[发明专利]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

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及永磁同步牵引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牵引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、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。

发明内容

本发明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。

本发明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，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，为实现永磁同步牵引电机转速ω_e、转子位置θ_e及定子电阻R_s的观测，设计自适应非奇异终端滑模观测器

式中，v＝[v_d v_q]^T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ψ_ext＝ψ_r+(L_d-L_q)i_d，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