一种永磁同步电机级联式无差拍控制方法及其系统技术方案

本发明专利技术公开了一种永磁同步电机级联式无差拍控制方法及其系统，属于电机控制技术领域，包括转速观测器，转速无差拍控制子系统，第一延迟器，电流分配器，电流坐标变换模块，电流无差拍控制子系统，电压坐标变换模块，脉宽调制模块。所述的转速无差拍控制子系统包括转速无差拍预测控制器，转速预测器，负载转矩观测器，第二延迟器，第三延迟器；所述的电流无差拍控制子系统包括电流无差拍控制器，电流预测器，扰动观测器，第四延迟器，第五延迟器。本发明专利技术方法将模型预测控制方法与转速环，电流环的级联结构结合，在降低系统结构复杂的同时极大改善了系统整体转速控制带宽；提高永磁同步电机预测控制系统的机械参数和电气参数鲁棒性。机预测控制系统的机械参数和电气参数鲁棒性。机预测控制系统的机械参数和电气参数鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】
一种永磁同步电机级联式无差拍控制方法及其系统


[0001]本专利技术涉及一种永磁同步电机级联式无差拍控制方法及其系统，属于电机控制


技术介绍

[0002]永磁同步电机凭借着较高的功率因数和效率，良好的控制性能，较强的能量/功率密度等优势在变速驱动，伺服驱动以及工业制造等应用场合广受欢迎。永磁同步电机的高性能控制一直是研究人员的追求目标。得益于数字控制器的广泛应用，模型预测控制方法开始被应用于永磁同步电机控制系统的转速，电流控制。
[0003]现有永磁同步电机模型预测控制系统的结构主要分为以下几类：1)无差拍预测电流控制环加上基于比例积分控制器的转速环。考虑包含逆变器和电机的数字系统模型，电流控制环采用无差拍预测控制方法尽可能提高电流环的带宽。基于比例积分控制器的转速环根据转速参考值与实际转速之间差值闭环调节得到电流参考值。与基于比例积分控制器的转速电流双环控制系统相比，该系统的电流环带宽进一步提高，控制性能得到一定提升。2)直接转速预测控制。通过将逆变器和电机视作一个整体，从而建立包含转速，电流等多目标在内的一体化预测控制模型。通过较为复杂的价值函数挑选合适开关矢量。该系统大多为离散型预测控制，开关频率不固定，价值函数中权重系数调试工程复杂费时。3)级联式无差拍预测转速电流控制。结合电机系统不同尺度下的电气时间常数和机械时间常数，该系统将转速环，电流环分开建模并得到无差拍预测转速控制器，无差拍预测电流控制器。该系统采用级联式预测控制结构降低了单个子系统的复杂度，易于控制与调试。
[0004]与传统基于误差的比例积分控制系统不同，模型预测控制依赖合适的系统模型以及准确的模型参数。永磁同步电机系统在不同工况运行时模型参数会发生变化以及数字控制系统存在一拍延时等问题给电机的模型预测控制带来了难题。研究人员针对电流环的电气参数变化提出包括广义比例积分观测器，滑模控制器等各种扰动观测器，从而提高永磁同步电机预测控制系统鲁棒性，但对于转速环机械参数(转动惯量)变化的研究目前较少。另外系统扰动通常为高阶时变形式，基于扰动观测器的预测控制系统往往由于观测器高阶形式出现较大的超调量，从而导致系统动态性能降低。在保证系统参数鲁棒性的前提下，如何实现级联式无差拍预测控制的性能提升成为永磁同步电机高性能控制以及广泛工业应用亟待解决的问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种永磁同步电机级联式无差拍控制方法及其系统，将无差拍模型预测控制方法与复合型扰动观测器相结合，综合考虑电气参数不匹配，机械参数不匹配，数字控制器一拍延时特性的影响，实现永磁同步电机高性能控制。
[0006]值得注意的是，本专利技术所说的延迟器为数字控制器的常用概念和结构，其主要特征如下，延迟器会将输入延迟一个控制周期输出，即当前时刻的输出为上一时刻的输入。
[0007]本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0008]一种永磁同步电机级联式无差拍控制系统，包括转速观测器，转速无差拍控制子系统，第一延迟器，电流分配器，电流坐标变换模块，电流无差拍控制子系统，电压坐标变换模块，脉宽调制模块。所述转速观测器的第一输入端与位置传感器的角度输出相连接，转速观测器的第二输入端与第一延迟器的输出端相连接，转速观测器的转速输出端与转速无差拍控制子系统的第一输入端相连接。所述的转速无差拍控制子系统的第二输入端为转速参考值，转速无差拍控制子系统的转矩输出不仅与第一延迟器的输出端相连接，也与电流分配器的输入端相连接。所述的电流分配器的输出端与电流无差拍控制子系统的第一输入端相连接。所述的电流无差拍控制子系统的第二输入端与电流坐标变换模块的输出端相连接，电流无差拍控制子系统的第三输入端与转速观测器的转速输出端相连接，电流无差拍控制子系统的输出端与电压坐标变换模块相连接。所述的电压坐标变换模块的输出端与脉宽调制模块的输入端相连接，电压坐标变换模块的输出端将功率器件的开关信号与永磁同步电机逆变器系统相连接。
[0009]进一步的，所述的转速无差拍控制子系统包括转速无差拍预测控制器，转速预测器，负载转矩观测器，第二延迟器，第三延迟器。所述的转速预测器的第一输入端为转速观测器的转速输出，转速预测器的第二输入端与第二延迟器的输出端相连接，转速预测器的第一输出端与转速无差拍预测控制器的第一输入端相连接，转速预测器的第二输出端与第三延迟的输入端相连接。所述的负载转矩观测器的第一输入端为转速观测器的转速输出，负载转矩观测器的第二输入端与第三延迟器的输出相连接，负载转矩观测器的输出不仅与第二延迟器的输入端相连接，也与转速无差拍预测控制器的第二输入端相连接。所述的转速无差拍预测控制器的第三输入端为转速参考值，转速无差拍预测控制器的输出与电流分配器的输入端相连接。
[0010]进一步的，所述的电流无差拍控制子系统包括电流无差拍控制器，电流预测器，扰动观测器，第四延迟器，第五延迟器。所述的电流预测器的第一输入端与电流坐标变换模块的输出端相连接，电流预测器的第二输入端与第四延迟器的输出端相连接，电流预测器的第一输出端与第五延迟器的的输入端相连接，电流预测器的第二输出端与电流无差拍控制器的第一输入端相连接。所述的扰动观测器的第一输入端与电流坐标变换模块的输出端相连接，扰动观测器的第二输入端与第五延迟器的输出端相连接，扰动观测器的输出不仅与第四延迟器的输入端相连接，也与电流无差拍控制器的第二输入端相连接。所述的电流无差拍控制器的第三输入端为电流分配器的输出端，电流无差拍控制器的输出与电压变换模块的输入端相连接。
[0011]一种永磁同步电机级联式无差拍控制系统控制系统，工作方法如下：
[0012]步骤一、采集编码器测量的角度信号，结合第一延迟器输出的转矩信号，将这两种信号送入转速观测器，经过转速观测器计算后得到转速测量值；
[0013]步骤二、设置转速参考值，将转速参考值与步骤一所得的转速测量值输入到转速无差拍控制器子系统。转速无差拍控制子系统根据电机系统运动模型设计得到转速预测器，负载转矩观测器，转速无差拍控制器。转速无差拍控制子系统经过计算得到转矩参考值，将转速参考值输入到电流分配器，第一延迟器；
[0014]步骤三、结合电机系统的运行工况以及特性，电流分配器根据步骤二所得的转矩
参考值得到永磁同步电机同步旋转坐标系下的各电流分量参考值；
[0015]步骤四、采集永磁同步电机的定子电流信号，经过坐标变换得到等效的同步旋转坐标下的定子电流反馈信号，然后送入电流无差拍控制子系统；
[0016]步骤五、电流无差拍控制子系统根据电机系统电气模型设计得到电流预测器，扰动观测器，电流无差拍控制器。电流无差拍控制器根据转速观测器的转速输出，步骤三所得的定子电流参考信号和步骤四所得的定子电流反馈信号计算得出永磁同步电机的电压参考信号，然后送入到电压坐标变换模块。
[0017]步骤六、电压坐标变换模块根据步骤五所得的电压参考信号，计算得到静止坐标下的电压参考信号。脉宽调制模块根据静止坐标下的电压参考信号本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种永磁同步电机级联式无差拍控制的方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：步骤一：将机械角度信号和转矩信号送入转速观测器，经过转速观测器计算后得到转速测量值；步骤二：通过转速参考值与步骤一所得的转速测量计算得到转矩参考值；步骤三：结合电机系统的运行工况以及特性，电流分配器根据步骤二所得的转矩参考值得到永磁同步电机同步旋转坐标系下的各电流分量参考值；步骤四：采集永磁同步电机的定子电流信号，经过坐标变换得到等效的同步旋转坐标下的定子电流反馈信号，然后送入电流无差拍控制子系统；步骤五：根据转速观测器的转速输出，步骤三所得的定子电流参考信号和步骤四所得的定子电流反馈信号计算得出永磁同步电机的电压参考信号；步骤六：根据步骤五所得的电压参考信号，计算得到静止坐标下的电压参考信号。2.一种永磁同步电机级联式无差拍控制系统，其特征在于，所述控制系统包括转速观测器，转速无差拍控制子系统，第一延迟器，电流分配器，电流坐标变换模块，电流无差拍控制子系统，电压坐标变换模块，脉宽调制模块，所述转速观测器的第一输入端与位置传感器的角度输出相连接，转速观测器的第二输入端与第一延迟器的输出端相连接，转速观测器的转速输出端与转速无差拍控制子系统的第一输入端相连接，所述转速无差拍控制子系统的第二输入端为转速参考值，转速无差拍控制子系统的转矩输出不仅与第一延迟器的输出端相连接，也与电流分配器的输入端相连接，所述电流分配器的输出端与电流无差拍控制子系统的第一输入端相连接，所述电流无差拍控制子系统的第二输入端与电流坐标变换模块的输出端相连接，电流无差拍控制子系统的第三输入端与转速观测器的转速输出端相连接，电流无差拍控制子系统的输出端与电压坐标变换模块相连接，所述电压坐标变换模块的输出端与脉宽调制模块的输入端相连接，电压坐标变换模块的输出端将功率器件的开关信号与永磁同步电机逆变器系统相连接。3.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机级联式无差拍控制的方法，其特征在于，所述转速测量值经过转速观测器计算后得到，所述转速观测器的离散形式如下：述转速测量值经过转速观测器计算后得到，所述转速观测器的离散形式如下：述转速测量值经过转速观测器计算后得到，所述转速观测器的离散形式如下：其中，T
s
为转速观测器的采样周期，k为采样时刻，电角度可以表示为θ
e...

【专利技术属性】
技术研发人员：王政，余开亮，顾珉睿，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：