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永磁同步电机的强鲁棒性模型预测控制方法及系统技术方案

技术编号:30171004 阅读:5 留言:0更新日期:2021-09-25 15:29
本发明专利技术涉及永磁同步电机控制技术领域,公开一种永磁同步电机的强鲁棒性模型预测控制方法及系统,以实现永磁同步电机强鲁棒电流控制。方法包括:构建永磁同步电机的有限集预测模型;构建基于二阶滑模变结构的永磁同步电机扰动观测器;利用扰动观测器获得扰动观测值,构造扰动控制器,计算dq轴补偿电压;根据dq轴补偿电压,构造出逆变器各开关状态下含有补偿电压的dq轴控制电压;构建强鲁棒性模型预测控制的目标函数,选取令目标函数值最小的逆变器桥臂上的开关状态作为该逆变器当前周期的开关控制输出,来抑制永磁同步电机中存在的扰动。动。动。

【技术实现步骤摘要】
永磁同步电机的强鲁棒性模型预测控制方法及系统


[0001]本专利技术涉及永磁同步电机控制
,尤其涉及一种永磁同步电机的强鲁棒性模型预测控制方法及系统。

技术介绍

[0002]近年来,由于内嵌式永磁同步电机具有功率因数高、效率高和可靠性高等优点,被广泛应用于工业领域,如数控机床、家用电器、地铁和高速铁路牵引系统等。相对于传统的永磁同步电机驱动控制算法,如基于比例积分(PI)的矢量控制和直接转矩控制等,20世纪70年代发展起来的模型预测控制具有很强的约束处理能力,遵循最优控制原理。此外,由于模型预测控制方法不存在积分饱和的风险,容易满足控制性能、安全性和可靠性的要求,它成为了一个具有竞争力的电机控制方案。目前,模型预测控制在机械传动系统中可以实现多种功能,如转矩控制、磁链与功率控制、调速电流控制等。根据模型预测控制的实现过程,还可以分为连续控制集模型预测控制和有限控制集模型预测控制两类。相比之下,有限集模型预测控制不使用调制器产生控制脉冲的策略,可以大大降低计算复杂度。此外,由于其算法实现简单,不需要工程人员掌握太多深入的专业知识,非常适合工业实际应用。
[0003]模型预测控制在永磁同步电机驱动中普遍存在的问题是参数失配,而这种现象是不可避免的。为了提高模型预测控制对参数失配的鲁棒性,目前已有两种不同的解决方法。第一种,是将参数不匹配引起的预测误差值视为扰动,然后利用扰动观测器观测并对其进行补偿;第二种,将参数在线识别技术引入模型预测控制中,直接解决电机参数不匹配的问题。相比之下,扰动观测器不仅能检测到由参数失配引起的一般扰动,还能检测到系统的非线性甚至外部干扰,优势更加明显,因此受到越来越多的关注。一些基于滑模扰动观测器的直接补偿参数失配的解决方法,由于没有采用扰动控制器,仅适用于小参数失配的应用场合。
[0004]目前,针对永磁同步电机控制系统的,带有扰动控制器的基于滑模扰动观测器的直接补偿参数失配方案还不多见。因此,急需一种永磁同步电机的强鲁棒性模型预测控制方法,以提高永磁同步电机控制系统鲁棒性,实时消除由参数失配引起的预测误差,实现永磁同步电机强鲁棒电流控制,具有重要理论研究价值和工程应用潜力。

技术实现思路

[0005]受工作环境影响,当采用模型预测控制驱动永磁同步电机运行时,电机参数不是一成不变的,这样的参数失配情况会给预测模型带来误差,影响电机最优矢量的选取,使得控制不能达到预期的性能,严重时影响整个电机控制系统的安全。为解决现有问题,提高控制系统鲁棒性,实时消除由参数失配引起的预测误差,本专利技术提出一种永磁同步电机的强鲁棒性模型预测控制方法及系统。
[0006]为达上述目的,本专利技术公开一种永磁同步电机的强鲁棒性模型预测控制方法,包括:
[0007]步骤S1:构建永磁同步电机的有限集预测模型;
[0008]步骤S2:构建基于二阶滑模变结构的永磁同步电机扰动观测器;
[0009]步骤S3:利用观测器获得扰动观测值;构造扰动控制器,计算dq轴补偿电压;
[0010]步骤S4:根据dq轴补偿电压,构造出逆变器各开关状态下含有补偿电压的dq轴控制电压;
[0011]步骤S5:构建强鲁棒性模型预测控制的目标函数,选取令目标函数值最小的逆变器桥臂上的开关状态作为该逆变器当前周期的开关控制输出,来抑制永磁同步电机中存在的扰动。
[0012]优选地,所述永磁同步电机的强鲁棒性模型预测控制方法,所述永磁同步电机的有限集预测模型为电机dq轴定子电流预测模型。
[0013]优选地,所述步骤S1具体包括以下步骤:
[0014]构建永磁同步电机的有限集预测模型,其表达式为:
[0015][0016]式中,L
d_mea
、L
q_mea
为测量出的d、q轴电感值,R
s_mea
为测量出的定子绕组电阻,Ψ
f
为永磁体磁链,p为电机极对数,i
d
(k)、i
q
(k)为k时刻的d、q轴电流值,u
d
(k)、u
q
(k)为k时刻的d、q轴电压值,ω
m
(k)为k时刻电机转速,T为采样时间,i
d
(k+1)、i
q
(k+1)为估算得到的k+1时刻的d、q轴预测电流值。
[0017]优选地,所述步骤S2具体包括以下步骤:
[0018]构造基于二阶滑模变结构的永磁同步电机扰动观测器,其表达式为:
[0019][0020][0021]式中,f
d
(k)、f
q
(k)为k时刻获得的d、q轴扰动观测值,为k时刻估算出的d、q轴电流值,j=0,1,2,

,k,sign(x)为符号函数,λ1和λ2为滑模系数,为保证扰动观测器的稳定性,λ1和λ2的选取应满足下式:
[0022][0023]其中,max为取最大值,min为取最小值。
[0024]优选地,所述步骤S3具体包括以下步骤:
[0025]利用扰动观测器获得k时刻扰动观测值f
d
(k)和f
q
(k);构造d、q轴上的扰动控制器(PI控制器),计算dq轴补偿电压,表示为:
[0026][0027][0028]式中,u
d_com
(k)、u
q_com
(k)为k时刻d、q轴的补偿电压,u
d_com
(k

1)、u
q_com
(k

1)为k

1时刻d、q轴的补偿电压,初始值均为0;f
d_err
(k)、f
q_err
(k)为k时刻d、q轴的跟踪误差,k
p_d
和k
i_d
为d轴上扰动控制器(PI控制器)的两个参数,k
p_q
和k
i_q
为q轴上扰动控制器(PI控制器)的两个参数,为了使系统稳定,k
p_d
、k
i_d
、k
p_q
和k
i_q
需要满足以下条件:
[0029][0030]优选地,所述步骤S4具体包括以下步骤:
[0031]S41:逆变器在k时刻控制操作可能的开关状态共K组,记第m组开关状态为S
m
,其控制电压表达式为:
[0032][0033]式中,u
unm
、u
vnm
和u
wnm
分别为逆变器第m组开关状态S
m
下的三相相电压,θ(k)为k时刻转子位置角,u
dm
(k)、u
qm
(k)为k时刻逆变器第m组开关状态S
m
下的d、q轴控制电压值;m=1,2,...,K。
[0034]S42:构建补偿后的逆本文档来自技高网
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种永磁同步电机的强鲁棒性模型预测控制方法,其特征在于,包括:步骤S1:构建永磁同步电机的有限集预测模型;步骤S2:构建基于二阶滑模变结构的永磁同步电机扰动观测器;步骤S3:利用观测器获得扰动观测值;构造扰动控制器,计算dq轴补偿电压;步骤S4:根据dq轴补偿电压,构造出逆变器各开关状态下含有补偿电压的dq轴控制电压;步骤S5:构建强鲁棒性模型预测控制的目标函数,选取令目标函数值最小的逆变器桥臂上的开关状态作为该逆变器当前周期的开关控制输出,以抑制永磁同步电机中存在的扰动。2.根据权利要求1所述的永磁同步电机的强鲁棒性模型预测控制方法,其特征在于,所述永磁同步电机的有限集预测模型为电机dq轴定子电流预测模型。3.根据权利要求1或2所述的永磁同步电机的强鲁棒性模型预测控制方法,其特征在于,所述步骤S1具体包括以下步骤:构建永磁同步电机的有限集预测模型,其表达式为:式中,L
d_mea
、L
q_mea
为测量出的d、q轴电感值,R
s_mea
为测量出的定子绕组电阻,Ψ
f
为永磁体磁链,p为电机极对数,i
d
(k)、i
q
(k)为k时刻的d、q轴电流值,u
d
(k)、u
q
(k)为k时刻的d、q轴电压值,ω
m
(k)为k时刻电机转速,T为采样时间,i
d
(k+1)、i
q
(k+1)为估算得到的k+1时刻的d、q轴预测电流值。4.根据权利要求3所述的永磁同步电机的强鲁棒性模型预测控制方法,其特征在于,所述步骤S2具体包括以下步骤:构造基于二阶滑模变结构的永磁同步电机扰动观测器,其表达式为:构造基于二阶滑模变结构的永磁同步电机扰动观测器,其表达式为:式中,f
d
(k)、f
q
(k)为k时刻获得的d、q轴扰动观测值,为k时刻估算出的d、q轴电流值,j=0,1,2,

,k,sign(x)为符号函数,λ1和λ2为滑模系数,且λ1和λ2的选取满足下式:
其中,max为取最大值,min为取最小值。5.根据权利要求4所述的永磁同步电机的强鲁棒性模型预测控制方法,其特征在于,所述步骤S3具体包括以下步骤:利用扰动观测器获得k时刻扰动观测值f
d
(k)和f
q
(k);构造d、q轴上的扰动控制器,计算dq轴补偿电压,表示为:为:式中,u
d_com
(k)、u
q_com
(k)为k时刻d、q轴的补偿电压,u
d_com
(k

1)、u
q_com
(k

1)为k

1时刻d、q轴的补偿电压,初始值...

【专利技术属性】
技术研发人员:桂卫华高锦秋杨超陶宏伟彭涛殷士才戴柳祥阳春华陈志文樊欣宇
申请(专利权)人:中南大学
类型:发明
国别省市:

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