一种永磁同步电机控制系统及其预测控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种永磁同步电机控制系统，包括空间矢量脉冲宽度调制器、三相桥式逆变模块、永磁同步电机以及用于采集反馈信号的信号采集模块，其特征在于，信号采集模块采集电机转子角速度、转子位置角、电机输入侧三相电流、逆变模块的直流母线电压以及空间矢量脉冲宽度调制器输出的占空比；该控制系统还包括用于预测空间矢量脉冲宽度调制器输出占空比的复合多级调节模块；复合多级调节模块包括预测模块、预测补偿模块、预测修正模块以及依次连接的第一级调节模块、第二级调节模块、第三级调节模块。本发明专利技术还公开了一种永磁同步电机预测控制方法。本发明专利技术提升了系统在高速低控制频率下的动稳态性能，同时具有较强的参数鲁棒性，稳态无静差、震荡。

A permanent magnet synchronous motor control system and its predictive control method

【技术实现步骤摘要】
一种永磁同步电机控制系统及其预测控制方法
本专利技术涉及一种永磁同步电机控制领域，特别涉及一种永磁同步电机控制系统及其预测控制方法。
技术介绍
目前，模型预测控制(ModelPredictiveControl，简称MPC)以其可以实现非线性系统控制、考虑复杂约束条件和设计简单等优势，被广泛应用于工业过程控制中(例如化学、石油等工业)。在永磁同步电机驱动系统中，该算法利用电机的精确数学模型来预测出不同控制量作用下的状态解，并选出下一控制周期内应作用的最优的控制量，从而实现电机电流能精确跟随指令电流值。模型预测控制能够使电机电流获得良好的动态和稳态响应，但是也存在一定的问题。对于转速较高的永磁同步电机，电机的工作频率较高，受采样时间、噪声等影响，系统的采样频率无法进一步提高，此时，离散模型的建立对控制模块的动稳态性能影响较大。另外，由于预测控制是基于模型的控制方法，因此在控制模块需要较准确的电机参数(例如电感、磁链)。而在实际系统中，这些参数会随着电机工作状态而改变，且系统中存在未建模扰动。在高速低控制频率下，建立的离散模型不准确、电机参数偏差较大会使系统的动稳态性能变差，影响整个系统的稳定性，严重时会使系统损坏。
技术实现思路
本专利技术为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种永磁同步电机控制系统及其预测控制方法，本专利技术采用适用于高速低控制频率下的电机离散模型，并对控制模块中的电流预测值、电流给定值进行补偿。本专利技术为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种永磁同步电机控制系统，该控制系统包括空间矢量脉冲宽度调制器、三相桥式逆变模块、永磁同步电机以及用于采集反馈信号的信号采集模块，所述信号采集模块采集电机转子角速度、转子位置角、电机输入侧三相电流、逆变模块的直流母线电压以及空间矢量脉冲宽度调制器输出的占空比；该控制系统还包括：用于将电机转子角速度采样值及电机输入侧三相电流采样值变换为电机电流d、q轴分量采样值的第一变换模块，用于将空间矢量脉冲宽度调制器输出的占空比采样值及逆变模块的直流母线电压采样值变换为电机电压的d、q轴分量采样值的第二变换模块，以及用于预测空间矢量脉冲宽度调制器输出占空比的复合多级调节模块；所述复合多级调节模块包括预测模块、预测补偿模块、预测修正模块以及依次连接的第一级调节模块、第二级调节模块、第三级调节模块；其中：所述预测模块用于对下一时刻的电机电流d、q轴分量进行初步预测；所述预测模块包括电机离散预测模型；所述电机离散预测模型，其输入包括：当前时刻的电流d、q轴分量采样值、电机电压的d、q轴分量采样值以及电机转子角速度采样值；其输出为下一时刻的电机电流d、q轴分量初级预测值；所述预测补偿模块用于对所述预测模块的预测值与采样值之间的误差进行补偿，其包括第一加法模块和低通滤波模块；所述第一加法模块，其输入为：来自所述第一变换模块的当前时刻的电机电流d、q轴分量采样值，以及来自所述预测模块的当前时刻的电机电流d、q轴分量初级预测值的负值；其输出电机电流d、q轴分量的预测误差值至所述低通滤波模块；所述低通滤波模块处理后输出电机电流d、q轴分量的补偿值；所述预测修正模块用于对所述预测模块的预测结果进行修正，其包括第二加法模块；所述第二加法模块，其输入为：来自所述预测模块的下一时刻的电机电流d、q轴分量初级预测值，以及来自所述预测补偿模块的电机电流d、q轴分量的补偿值；其输出下一时刻的电机电流d、q轴分量的预测修正值；所述第一级调节模块包括PI调节模块和d、q轴电流查询表；所述PI调节模块，其参考输入为给定电机角速度，其负反馈输入为电机转子角速度，其输出电机转矩参考值至所述d、q轴电流查询表，所述d、q轴电流查询表输出电机电流的d、q轴分量的一级参考值；所述第二级调节模块包括第三加法模块；所述第三加法模块，其输入为：来自所述第一级调节模块的电机电流的d、q轴分量的一级参考值，以及来自所述补偿模块的电机电流d、q轴分量的补偿值的负值；其输出为电机电流的d、q轴分量的二级参考值；所述第三级调节模块包括控制量计算模型及第三变换模块；所述第三变换模块用于将电机电压d、q轴分量变换为电机电压α、β轴分量；所述控制量计算模型基于电机电压的d、q轴分量、电机电流的d、q轴分量以及电机转子角速度的函数关系建立；所述控制量计算模型，其输入包括：电机转子角速度采样值，来自所述预测修正模块的下一时刻的电机电流d、q轴分量的预测修正值，以及来自所述第二级调节模块的电机电流的d、q轴分量的二级参考值，其输出电机电压d、q轴分量预测值至所述第三变换模块；所述第三变换模块输出电机电压α、β轴分量参考值至所述空间矢量脉冲宽度调制器；所述控制量计算模型表示如下：其中：u1和u2为中间变量；其表达式如下：式中，ψf为电机永磁体磁链，Ld和Lq分别对应为电机d、q轴电感，Ts为控制周期；pn为电机极对数；ω(k)为k时刻电机转子角速度采样值；对应为第二级调节模块输出的电机电流的d、q轴分量的二级参考值；和对应为预测修正模块输出的第k+1时刻电机电流d、q轴分量的预测修正值；和对应为电机电压d、q轴分量预测值。进一步地，所述电机离散预测模型为：其中，ψf为电机永磁体磁链，Ld和Lq分别对应为电机d、q轴电感，Ts为控制周期；pn为电机极对数；ω(k)为k时刻电机转子角速度采样值；id(k)、iq(k)分别对应为k时刻电机电流的d、q轴分量采样值；ud(k)、uq(k)分别对应为k时刻电机电压的d、q轴分量采样值；为未补偿的第k+1控制周期的电流d、q轴分量的预测值。进一步地，所述第一变换模块包括第一Park变换模块。进一步地，所述第二变换模块包括第二Park变换模块。进一步地，所述第三变换模块包括Park逆变换模块和Clarke变换模块，电机电压d、q轴分量预测值依次经由所述Park逆变换模块和Clarke变换模块转换后成为电机电压α、β轴分量参考值。本专利技术还提供了一种永磁同步电机预测控制方法，该方法设有由空间矢量脉冲宽度调制器、三相桥式逆变模块、永磁同步电机以及用于采集反馈信号的信号采集模块构成的永磁同步电机控制系统，由信号采集模块采集电机转子角速度、转子位置角、电机输入侧三相电流、逆变模块的直流母线电压以及空间矢量脉冲宽度调制器输出的占空比；将采集的电机转子角速度及电机输入侧三相电流换算为电机电流d、q轴分量采样值；将采集的空间矢量脉冲宽度调制器输出的占空比及逆变模块的直流母线电压换算为电机电压的d、q轴分量采样值；该控制系统还设有用于预测空间矢量脉冲宽度调制器输出占空比的复合多级调节模块，该复合多级调节模块设有预测模块、预测补偿模块、预测修正模块以及依次连接的第一级调节模块、第二级调节模块、第三级调节模块；其中：预测模块用于对下一时刻的电机电流d、q轴分量进行初步预测；预测模块设有电机离散预测模型；电机离散预测模型，其输入当前时刻的电流d、q轴分量采样值、电机电压的d、q轴分量采样值以及电机转本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种永磁同步电机控制系统，该控制系统包括空间矢量脉冲宽度调制器、三相桥式逆变模块、永磁同步电机以及用于采集反馈信号的信号采集模块，其特征在于，所述信号采集模块采集电机转子角速度、转子位置角、电机输入侧三相电流、逆变模块的直流母线电压以及空间矢量脉冲宽度调制器输出的占空比；该控制系统还包括：用于将电机转子角速度采样值及电机输入侧三相电流采样值变换为电机电流d、q轴分量采样值的第一变换模块，用于将空间矢量脉冲宽度调制器输出的占空比采样值及逆变模块的直流母线电压采样值变换为电机电压的d、q轴分量采样值的第二变换模块，以及用于预测空间矢量脉冲宽度调制器输出占空比的复合多级调节模块；所述复合多级调节模块包括预测模块、预测补偿模块、预测修正模块以及依次连接的第一级调节模块、第二级调节模块、第三级调节模块；其中：/n所述预测模块用于对下一时刻的电机电流d、q轴分量进行初步预测；所述预测模块包括电机离散预测模型；所述电机离散预测模型，其输入包括：当前时刻的电流d、q轴分量采样值、电机电压的d、q轴分量采样值以及电机转子角速度采样值；其输出为下一时刻的电机电流d、q轴分量初级预测值；/n所述预测补偿模块用于对所述预测模块的预测值与采样值之间的误差进行补偿，其包括第一加法模块和低通滤波模块；所述第一加法模块，其输入为：来自所述第一变换模块的当前时刻的电机电流d、q轴分量采样值，以及来自所述预测模块的当前时刻的电机电流d、q轴分量初级预测值的负值；其输出电机电流d、q轴分量的预测误差值至所述低通滤波模块；所述低通滤波模块处理后输出电机电流d、q轴分量的补偿值；/n所述预测修正模块用于对所述预测模块的预测结果进行修正，其包括第二加法模块；所述第二加法模块，其输入为：来自所述预测模块的下一时刻的电机电流d、q轴分量初级预测值，以及来自所述预测补偿模块的电机电流d、q轴分量的补偿值；其输出下一时刻的电机电流d、q轴分量的预测修正值；/n所述第一级调节模块包括PI调节模块和d、q轴电流查询表；所述PI调节模块，其参考输入为给定电机角速度，其负反馈输入为电机转子角速度，其输出电机转矩参考值至所述d、q轴电流查询表，所述d、q轴电流查询表输出电机电流的d、q轴分量的一级参考值；/n所述第二级调节模块包括第三加法模块；所述第三加法模块，其输入为：来自所述第一级调节模块的电机电流的d、q轴分量的一级参考值，以及来自所述补偿模块的电机电流d、q轴分量的补偿值的负值；其输出为电机电流的d、q轴分量的二级参考值；/n所述第三级调节模块包括控制量计算模型及第三变换模块；所述第三变换模块用于将电机电压d、q轴分量变换为电机电压α、β轴分量；所述控制量计算模型基于电机电压的d、q轴分量、电机电流的d、q轴分量以及电机转子角速度的函数关系建立；所述控制量计算模型，其输入包括：电机转子角速度采样值，来自所述预测修正模块的下一时刻的电机电流d、q轴分量的预测修正值，以及来自所述第二级调节模块的电机电流的d、q轴分量的二级参考值，其输出电机电压d、q轴分量预测值至所述第三变换模块；所述第三变换模块输出电机电压α、β轴分量参考值至所述空间矢量脉冲宽度调制器；/n所述控制量计算模型表示如下：/n...

【技术特征摘要】
1.一种永磁同步电机控制系统，该控制系统包括空间矢量脉冲宽度调制器、三相桥式逆变模块、永磁同步电机以及用于采集反馈信号的信号采集模块，其特征在于，所述信号采集模块采集电机转子角速度、转子位置角、电机输入侧三相电流、逆变模块的直流母线电压以及空间矢量脉冲宽度调制器输出的占空比；该控制系统还包括：用于将电机转子角速度采样值及电机输入侧三相电流采样值变换为电机电流d、q轴分量采样值的第一变换模块，用于将空间矢量脉冲宽度调制器输出的占空比采样值及逆变模块的直流母线电压采样值变换为电机电压的d、q轴分量采样值的第二变换模块，以及用于预测空间矢量脉冲宽度调制器输出占空比的复合多级调节模块；所述复合多级调节模块包括预测模块、预测补偿模块、预测修正模块以及依次连接的第一级调节模块、第二级调节模块、第三级调节模块；其中：
所述预测模块用于对下一时刻的电机电流d、q轴分量进行初步预测；所述预测模块包括电机离散预测模型；所述电机离散预测模型，其输入包括：当前时刻的电流d、q轴分量采样值、电机电压的d、q轴分量采样值以及电机转子角速度采样值；其输出为下一时刻的电机电流d、q轴分量初级预测值；
所述预测补偿模块用于对所述预测模块的预测值与采样值之间的误差进行补偿，其包括第一加法模块和低通滤波模块；所述第一加法模块，其输入为：来自所述第一变换模块的当前时刻的电机电流d、q轴分量采样值，以及来自所述预测模块的当前时刻的电机电流d、q轴分量初级预测值的负值；其输出电机电流d、q轴分量的预测误差值至所述低通滤波模块；所述低通滤波模块处理后输出电机电流d、q轴分量的补偿值；
所述预测修正模块用于对所述预测模块的预测结果进行修正，其包括第二加法模块；所述第二加法模块，其输入为：来自所述预测模块的下一时刻的电机电流d、q轴分量初级预测值，以及来自所述预测补偿模块的电机电流d、q轴分量的补偿值；其输出下一时刻的电机电流d、q轴分量的预测修正值；
所述第一级调节模块包括PI调节模块和d、q轴电流查询表；所述PI调节模块，其参考输入为给定电机角速度，其负反馈输入为电机转子角速度，其输出电机转矩参考值至所述d、q轴电流查询表，所述d、q轴电流查询表输出电机电流的d、q轴分量的一级参考值；
所述第二级调节模块包括第三加法模块；所述第三加法模块，其输入为：来自所述第一级调节模块的电机电流的d、q轴分量的一级参考值，以及来自所述补偿模块的电机电流d、q轴分量的补偿值的负值；其输出为电机电流的d、q轴分量的二级参考值；
所述第三级调节模块包括控制量计算模型及第三变换模块；所述第三变换模块用于将电机电压d、q轴分量变换为电机电压α、β轴分量；所述控制量计算模型基于电机电压的d、q轴分量、电机电流的d、q轴分量以及电机转子角速度的函数关系建立；所述控制量计算模型，其输入包括：电机转子角速度采样值，来自所述预测修正模块的下一时刻的电机电流d、q轴分量的预测修正值，以及来自所述第二级调节模块的电机电流的d、q轴分量的二级参考值，其输出电机电压d、q轴分量预测值至所述第三变换模块；所述第三变换模块输出电机电压α、β轴分量参考值至所述空间矢量脉冲宽度调制器；
所述控制量计算模型表示如下：



其中：u1和u2为中间变量；其表达式如下：



式中，ψf为电机永磁体磁链，Ld和Lq分别对应为电机d、q轴电感，Ts为控制周期；pn为电机极对数；ω(k)为k时刻电机转子角速度采样值；对应为第二级调节模块输出的电机电流的d、q轴分量的二级参考值；和对应为预测修正模块输出的第k+1时刻电机电流d、q轴分量的预测修正值；和对应为电机电压d、q轴分量预测值。


2.根据权利要求1所述的永磁同步电机控制系统，其特征在于，所述电机离散预测模型为：



其中，ψf为电机永磁体磁链，Ld和Lq分别对应为电机d、q轴电感，Ts为控制周期；pn为电机极对数；ω(k)为k时刻电机转子角速度采样值；id(k)、iq(k)分别对应为k时刻电机电流的d、q轴分量采样值；ud(k)、uq(k)分别对应为k时刻电机电压的d、q轴分量采样值；为未补偿的第k+1控制周期的电流d、q轴分量的预测值。


3.根据权利要求1所述的永磁同步电机控制系统，其特征在于，所述第一变换模块包括第一Park变换模块。


4.根据权利要求1所述的永磁同步电机控制系统，其特征在于，所述第二变换模块包括第二Park变换模块。


5.一种利用权利要求1所述的永磁同步电机控制系统，其特征在于，所述第三变换模块包括Park逆变换模块和Clarke变换模块，电机电压d、q轴分量预测值依次经由所述P...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏长亮，孙建业，王志强，谷鑫，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：天津;12