[發明專利]基于級聯非奇異終端滑模觀測器的無速度傳感器轉矩控制系統及方法

有效

• 申請號: 201710793225.0
• 申請日: 2017-09-06
• 公開（公告）號: CN107395080B
• 公開（公告）日: 2023-06-16
• 發明（設計）人: 趙凱輝;李鵬;張昌凡;何靜;李祥飛;李燕飛;殷童歡
• 申請（專利權）人: 湖南工業大學
• 主分類號: H02P21/00
• 分類號: H02P21/00;H02P21/28;H02P21/16;H02P21/20;H02P21/13
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本發明公開了一種基于級聯非奇異終端滑模觀測器的無速度傳感器轉矩控制系統及方法，其對永磁同步電機轉矩進行精確控制。本發明在矢量控制的基礎上，首先，在dq坐標系設計自適應非奇異終端滑模觀測器，來實現永磁同步電機轉速、轉子位置及定子電阻的觀測；其次在αβ坐標系設計有效磁鏈非奇異終端滑模觀測器，并把所觀測的轉速、和定子電阻信號輸入，來觀測αβ軸上的有效磁鏈，從而形成級聯非奇異終端滑模觀測器；然后利用觀測的有效磁鏈信號和電流觀測值，來獲取電機反饋轉矩信號。最后，將估算的電機轉矩與給定轉矩形成轉矩閉環。所述系統及方法，能抑制傳統滑模觀測器控制量的抖振，在參數攝動及外部擾動情況下，實現永磁同步電機轉矩的精確控制。

技術領域

本發明涉及永磁同步牽引電機轉矩控制技術領域，尤其涉及一種基于級聯滑模觀測器的無速度傳感器轉矩控制系統及方法，是一種特別適用于永磁同步牽引電機轉矩高精度控制的系統及方法。

背景技術

永磁同步電機因具有高功率密度、高功率因數、高轉矩電流比、高效率、優越的調速控制性能，且結構簡單、機械強度高、易維護、造價低；能夠實現低速恒轉矩、高速恒功率運行，具有過載能力強、啟動轉矩大、能在全速范圍內提供大而準確的轉矩。為此，永磁同步牽引電機在軌道牽引領域被廣泛使用。

軌道牽引驅動控制系統要求電機具有較寬的調速范圍和較小的轉矩脈動。在軌道牽引傳動控制系統中，電機驅動系統接收整車控制系統發送的轉矩指令，控制電機輸出相應大小的轉矩，整車控制系統要求電機控制系統轉矩控制的精度在給定5％范圍內。有效準確地檢測或觀測電機的輸出轉矩，構成轉矩閉環控制才能按照給定指令值輸出相應的轉矩而實現牽引電機的轉矩控制。

然而要實現電機轉矩的高精度控制，通常需要在轉子軸上安裝機械式扭矩傳感器檢測電機轉矩，但由于機械式傳感器容易受溫度、濕度及振動的影響，因此降低了電機系統的可靠性，且在一些特殊場合無法應用。為此，無速度傳感器轉矩控制得到了廣泛的關注，但傳統的方法在電機系統參數發生攝動及外部存在擾動的情況下，難以精確地檢測出轉子速度及位置，因此也無法對電機轉矩進行精確控制；且傳統滑模變結構控制方法存在抖動現象，因此也限制了其工程應用。

發明內容

本發明提供一種基于級聯非奇異終端滑模觀測器的無速度傳感器轉矩控制裝置，來提高觀測器的精度，并抑制傳統滑模觀測器控制量的抖振，實現永磁同步牽引電機轉矩的高精度和強魯棒性控制的技術問題。

本發明一方面提供一種基于級聯非奇異終端滑模觀測器的無速度傳感器轉矩控制方法，所述方法是基于永磁同步電機控制系統的，包括：

步驟1，在dq坐標系中以定子電流為狀態變量建立永磁同步電機數學模型

式中，L_d、L_q分別為d、q軸的電感，u_d、u_q分別為d、q軸的電壓，i_d、i_q分別d、q軸的電流，ψ_r為轉子永磁體磁鏈，ω_e為轉子電角速度，R_s為定子電阻；

步驟2，在dq坐標系中以定子電流為狀態變量，為實現永磁同步牽引電機轉速ω_e、轉子位置θ_e及定子電阻R_s的觀測，設計自適應非奇異終端滑模觀測器

式中，v＝[v_d?v_q]^T為非奇異終端滑模觀測器的控制輸入量。

步驟3，根據有效磁鏈的定義ψ_ext＝ψ_r+(L_d-L_q)i_d，在αβ坐標系中建立基于有效磁鏈的永磁同步電機數學模型