车用永磁同步电机无位置传感器模型预测控制系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种车用永磁同步电机无位置传感器模型预测控制系统及方法，该系统包括：最大转矩电流比控制器，获取定子电流参考值；定子电流反馈模块：获取定子电流反馈值；位置观测器模块，观测永磁同步电机转速和转子位置角；电流预测控制模块，根据定子电流参考值、定子电流反馈值、永磁同步电机转速和转子位置进行电流预测控制并输出定子电压参考值；旋转高频电压注入模块，产生旋转高频电压信号并与定子电压参考值叠加得到控制电压；SVPWM调制模块：对控制电压进行SVPWM调制得到逆变器控制信号，逆变器连接永磁同步电机。与现有技术相比，本发明专利技术既可以实现电流控制性能的优化，又可以简化控制器硬件，提高控制系统可靠性。

【技术实现步骤摘要】
车用永磁同步电机无位置传感器模型预测控制系统及方法
本专利技术涉及一种车用永磁同步电机控制技术，尤其是涉及一种车用永磁同步电机无位置传感器模型预测控制系统及方法。
技术介绍
在当今汽车工业领域，资源浪费和环境污染是影响其发展的主要问题，因此各国加快了新能源汽车的开发。其中电动汽车以车载电源为动力，采用电机将电能转换成机械能，提供源动力驱动车轮行驶，对环境更加友好，具有很好的发展前景。永磁同步电机(PMSM)以其高功率密度、高输出转矩、高效率等特点，在电动汽车驱动系统领域得以广泛应用。针对永磁同步电机的各种控制技术得到了广泛研究，如矢量控制、直接转矩控制、滑模控制和模糊控制等。但是在应用中，这些控制技术都存在一定的不足，如电流谐波含量大、动态响应慢、转矩脉动大等。永磁同步电机调速系统往往需要安装位置传感器以检测转子位置和速度，完成对电机的精确控制。但安装传感器，不仅加大了电机的空间尺寸，而且额外增加了连接线和电路，使系统易受干扰，传感器的安装容易出现偏心等技术问题，影响到系统的耐用性和可靠性。预测控制从工业控制中发展而来，具有很强工业应用基础和良好的实践经验。将预测控制策略与永磁同步电机特性相结合开发高性能的永磁同步电机控制策略，具有很好的实用价值。预测控制系统都可概括由模型预测、滚动优化、反馈校正三个部分组成，具有较好的参数鲁棒性和响应速度。但传统预测控制系统仍依赖于位置传感器检测转子位置以实现精确控制，系统可靠性不足。使用性能良好的无位置传感器控制技术，则可以较好的解决上述使用机械式位置传感器会出现的问题。并且可以省去昂贵的机械传感器、降低维护费用、减小空间体积，增加系统在特定环境下运行可靠性。但是现有无位置传感器技术一般基于矢量控制系统，仍然存在矢量控制技术的缺陷。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种车用永磁同步电机无位置传感器模型预测控制系统及方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种车用永磁同步电机无位置传感器模型预测控制系统，该系统包括：最大转矩电流比控制器：根据永磁同步电机转矩参考值获取定子电流参考值；定子电流反馈模块：获取永磁同步电机定子电流反馈值；位置观测器模块：观测永磁同步电机转速和转子位置角；电流预测控制模块：根据定子电流参考值、定子电流反馈值、永磁同步电机转速和转子位置进行电流预测控制并输出定子电压参考值；旋转高频电压注入模块：产生旋转高频电压信号并与定子电压参考值叠加得到控制电压；SVPWM调制模块：对控制电压进行SVPWM调制得到逆变器控制信号，所述的逆变器连接永磁同步电机。所述的定子电流反馈模块包括依次连接的电流传感器、CLARK变换子模块、PARK变换子模块和低通滤波器，所述的电流传感器检测永磁同步电机定子电流，所述的低通滤波器输出永磁同步电机定子电流反馈值。所述的位置观测器模块包括依次连接的电流传感器、CLARK变换子模块、带通滤波器、同步轴系高通滤波器和位置观测器，所述的电流传感器检测永磁同步电机定子电流，所述的同步轴系高通滤波器输出永磁同步电机定子高频电流负序分量，所述的位置观测器根据永磁同步电机定子高频电流负序分量观测永磁同步电机转速和转子位置角。所述的电流预测控制模块的控制律为：U＝(HTWyH+Wu)-1HTWy(I*-Pi(k)-Dωe(k)-e)，其中，U为定子电压参考值，I*为定子电流参考值，i(k)为k时刻定子电流反馈值，ωe(k)为k时刻永磁同步电机转速，e为定子电流预测误差，H、P、D为预测模型系数矩阵，Wy为每一步定子电流预测值所占比重，Wu为每一步定子电压所占比重。所述的旋转高频电压信号为：α＝ωht+φ，其中，uαh、uβh分别为αβ坐标系下注入的旋转高频电压分量，Uh、ωh分别为注入的旋转高频电压的幅值和角频率，φ为注入旋转高频电压信号初始相角。一种车用永磁同步电机无位置传感器模型预测控制方法，该方法包括如下步骤：(1)根据永磁同步电机转矩参考值获取定子电流参考值；(2)获取永磁同步电机定子电流反馈值；(3)采用旋转高频注入无位置传感器控制技术获取永磁同步电机转速和转子位置角；(4)据定子电流参考值、定子电流反馈值、永磁同步电机转速和转子位置进行电流预测控制并输出定子电压参考值；(5)向定子电压参考值中注入旋转高频电压信号并进行SVPWM调制得到逆变器控制信号，进而控制永磁同步电机工作。步骤(3)具体为：获取永磁同步电机定子电流实时值，采用同步轴系高通滤波器滤除永磁同步电机定子高频电流正序分量得到永磁同步电机定子高频电流负序分量，通过位置观测器观测得到永磁同步电机转速和转子位置角。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：(1)本专利技术采用电流预测控制取代传统永磁同步电机矢量控制，减小电流谐波，提高响应速度，同时引入旋转高频电压注入模块，旋转高频注入无位置传感器控制技术可以准确有效的检测转子位置信息，解决位置传感器引入对系统稳定性带来的影响，相比于传统电机控制系统，既可以实现电流控制性能的优化，又可以简化控制器硬件，减小控制器成本提高控制系统可靠性；(2)本专利技术电流预测控制采用模型预测，计算电机状态变化，预测不同输入量对电流的影响，实现对定子电流的精确控制，电流预测控制具有如下优势：a、设计电流二次误差评价函数，采用最优控制律求解输入量参考值，通过多步预测滚动优化，考虑预测输出对未来一定时间的影响，能够减小定子电流谐波，提高响应速度，实现电流最优控制；b、根据电流控制器参考值设计参考曲线，保证响应速度的同时，防止控制量变化频率过快，控制策略稳定性最优；c、利用上一周期预测值与电流传感器采样值进行反馈校正，减小模型误差对模型预测产生的影响，系统鲁棒性较好；(3)本专利技术旋转高频注入无位置传感器控制技术利用电机对注入高频电压响应特性检测位置，解决磁链观测器等方法在电机零低速时难以启动的问题，不依赖于电机磁链或者反电势特性，运行稳定性好。附图说明图1为车用永磁同步电机无位置传感器模型预测控制系统的结构框图；图2为电流预测控制模块的结构框图；图3为实际转子位置坐标与估计转子位置坐标关系图；图4为同步轴系高通滤波器的基本结构示意图；图5为基于外差法的解调器原理结构图；图6为采用本专利技术控制方法的永磁同步电机三相电流仿真波形；图7为采用本专利技术控制方法的永磁同步电机交直轴电流仿真波形；图8为采用本专利技术控制方法的永磁同步电机转矩仿真波形；图9为采用本专利技术控制方法的永磁同步电机转子位置仿真波形；图10为采用本专利技术控制方法的永磁同步电机转子位置误差仿真波形。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本专利技术并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本专利技术并不限定于以下的实施方式。实施例如图1所示，一种车用永磁同步电机无位置传感器模型预测控制系统，该系统包括：最大转矩电流比控制器(MTPA控制器)：根据永磁同步电机转矩参考值获取定子电流参考值；定子电流反馈模块：获取永磁同步电机定子电流反馈值；位置观测器模块：观测永磁同步电机转速和转子位置角；电流预测控制模块：根据定子电流参考值、定子电流反馈值、永磁同步电机转速和转子位置进行电流预测控制并输出定子电压参考值；旋转高频电压注本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种车用永磁同步电机无位置传感器模型预测控制系统，其特征在于，该系统包括：最大转矩电流比控制器：根据永磁同步电机转矩参考值获取定子电流参考值；定子电流反馈模块：获取永磁同步电机定子电流反馈值；位置观测器模块：观测永磁同步电机转速和转子位置角；电流预测控制模块：根据定子电流参考值、定子电流反馈值、永磁同步电机转速和转子位置进行电流预测控制并输出定子电压参考值；旋转高频电压注入模块：产生旋转高频电压信号并与定子电压参考值叠加得到控制电压；SVPWM调制模块：对控制电压进行SVPWM调制得到逆变器控制信号，所述的逆变器连接永磁同步电机。

【技术特征摘要】
1.一种车用永磁同步电机无位置传感器模型预测控制系统，其特征在于，该系统包括：最大转矩电流比控制器：根据永磁同步电机转矩参考值获取定子电流参考值；定子电流反馈模块：获取永磁同步电机定子电流反馈值；位置观测器模块：观测永磁同步电机转速和转子位置角；电流预测控制模块：根据定子电流参考值、定子电流反馈值、永磁同步电机转速和转子位置进行电流预测控制并输出定子电压参考值；旋转高频电压注入模块：产生旋转高频电压信号并与定子电压参考值叠加得到控制电压；SVPWM调制模块：对控制电压进行SVPWM调制得到逆变器控制信号，所述的逆变器连接永磁同步电机。2.根据权利要求1所述的一种车用永磁同步电机无位置传感器模型预测控制系统，其特征在于，所述的定子电流反馈模块包括依次连接的电流传感器、CLARK变换子模块、PARK变换子模块和低通滤波器，所述的电流传感器检测永磁同步电机定子电流，所述的低通滤波器输出永磁同步电机定子电流反馈值。3.根据权利要求1所述的一种车用永磁同步电机无位置传感器模型预测控制系统，其特征在于，所述的位置观测器模块包括依次连接的电流传感器、CLARK变换子模块、带通滤波器、同步轴系高通滤波器和位置观测器，所述的电流传感器检测永磁同步电机定子电流，所述的同步轴系高通滤波器输出永磁同步电机定子高频电流负序分量，所述的位置观测器根据永磁同步电机定子高频电流负序分量观测永磁同步电机转速和转子位置角。4.根据权利要求1所述的一种车用永磁同步电机无位置传感器模型预测控制系统，其特征在于，所述的电流预测控制模块的控制律...

【专利技术属性】
技术研发人员：康劲松，李旭东，母思远，刘宇松，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31