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与流程

本发明涉及永磁同步电机转矩控制技术领域，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电机转矩高精度控制的系统及方法。

背景技术：

永磁同步电机因具有高功率密度、高功率因数、优越的调速控制性能，且结构简单、机械强度高，造价低；能够实现低速恒转矩、高速恒功率运行，具有较宽的转矩范围，能在全部转矩范围内提供大而准确的转矩。为此，永磁同步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，构成转矩反馈闭环控制才能按照给定指令值输出相应的转矩而实现转矩控制。

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传感器检测速度及转子位置来进行闭环控制，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，无速度传感器得到了广泛的关注，但传统的无速度传感器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。

技术实现要素：

本发明提供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，来实现永磁同步电机转矩的高精度和强鲁棒性控制的技术问题。

本发明一方面提供一种基于级联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，x＝[i_d i_q]^T，u＝[u_d u_q]^T，L_d、L_q分别为d、q轴的电感，u_d、u_q分别为d、q轴的电压，i_d、i_q分别d、q轴的电流，ψ_r为转子永磁体磁链，ω_e为转子电角速度，R_s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

式中，v＝K₁H(e)，K₁＝k₁||e||，k₁>0，K₁为滑模切换增益；

步骤3，定义有效磁链ψ_ext＝ψ_r+(L_d-L_q)i_d；

步骤4，根据定义的有效磁链，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'＝[i_α i_β]^T，u'＝[u_α u_β]^T，d＝[ψ_ext,α ψ_ext,β]^T，u_α、u_β分别为αβ坐标系定子电压分量，i_α、i_β分别为αβ坐标系定子电流分量，ψ_α、ψ_β分别为αβ坐标系定子磁链分量；

步骤5，在αβ坐标系中设计观测有效磁链滑模观测器

式中，v'＝K₂H(e')，K₂＝k₂I，k₂>0，k₂为滑模切换增益。

步骤6，根据级联滑模观测器输出的电流观测值和有效磁链幅值来估算电机转矩

步骤7，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，当设计的自适应滑模观测器全局范围渐进稳定时，

步骤2.2，根据定子电流观测值来计算定子电阻

步骤2.3，根据定子电流观测值来计算转子速度

步骤2.4，根据转子速度来计算位置

式中，l_R，l_ω为待调节的参数；

进一步的，步骤5的具体过程为：

步骤5.1，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，形成级联滑模观测器；

步骤5.2，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5.3，根据电流观测值来计算有效磁链d＝E^-1v'；

步骤5.4，根据观测出来的有效磁链来计算有效磁链幅值

本发明另一方面提供一种基于级联滑模观测器的无速度传感器转矩控制系统，所述系统包括：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滑模观测器、有效磁链幅值计算单元和电磁转矩计算单元；级联滑模观测器的输出端与有效磁链幅值计算单元的输入端连接，有效磁链幅值计算单元的输出端与电磁转矩计算单元的输入端连接；所述级联滑模观测器包括自适应滑模观测器和有效磁链滑模观测器；自适应滑模观测器与有效磁链滑模观测器连接；

其中，自适应滑模观测器，根据dq轴的电压电流信号u_d、u_q、i_d、i_q，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

有效磁链滑模观测器，根据αβ轴的电压电流信号u_α、u_β、i_α、i_β和自适应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

有效磁链幅值计算单元，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

电磁转矩计算单元，根据有效磁链幅值计算单元输出的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，自适应滑模观测器包括滑模观测器、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、防抖振单元1；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滑模观测器连接，转子速度和位置提取单元的输出端与滑模观测器连接，防抖振单元1的输出端与滑模观测器连接；

进一步的，所述系统还包括，与自适应滑模观测器连接的有效磁链滑模观测器；有效磁链滑模观测器的输入端与自适应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，防抖振单元2的输出端与有效磁链滑模观测器连接；

本实施例提供的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，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发明进行更详细的描述。

图1为根据本发明实施例一的基于级联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为根据本发明实施例二的整体结构示意图；

图3为根据本发明实施例三的无速度传感器转矩控制模块的原理示意图；

图4为根据本发明实施例四的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发明作进一步说明。

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为根据本发明实施例一的基于级联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，x＝[i_d i_q]^T，u＝[u_d u_q]^T，L_d、L_q分别为d、q轴的电感，u_d、u_q分别为d、q轴的电压，i_d、i_q分别d、q轴的电流，ψ_r为转子永磁体磁链，ω_e为转子电角速度，R_s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

式中，v＝K₁H(e)，K₁＝k₁||e||，k₁>0，K₁为滑模切换增益，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，定义有效磁链ψ_ext＝ψ_r+(L_d-L_q)i_d；

步骤4，根据定义的有效磁链，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'＝[i_α i_β]^T，u'＝[u_α u_β]^T，d＝[ψ_ext,α ψ_ext,β]^T，u_α、u_β分别为αβ坐标系定子电压分量，i_α、i_β分别为αβ坐标系定子电流分量，ψ_α、ψ_β分别为αβ坐标系定子磁链分量；

步骤5，在αβ坐标系中设计观测有效磁链滑模观测器

式中，v'＝K₂H(e')，K₂＝k₂I，k₂>0，k₂为滑模切换增益。

步骤6，根据级联滑模观测器输出的电流观测值和有效磁链幅值来估算电机转矩

步骤7，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，当设计的自适应滑模观测器全局范围渐进稳定时，

步骤2.2，根据定子电流观测值来计算定子电阻

步骤2.3，根据定子电流观测值来计算转子速度

步骤2.4，根据转子速度来计算位置

式中，l_R，l_ω为待调节的参数；

进一步的,步骤5的具体过程为：

步骤5.1，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，形成级联滑模观测器；

步骤5.2，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5.3，根据电流观测值来计算有效磁链d＝E^-1v'；

步骤5.4，根据观测出来的有效磁链来计算有效磁链幅值

实施例二

本实施例的基于级联滑模观测器的无速度传感器转矩控制系统用于执行上述无速度传感器转矩控制方法。图2为根据本发明实施例二的整体结构示意图，如图2所示，本实施例提供一种基于级联滑模观测器的无速度传感器转矩控制系统，所述系统包括：主电路1、信号采集单元2、永磁同步电机3、坐标变换模块4、无速度传感器转矩控制模块5、控制单元6、转矩给定单元7；主电路1的输入端与输出端分别连接控制单元6、信号采集单元2，信号采集单元2的输出端与永磁同步电机3、坐标变换模块4连接，坐标变换模块4的输出端与无速度传感器转矩控制模块5、控制单元6连接，无速度传感器转矩控制模块5的输出端与与转矩给定单元7、控制单元6连接。

具体的，主电路1，用于根据PWM调制波形控制三相桥式逆变电路开关的导通，使三相桥式逆变电路输出有规律的abc三相电压，从而实现对永磁同步电机的控制；信号采集单元2，用于根据三相桥式逆变电路输出的大电压、大电流，获取小电压、小电流数字信号；坐标变换模块4，用于根据信号采集单元2采集的电压电流信号u_ab、u_bc、i_a、i_b，获取dq轴的电压电流信号u_d、u_q、i_d、i_q，和αβ轴的电压电流信号u_α、u_β、i_α、i_β；无速度传感器转矩控制模块5，用于根据dq轴的电压电流信号u_d、u_q、i_d、i_q，和αβ轴的电压电流信号u_α、u_β、i_α、i_β，获取电机反馈转矩信号转子位置信号控制单元6，用于根据反馈转矩信号与转矩给定单元7输出的给定转矩信号之间的差值、dq轴的电流i_d、i_q、转子位置信号产生三相占空比的PWM调制波形；转矩给定单元7，用于输出给定转矩信号

实施例三

本实施例是在实施例二的基础上进行的补充说明。

图3为根据本发明实施例三的无速度传感器转矩控制模块的原理示意图，所述无速度传感器转矩控制模块5包括：级联滑模观测器51、有效磁链幅值计算单元52、电磁转矩计算单元53；级联滑模观测器51的输出端与有效磁链幅值计算单元52的输入端连接，有效磁链幅值计算单元52的输出端与电磁转矩计算单元53的输入端连接。

所述级联滑模观测器51包括：自适应滑模观测器和有效磁链滑模观测器，自适应滑模观测器与有效磁链滑模观测器连接；自适应滑模观测器包括，滑模观测器、自适应律调节单元、电机参数存取单元、转子速度和位置存取单元、防抖振单元1；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、转子速度和位置存取单元的输入端连接，电机参数存取单元的输出端连接滑模观测器有效磁链滑模观测器的输入端，转子速度和位置存取单元的输出端分别连接滑模观测器、有效磁链滑模观测器的输入端，防抖振单元1与滑模观测器连接，防抖振单元2与有效磁链滑模观测器连接。

图3可知，无速度传感器转矩控制模块5的具体实现步骤如下：

1、首先将坐标变换模块4输出的dq轴的电压电流信号u_d、u_q、i_d、i_q输入到状态观测器511中；

2、滑模观测器与自适应律调节单元形成一个闭环控制。首先通过对自适应律参数的调节，自适应律调节单元将实时输出电机参数、转子速度转子位置信号然后将电机参数、转子速度转子位置信号输入滑模观测器中，滑模观测器再将输出dq轴电流的观测误差值e_d、e_q输入自适应律调节单元中，从而构成一个闭环控制；

3、电机参数存取单元对自适应律调节单元输出的电机参数进行实时存取，转子速度和位置存取单元对自适应律调节单元输出的转子速度转子位置信号进行提取；

4、将电机参数存取单元提取的电机参数与转子速度和位置存取单元提取的转子速度转子位置信号输入给有效磁链滑模观测器中，有效磁链滑模观测器将检测出αβ轴上的有效磁链

5、将有效磁链滑模观测器检测出的αβ轴上的有效磁链输入给有效磁链幅值计算单元52中，有效磁链幅值计算单元52将计算出有效磁链幅值信号

6、有效磁链幅值计算单元52计算出的有效磁链幅值信号与滑模观测器输出的q轴电流观测值输入给电磁转矩计算单元53中，电磁转矩计算单元53将计算出电机反馈转矩电机反馈转矩与转矩给定单元7输出的转矩形成转矩闭环控制，再通过控制单元6来实现永磁同步电机转矩的精确控制；

7、其中，防抖振单元1与滑模观测器连接，防抖振单元2与有效磁链滑模观测器连接，作用是防止观测器的抖振问题。

实施例四

本实施例是在实施例一、二、三的基础上进行的补充说明。

图4为根据本发明实施例四的基于级联滑模观测器的无速度传感器转矩控制系统的原理示意图，所述系统中的控制单元6包括：最大转矩电流比控制器61、d轴电流控制器62、q轴电流控制器63、逆park变换模块64、SVPWM模块65；d轴电流控制器62的输出端和q轴电流控制器63的输出端与逆park变换模块输入端连接64，逆park变换模块64输出端与SVPWM模块65输入端连接。

具体的，最大转矩电流比控制器61，用于根据转矩差值信号，获取dq轴给定电流信号；d轴电流控制器62和q轴电流控制器63，用于根据dq轴电流差值信号，获取dq轴电压信号；逆park变换模块64，用于根据dq轴电压信号，获取αβ轴电压信号；SVPWM模块65，用于根据αβ轴电压信号，获取三相占空比的PWM调制波形。

图4可知，基于级联滑模观测器的无速度传感器转矩控制系统的具体实现步骤如下：

1、首先将无速度传感器转矩控制模块5输出的反馈转矩与转矩给定单元7输出的转矩形成转矩差，再将转矩差输入给控制单元6；

2、控制单元6中的最大转矩电流比控制器61根据转矩差，获取dq轴的给定电流信号；同时坐标变换模块4输出的dq轴电流信号反馈给控制单元6中，从而dq轴给定电流信号与dq轴反馈电流信号形成电流差信号；

3、d轴电流控制器62和q轴电流控制器63，根据dq轴电流差信号，获取dq轴电压信号

4、逆park变换模块64，根据dq轴电压信号与无速度传感器转矩控制模块5输出的转子位置信号获取αβ轴电压信号

5、SVPWM模块65，根据逆park变换模块64输出的αβ轴电压信号获取三相占空比的PWM调制波形；

6、将SVPWM模块65输出的三相占空比的PWM调制波形输入主电路1中的三相桥式逆变电路，三相桥式逆变电路根据PWM调制波形控制三相桥式逆变电路开关的导通，使三相桥式逆变电路输出有规律的abc三相电压，从而实现对永磁同步电机3的控制；

7、信号采集单元2，根据三相桥式逆变电路输出的大电压、大电流，获取小电压、小电流数字信号，以便控制电路使用；

8、坐标变换模块4中的Clarke变换模块，根据信号采集单元2输出的abc轴的电压u_ab、u_bc、电流信号i_a、i_b，获取αβ轴的电压电流信号u_α、u_β、i_α、i_β；坐标变换模块4中的park变换模块，根据Clarke变换模块输出的αβ轴的电压电流信号u_α、u_β、i_α、i_β，获取dq轴的电压电流信号u_d、u_q、i_d、i_q；

9、将坐标变换模块4输出的αβ轴的电压电流信号u_α、u_β、i_α、i_β、dq轴的电压电流信号u_d、u_q、i_d、i_q反馈给无速度传感器转矩控制模块5、控制单元6中，无速度传感器转矩控制模块5将输出电机的转矩信号转子速度信号转子位置信号将电机的转矩信号转子位置信号输入给控制单元6，形成转矩闭环控制，从而达到永磁同步电机3转矩精确控制的目的。

本发明提供的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，能在电机系统参数发生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。虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。