李燕飞，殷童欢，
申请(专利权)人：湖南工业大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43