一种永磁同步电机的反演控制方法技术

本发明专利技术提供一种永磁同步电机的反演控制方法，包含步骤：S1、建立转动特性方程和电机电气特性方程、机械特性方程的状态空间形式；S2、建立电机电气特性、电机机械特性的离散状态转移方程；S3、通过当前k周期的电机转动状态变量、电流，预测未来k+n

An inverse control method of permanent magnet synchronous motor

【技术实现步骤摘要】
一种永磁同步电机的反演控制方法
本专利技术涉及电气自动化控制领域，具体涉及一种永磁同步电机的反演控制方法。
技术介绍
永磁同步电机具有时变、非线性、强耦合的特点，因其功率密度高、耗损低、转矩波动小以及便于维护等优点被广泛应用于高精度位置伺服系统中，如转台、数控机床、机器人关节、控制力矩陀螺、导弹尾翼舵机等要求高精度、高稳定度、高动态响应的伺服系统中。在各种任务和负载工况下，要求永磁同步电机具有响应及时、控制超调小、控制稳定时间短、控制静差小、对力矩干扰及负载鲁棒性强的控制品质。随着计算机、电力电子以及传感器技术的发展，目前电压、电流、转角、转速等变量可高速、高精度测量得到，高性能的芯片可以快速计算复杂的算法并控制电源及逆变器高频工作，因而诸多基于模型的、先进复杂的控制算法能够应用于永磁同步电机的驱动控制。目前，永磁同步电机的PID控制、模糊控制、滑模变结构控制、自适应控制、神经网络控制等方法各自不同程度存在控制精度/稳定度差、对干扰负载和电机本体参数鲁棒性不强、控制器设计的人为主观因素影响较大等问题，通常从稳定性角度出发设计，难以同时保证具有较好的动态性能和稳态性能等问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种永磁同步电机的反演控制方法,本专利技术从系统可控性角度出发，按照永磁同步电机转动特性、电机电气特性、电机机械特性，预测第k+n1周期后的电机转动状态，根据预测的电机转动状态反向推演得到补偿后的k周期的控制电流指令，本专利技术根据当前k周期的转子机械角速预测电机在k+n2周期的电流值(其中n2∈[1,n1-1])，根据预测的k+n2周期的电流值和所述补偿后的k周期的控制电流指令的差值，反演得到k周期电机的实际控制输入电压值，实现了较强的对外部力矩扰动的鲁棒性。为了达到上述目的，本专利技术提供一种永磁同步电机的反演控制方法，包含步骤：S1、在连续时间系统d-q坐标系下，建立转动特性方程以及电机电气特性方程、电机机械特性方程的状态空间形式；S2、分别建立电机电气特性、电机机械特性的离散状态转移方程；S3、根据电机机械特性的离散状态转移方程，通过当前k周期的电机转动状态变量X(k)＝[θm(k),ωm(k)]，k周期的电流iq(k)，预测未来k+n1周期的电机转动状态变量并与期望的k+n1周期的参考转动状态变量Xr(k+n1)比较得到电机在未来k+n1周期的转动状态偏差预测值；其中，θm(k)、ωm(k)分别为k周期的转子角位置和转子机械角速度；n1≥2；S4、根据所述转动状态偏差预测值，反演得到k+1～k+n1-1系列周期的控制电流指令序列，并对负载及扰动造成的电机转动状态偏差计算k+1周期的电流补偿值，进而计算得到k周期补偿负载的控制电压指令；所述k周期补偿负载的控制电压指令也即为k周期的补偿电压值；S5、根据当前k周期的电机电压以及电机电流，预测k+n2周期电机的电流误差值其中n2∈[1,n1-1]；根据反向推演得到k周期实际的控制电压指令，加上k周期补偿负载的控制电压指令，作为电机在k周期的的实际控制电压输入；将k更新为k+1，进入S3。所述步骤S1包含：S11、在d-q坐标系下，以电流U2＝[idiq]T为状态变量，电压U1＝[vdvq]T作为控制输入，得到如式(1)所示的电机电气特性方程的状态空间形式：式(1)中其中，Ld、Lq分别为d轴、q轴电感，R为定子绕组电阻，ωm为转子机械角速度，λ为转子永磁体在定子侧的磁通幅值，p为极对数；id，iq分别为永磁同步电机在d轴、q轴的电流，vd，vq分别为永磁同步电机在d轴、q轴的电压，其可由测得的三相电流和电压经Clark变换和Park变换得到。S12、在d-q坐标系下，建立连续时间系统下的机械特性方程，如式(2)、(3)所示：Te＝1.5p[λiq+(Ld-Lq)idiq](2)其中，Te为电磁转矩，J为转子转动惯量，B为粘滞摩擦系数，Tl为负载转矩；S13、建立连续时间系统下的转动特性方程，如式(4)所示：其中，θm为转子角位置；S14、采用id＝0矢量控制策略，根据式(2)、(3)、(4)，得到如式(5)所示的电机机械特性方程的状态空间形式：其中X＝[θmωm]T为状态变量，U2＝[iq]为电流控制输入，Q＝[Tl]为负载，所述步骤S2包含：S21、利用双线性变换对式(1)进行离散化，得到如式(6)所示的电机电气特性离散状态转移方程：U2(k+1)＝Ad1(k)U2(k)+Bd1U1(k)+F(k)(6)(6)是表示通过电压产生电流的方程；其中，k代表当前周期，k+1代表下一周期，id(k)、iq(k)分别为k周期永磁同步电机在d轴、q轴的电流，ωm(k)为k周期转子机械角速度，Ts为采样周期；S22、对式(5)进行状态转移求解，并利用拉式变换或幂级数近似求解，得到如式(7)所示的电机机械特性离散状态转移方程：X(k+1)＝Ad2X(k)+Bd2U2(k)+HdQ(k)(7)τ为控制周期，Q(k)为k周期的负载Q＝[Tl]的值。所述步骤S3具体包含：S31、不考虑k周期的负载Q(k)，根据式(7)计算得到k+n1周期的电机转动状态变量式(8)中，为控制电流序列，其中U2(j)＝[iq(j)]表示j周期的控制输入，j∈[k+1,k+n1-1]；S32、在k+1～k+n1-1周期无控制输入且不考虑负载作用的情况下，令k+n1周期的电机转动参考状态为Xr(k+n1)，计算得到电机在k+n1周期的转动状态，得到k+n1周期的转动状态偏差预测值所述步骤S4具体包含：S41、根据式(8)、(9)和广义逆控制理论，得到如式(10)所示的控制电流指令序列集合，式(10)中，M(k+n1-1,k+1)行满秩，M(k+n1-1,k+1)-为其广义逆，M(k+n1-1,k+1)-＝M(k+n1-1,k+1)T(M(k+n1-1,k+1)M(k+n1-1,k+1)T)-1，I2为(n1-1)维的单位阵，V为(n1-1)维任意列向量；S42、对式(10)取通解中的唯一最小二乘、最小范数解，得到控制电流指令序列：S43、计算在式(11)所示的控制电流指令序列下，考虑负载的作用，电机的转动状态偏差预测值，如式(12)所示：其中，为负载序列；S44、根据式(12)，设计k+1周期的电流补偿值；其中，Kc＝diag([kc1kc2])，kc1kc2为正值补偿系数；ΔX(j)为j周期实际测量的转动状态偏差值；S45、根据式(13)及式(6)得到k周期补偿负载的控制电压指令为：所述步骤S5具体包含：S51、根据当本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种永磁同步电机的反演控制方法，其特征在于，包含步骤：/nS1、在连续时间系统d-q坐标系下，建立转动特性方程以及电机电气特性方程、电机机械特性方程的状态空间形式；/nS2、分别建立电机电气特性、电机机械特性的离散状态转移方程；/nS3、根据电机机械特性的离散状态转移方程，通过当前k周期的电机转动状态变量X(k)＝[θ

【技术特征摘要】
1.一种永磁同步电机的反演控制方法，其特征在于，包含步骤：
S1、在连续时间系统d-q坐标系下，建立转动特性方程以及电机电气特性方程、电机机械特性方程的状态空间形式；
S2、分别建立电机电气特性、电机机械特性的离散状态转移方程；
S3、根据电机机械特性的离散状态转移方程，通过当前k周期的电机转动状态变量X(k)＝[θm(k),ωm(k)]，k周期的电流iq(k)，预测未来k+n1周期的电机转动状态变量并与期望的k+n1周期的参考转动状态变量Xr(k+n1)比较得到电机在未来k+n1周期的转动状态偏差预测值；其中，θm(k)、ωm(k)分别为k周期的转子角位置和转子机械角速度；n1≥2；
S4、根据所述转动状态偏差预测值，反演得到k+1～k+n1-1系列周期的控制电流指令序列，并对负载及扰动造成的电机转动状态偏差计算k+1周期的电流补偿值，进而计算得到k周期补偿负载的控制电压指令；
S5、根据当前k周期的电机电压以及电机电流，预测k+n2周期电机的电流误差值其中n2∈[1,n1-1]；根据反向推演得到k周期实际的控制电压指令，加上k周期补偿负载的控制电压指令，作为电机在k周期的的实际控制电压输入；将k更新为k+1，进入S3。


2.如权利要求1所述的永磁同步电机的反演控制方法，其特征在于，所述步骤S1包含：
S11、在d-q坐标系下，以电流U2＝[idiq]T为状态变量，电压U1＝[vdvq]T作为控制输入，得到如式(1)所示的电机电气特性方程的状态空间形式：



式(1)中
其中，Ld、Lq分别为d轴、q轴电感，R为定子绕组电阻，ωm为转子机械角速度，λ为转子永磁体在定子侧的磁通幅值，p为极对数；id，iq分别为永磁同步电机在d轴、q轴的电流，vd，vq分别为永磁同步电机在d轴、q轴的电压，其可由测得的三相电流和电压经Clark变换和Park变换得到；
S12、在d-q坐标系下，建立连续时间系统下的机械特性方程，如式(2)、(3)所示：
Te＝1.5p[λiq+(Ld-Lq)idiq](2)



其中，Te为电磁转矩，J为转子转动惯量，B为粘滞摩擦系数，Tl为负载转矩；
S13、建立连续时间系统下的转动特性方程，如式(4)所示：



其中，θm为转子角位置；
S14、采用id＝0矢量控制策略，根据式(2)、(3)、(4)，得到如式(5)所示的电机机械特性方程的状态空间形式：



其中X＝[θmωm]T为状态变量，U2＝[iq]为电流控制输入，Q＝[Tl]为负载，


3.如权利要求2所述的永磁同步电机的反演控制方法，其特征在于，所述步骤S2包含：
S21、利用双线性变换对式(1)进行离散化，得到如式(6)所示的电机电气特性离散状态转移方程：
U2(k+1)＝Ad1(k)U2(k)+Bd1U1(k)+F(k)(6)






其中，k代表当前周期，k+1代表下一周期，id(k)、iq(k)分别为k周期永磁同步电机在d轴、q轴的电流，ωm(k)为k周期转子机械角速度，Ts为采样周期；
S22、对式(5)进行状态转移求解，并利用拉式变换或幂级数近似求解，得到如式(7)所示的电机机械特性离散状态...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭天乐，尹俊雄，刘瑞鑫，张明举，郑建勇，周恒杰，王金芳，
申请(专利权)人：上海新跃联汇电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31