一种超局部模型的永磁同步电机预测控制方法及系统技术方案

本发明专利技术提出一种超局部模型的永磁同步电机预测控制方法及系统，考虑了包括定子电流、电压相关项和总体扰动项在内的因素，减少预测过程对电机参数的依赖程度，更符合电机的实际运行工况，避免电机的实际工况变化导致参数变化进而导致控制效果降低的问题，提高电流预测的准确度；增强模型的灵活应用性，提升永磁同步电机动控制性能与鲁棒性。本发明专利技术取均值作为下一时刻预测的总体扰动项，降低算法运算量的同时，提高稳态性能的补偿精度。本发明专利技术系统根据成本函数决定电压矢量及开关状态，控制永磁同步电机的运行，进而获得永磁同步电机实时的运行变量数据，将实时的运行数据反馈至模型计算过程中，实现永磁同步电机系统性能的持续提升。升。升。

【技术实现步骤摘要】
一种超局部模型的永磁同步电机预测控制方法及系统


[0001]本专利技术涉及电机控制
，具体涉及一种超局部模型的永磁同步电机预测控制方法及系统。

技术介绍

[0002]高功率密度、高效率等优点，让永磁同步电机(permanent magnet synchronous machine，PMSM)近年来在工业控制领域得到了普遍应用。同时，随着永磁同步电机相关产业、技术的提升，永磁同步电机能够更充分的发挥高精度、高可靠性的优势，故在工控界炙手可热，其伺服系统的控制性能成为了我国重点研究内容。
[0003]先进的控制系统常需具有快速响应、超调量小、稳态误差小以及多种工况下的鲁棒性强的特性。高效的软件程序控制算法能够弥补电机自身无法避免的问题，进而使伺服系统表现出良好控制性能。电机系统具有多变量、非线性、强耦合等特点，而有限控制集模型预测控制(Finite
‑
Control
‑
Set Model Predictive Control,FCS
‑
MPC)具有简洁直观、无需调制器、多目标可协同、非线性目标容易实现等优点，因此，其在PMSM控制中获得了较多的关注，相关研究呈现上升趋势。
[0004]传统的模型预测控制依赖于电机准确数学模型，在电机运行过程中，逆变器、电机本身参数随之改变，且面对变化复杂的工况时，系统的控制精度定会受到较大影响，导致动稳态性能都有所下降。为减小参数变化以及环境扰动对模型预测控制带来的负面影响，研究人员常用基于观测器的补偿、准确的参数辨识方法来解决此类模型失配问题，不过同时也带来了额外的运算量。因此，不少研究人员从模型的建立入手，通过改变电机数学模型减少电机控制运行过程中对参数的依赖度。近年来，超局部模型因形式简单得到了广泛关注与研究，以此解决增强模型预测控制方法的模型失配问题，增强其鲁棒性。
[0005]因此，目前亟需针对永磁同步电机的控制系统，能够基于超局部模型对永磁同步电机进行精确控制，增强控制系统的控制性能。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术提供了一种超局部模型的永磁同步电机预测控制方法及系统，通过建立永磁同步电机无参数新型超局部模型，增强了永磁同步电机模型的预测控制性能。
[0007]为实现上述专利技术目的，本专利技术的技术方案为：
[0008]基于超局部模型的永磁同步电机预测控制方法，包括如下步骤：
[0009]步骤一：针对永磁同步电机，获取当前时刻k之前n个时刻的运行数据。
[0010]步骤二：根据运行数据计算永磁同步电机的d轴和q轴的电流与电压无关项。
[0011]步骤三：根据永磁同步电机的传统电压方程，构建针对电流微分进行预测的新超局部模型；新超局部模型中将参数变化带来的扰动量统一表示为总扰动量。
[0012]利用运行数据以及电流与电压无关项，对新超局部模型中的未知参数进行辨识。
[0013]步骤四：针对新超局部模型中的总扰动量进行估计，得到下一时刻的总扰动量。
[0014]步骤五：利用下一时刻的总扰动量，对新超局部模型进行补偿，基于补偿后的新超局部模型进行前向欧拉离散化，得到新电流预测模型，由此得到下一时刻的定子电流预测值。
[0015]步骤六：根据下一时刻的定子电流预测值和成本函数，得到下一时刻的永磁同步电机的电压矢量，通过对应的电压矢量控制开关状态，控制永磁同步电机的运行。
[0016]进一步的，永磁电机的运行数据包括永磁同步电机的电角速度、磁链、d轴的电流、q轴的电流、d轴的等效电感、q轴的等效电感、d轴的电压和q轴的电压。
[0017]进一步的，步骤二中，根据运行数据计算永磁同步电机的d轴和q轴的电流与电压无关项，具体为：
[0018][0019]其中，N
d
(k)为k时刻对应的d轴的电流与电压无关项，N
q
(k)为k时刻对应的q轴的电流与电压无关项，ω
e
(k)为k时刻对应的永磁同步电机电角速度；i
d
(k)、i
q
(k)分别为k时刻对应的d、q轴电流，L
d
为d轴的等效电感；为永磁同步电机的磁链。
[0020]进一步的，根据永磁同步电机的传统电压方程，构建针对电流微分进行预测的新超局部模型，具体为：
[0021]传统电压方程为：
[0022][0023]其中，R
S
为永磁同步电机的定子电阻，ψ
f
为永磁同步电机磁链；L
d
、L
q
为d轴的等效电感和q轴的等效电感，i
d
、i
q
为d轴电流和q轴电流；ω
e
为转子的电角速度；u
d
，u
q
分别为d轴和q轴的电压。
[0024]将定子电阻和磁链带来的扰动量记为总扰动量，得到新超局部模型，公式为：
[0025][0026]其中，α
d
、α
q
为常数系数矩阵，α
d
＝[α
d β
d
]，α
q
＝[α
q β
q
]；u
d
、u
q
为输入矩阵，有u
d
＝[i
d u
d
]T
，u
q
＝[i
q u
q
]T
；α
d
、α
q
为新型超局部模型输入电流i
d
、i
q
对应的未知参数；β
d
、β
q
为新型超局部模型输入电压u
d
、u
q
对应的未知参数；F
d
、F
q
为d轴的总扰动量和q轴的总扰动量。
[0027]进一步的，步骤三：利用运行数据以及电流与电压无关项，对新超局部模型中的未知参数进行辨识，具体为：
[0028]将运行数据和电流与电压无关项输入最小二乘自校正调节器，得到d轴输出量yd(k)和q轴输出量yq(k)，求出未知参数向量，yd(k)与yq(k)的公式为：
[0029][0030]其中，为d轴的回归向量，为q轴的回归向量；θ
d
＝[α
d β
d
]T
为d轴的未知参数向量，θ
q
＝[α
q β
q
]T
为q轴的未知参数向量，T
s
为采样周期。
[0031]未知参数向量的公式为：
[0032][0033]则α
d
为d轴的未知参数向量θ
d
的转置矩阵，α
q
为q轴的未知参数向量θ
q
的转置矩阵。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于超局部模型的永磁同步电机预测控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：针对永磁同步电机，获取当前时刻k之前n个时刻的运行数据；步骤二：根据所述运行数据计算所述永磁同步电机的d轴和q轴的电流与电压无关项；步骤三：根据永磁同步电机的传统电压方程，构建针对电流微分进行预测的新超局部模型；所述新超局部模型中将参数变化带来的扰动量统一表示为总扰动量；利用所述运行数据以及所述电流与电压无关项，对所述新超局部模型中的未知参数进行辨识；步骤四：针对所述新超局部模型中的总扰动量进行估计，得到下一时刻的总扰动量；步骤五：利用下一时刻的总扰动量，对所述新超局部模型进行补偿，基于补偿后的新超局部模型进行前向欧拉离散化，得到新电流预测模型，由此得到下一时刻的定子电流预测值；步骤六：根据下一时刻的定子电流预测值和成本函数，得到下一时刻的永磁同步电机的电压矢量，通过对应的电压矢量控制开关状态，控制所述永磁同步电机的运行。2.如权利要求1所述的永磁同步电机预测控制方法，其特征在于，所述永磁电机的运行数据包括永磁同步电机的电角速度、磁链、d轴的电流、q轴的电流、d轴的等效电感、q轴的等效电感、d轴的电压和q轴的电压。3.如权利要求2所述的所述永磁同步电机预测控制方法，其特征在于，所述步骤二中，根据所述运行数据计算所述永磁同步电机的d轴和q轴的电流与电压无关项，具体为：其中，N
d
(k)为k时刻对应的d轴的电流与电压无关项，N
q
(k)为k时刻对应的q轴的电流与电压无关项，ω
e
(k)为k时刻对应的永磁同步电机电角速度；i
d
(k)、i
q
(k)分别为k时刻对应的d、q轴电流，L
d
为d轴的等效电感；为永磁同步电机的磁链。4.如权利要求1或2所述的永磁同步电机预测控制方法，其特征在于，所述根据永磁同步电机的传统电压方程，构建针对电流微分进行预测的新超局部模型，具体为：传统电压方程为：其中，R
S
为永磁同步电机的定子电阻，ψ
f
为永磁同步电机磁链；L
d
、L
q
为d轴的等效电感和q轴的等效电感，i
d
、i
q
为d轴电流和q轴电流；ω
e
为转子的电角速度；u
d
，u
q
分别为d轴和q轴的电压；将定子电阻和磁链带来的扰动量记为总扰动量，得到新超局部模型，公式为：其中，α
d
、α
q
为常数系数矩阵，α
d
＝[α
d β
d
]，α
q
＝[α
q β
q
]；u
d
、u
q
为输入矩阵，有u
d
＝[i
d u
d
]
T
,u
q
＝[i
q u
q
]
T
；α
d
、α
q
为新型超局部模型输入电流i
d
、i
q
对应的未知参数；β
d
、β
q
为新型超局部模型输入电压u
d
、u
q
对应的未知参数；F
d
、F
q
为d轴的总扰动量和q轴的总扰动量。5.如权利要求1
‑
3任一所述的永磁同步电机预测控制方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈伟，杨艺，王军政，葛传余，赵江波，马立玲，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：