一种无轴承永磁薄片电机模型预测控制器制造技术

本发明专利技术公开一种电机控制领域中的无轴承永磁薄片电机模型预测控制器属于电机控制领域，由转矩预测控制系统和悬浮力预测控制系统组成，转矩预测控制系统包括转矩子系统预测控制器以及依次串联的PI控制器、代价函数计算模块、代价函数在线寻优模块和第一电压型逆变器，悬浮力预测控制系统包括悬浮力子系统预测控制器以及依次串联的悬浮力电压参考发生器、SVPWM调制模块和第二电压型逆变器，第一、第二电压型逆变器的输出端连接无轴承永磁薄片电机；将直接转矩控制与模型预测控制相融合，获得更好的动态性能、鲁棒性，提高了电机调速和悬浮性能；增加一个控制周期作为时间补偿，预测出k+2时刻电机参数，避免延时带来的问题。避免延时带来的问题。避免延时带来的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种无轴承永磁薄片电机模型预测控制器


[0001]本专利技术属于电机控制领域，具体是一种多变量非线性的无轴承薄片电机模型预测直接控制器，适用于无轴承薄片电机的高性能控制。

技术介绍

[0002]无轴承永磁薄片电机是一类多变量、非线性、强耦合的被控制对象，不仅继承了无轴承永磁同步电机无摩擦、无磨损、无需润滑等一些优点，而且其永磁转子的轴向长度远小于转子外径，气隙小，使得只需控制两个径向自由度就可以实现无轴承永磁薄片电机的主动悬浮控制，根据磁阻最小原理能实现3个自由度(1个轴向自由度和2个扭转自由度)被动悬浮，大大减少了控制复杂程度，在化工、制药、生物医学工程、半导体制造中具有非常广泛的使用前景。
[0003]预测控制变量是实现无轴承薄片电机模型预测直接控制的重要部分。矢量控制的基本思想以产生相同的旋转磁动势为准则，将无轴承永磁薄片电机模型等效转化为直流电机模型进行控制，但是在实际控制中往往由于电机参数变化造成控制效果变差，动态响应慢，且控制方法复杂。直接控制方法将无轴承永磁薄片电机的转矩绕组和悬浮力绕组作为两个独立的系统来考虑，分别建立数学模型，实现独立控制。这种控制方法在负载突变、转速突变等情况下无法保持良好的悬浮特性。模型预测直接控制继承了直接控制动态响应快的优点，且提高了控制精度和鲁棒性，从而大幅度提高无轴承永磁薄片电机的性能。
[0004]中国专利申请号CN201521037225.0的文献中公开了一种单绕组无轴承电机转矩和悬浮力直接控制器，其针对单绕组无轴承电机建立了由参考值计算部分和观测值计算部分组成的控制器，根据磁链幅值指令值、实时绕组转矩分量磁链幅值和相位以及实际反馈电流在转矩与悬浮力电压参考值发生器中生成电压静止坐标指令值，对转矩和转子径向悬浮力直接控制。中国专利申请号CN201610700872的文献中公开了一种无轴承永磁同步电机预测控制器及构造方法，其针对永磁同步电机搭建了预测控制器，并没有涉及直接转矩控制，控制性能不佳。

技术实现思路

[0005]1、技术目的
[0006]本专利技术的目的是提供一种既可使无轴承永磁薄片电机具有优良的动态性能，抗电机参数变化及抗负载扰动能力强，又能有效地提高无轴承永磁薄片电机的各项控制性能指标，如动态响应速度、稳态跟踪精度及参数鲁棒性的无轴承永磁薄片电机模型预测直接控制器。
[0007]2、技术方案
[0008]本专利技术所述的一种无轴承永磁薄片电机模型预测控制器采用的技术方案是：其由转矩预测控制系统和悬浮力预测控制系统组成，转矩预测控制系统包括转矩子系统预测控制器以及依次串联的PI控制器、代价函数计算模块、代价函数在线寻优模块和第一电压型
逆变器，悬浮力预测控制系统包括悬浮力子系统预测控制器以及依次串联的悬浮力电压参考发生器、SVPWM调制模块和第二电压型逆变器，第一、第二电压型逆变器的输出端连接无轴承永磁薄片电机；
[0009]电机的转矩绕组相电压u
1a
,u
1b
、相电流i
1a
,i
1b
、转子角度θ和角速度ω共同输入转矩子系统预测控制器，转矩子系统预测控制器输出k+2时刻的转矩磁链预测值ψ
s1
(k+2)、转矩预测值T
e
(k+2)、转矩绕组磁链相位角λ1(k+2)以及k+1时刻的α
‑
β坐标系下的转矩绕组电流i
1α
(k+1),i
1β
(k+1)；
[0010]所述的转矩子系统预测控制器输出端分别连接所述的代价函数计算模块和悬浮力子系统预测控制器，所述的转矩磁链预测值ψ
s1
(k+2)和转矩预测值T
e
(k+2)作为代价函数计算模块的第一和第二个输入，转矩指令值T
e*
和转矩磁链指令值ψ
s1*
作为代价函数计算模块的第三和第四个输入，代价函数计算模块输出8个代价函数值m，经代价函数寻优模块评估出最优开关状态并输入第一电压型逆变器；
[0011]所述的转矩磁链预测值ψ
s1
(k+2)、转矩绕组磁链相位角λ1(k+2)、转矩绕组电流i
1α
(k+1),i
1β
(k+1)作为悬浮力子系统预测控制器的第一至第四个输入，悬浮绕组相电压u
2a
,u
2b
和相电流i
2a
,i
2b
作为悬浮力子系统预测控制器的第五至第八个输入，
[0012]所述的悬浮力子系统预测控制器输出k+2时刻的α
‑
β坐标系下的预测悬浮力F
α
(k+2),F
β
(k+2)、k+2时刻的合成气隙磁链ψ
m
(k+2)及其相位角μ(k+2)，以及k+1时刻的α
‑
β坐标系下的转矩绕组电流i
1α
(k+1),i
1β
(k+1)；
[0013]所述的合成气隙磁链ψ
m
(k+2)及其相位角μ(k+2)以及转矩绕组电流i
1α
(k+1),i
1β
(k+1)这四个参数作为悬浮力电压参考发生器的第一至第四个输入，
[0014]电机的悬浮力指令值F
α*
和所述的预测悬浮力F
α
(k+2)做差悬浮力比较值
△
F
α
，悬浮力指令值F
β*
和所述的预测悬浮力F
β
(k+2)做差得悬浮力比较值
△
F
β
，悬浮力比较值
△
F
α
,
△
F
β
作为悬浮力电压参考发生器44的第五和第六个输入，悬浮力电压参考发生器44得到悬浮绕组相电压指令值u
2α*
,u
2β*
并输入SVPWM调制模块45。
[0015]本专利技术的优点在于：
[0016]1、本专利技术将直接转矩控制(DTC)与模型预测控制(MPC)相融合，不仅具有直接转矩控制结构简单，对电机参数的依赖性较低的优点，同时还具有了模型预测控制转矩响应快和控制精度高的特点，从而获得更好的动态性能、鲁棒性，提高了电机调速和悬浮性能。
[0017]2、本专利技术将相电压和相电流延时一个时刻，并使用预测控制器预测出k+2时刻电机参数，避免了延时带来的问题，其反馈校正具有很强的抗扰动和克服系统不确定性的能力，滚动优化中每一时刻有一个相对该时刻的局部优化性能指标，并将最优化的结果确定未来的控制作用，使模型失配、畸变、扰动等引起的不确定性及时得到弥补，从而得到较好的动态控制性能。
[0018]3、本专利技术在预测模型中增加一个控制周期作为时间补偿，避免了预测算法大量的计算时间、传感器通信和模型电路滤波等延时、以及控制器的输出总会滞后于控本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无轴承永磁薄片电机模型预测控制器，由转矩预测控制系统(21)和悬浮力预测控制系统(41)组成，其特征是：转矩预测控制系统(2)包括转矩子系统预测控制器(11)以及依次串联的PI控制器(26)、代价函数计算模块(23)、代价函数在线寻优模块(24)和第一电压型逆变器(25)，悬浮力预测控制系统(41)包括悬浮力子系统预测控制器(31)以及依次串联的悬浮力电压参考发生器(44)、SVPWM调制模块(45)和第二电压型逆变器(46)，第一、第二电压型逆变器(25、46)的输出端连接无轴承永磁薄片电机；电机的转矩绕组相电压u
1a
,u
1b
、相电流i
1a
,i
1b
、转子角度θ和角速度ω共同输入转矩子系统预测控制器(11)，转矩子系统预测控制器(11)输出k+2时刻的转矩磁链预测值ψ
s1
(k+2)、转矩预测值T
e
(k+2)、转矩绕组磁链相位角λ1(k+2)以及k+1时刻的α
‑
β坐标系下的转矩绕组电流i
1α
(k+1),i
1β
(k+1)；所述的转矩子系统预测控制器(11)输出端分别连接所述的代价函数计算模块(23)和悬浮力子系统预测控制器(31)，所述的转矩磁链预测值ψ
s1
(k+2)和转矩预测值T
e
(k+2)作为代价函数计算模块(23)的第一和第二个输入，转矩指令值T
e*
和转矩磁链指令值ψ
s1*
作为代价函数计算模块(23)的第三和第四个输入，代价函数计算模块(23)输出8个代价函数值m，经代价函数寻优模块(24)评估出最优开关状态并输入第一电压型逆变器(25)；所述的转矩磁链预测值ψ
s1
(k+2)、转矩绕组磁链相位角λ1(k+2)、转矩绕组电流i
1α
(k+1),i
1β
(k+1)作为悬浮力子系统预测控制器(31)的第一至第四个输入，悬浮绕组相电压u
2a
,u
2b
和相电流i
2a
,i
2b
作为悬浮力子系统预测控制器(31)的第五至第八个输入，所述的悬浮力子系统预测控制器(31)输出k+2时刻的α
‑
β坐标系下的预测悬浮力F
α
(k+2),F
β
(k+2)、k+2时刻的合成气隙磁链ψ
m
(k+2)及其相位角μ(k+2)，以及k+1时刻的α
‑
β坐标系下的转矩绕组电流i
1α
(k+1),i
1β
(k+1)；所述的合成气隙磁链ψ
m
(k+2)及其相位角μ(k+2)以及转矩绕组电流i
1α
(k+1),i
1β
(k+1)这四个参数作为悬浮力电压参考发生器(44)的第一至第四个输入；电机的悬浮力指令值F
α*
和所述的预测悬浮力F
α
(k+2)做差悬浮力比较值
△
F
α
，悬浮力指令值F
β*
和所述的预测悬浮力F
β
(k+2)做差得悬浮力比较值
△
F
β
，悬浮力比较值
△
F
α
,
△
F
β
作为悬浮力电压参考发生器(44)的第五和第六个输入，悬浮力电压参考发生器(44)得到悬浮绕组相电压指令值u
2α*
,u
2β*
并输入SVPWM调制模块(45)。2.根据权利要求1所述的一种无轴承永磁薄片电机模型预测控制器，其特征是：所述的转矩子系统预测控制器(11)包括依次串联的第一3s/2s变换模块(12)、第一延时补偿器(13)、转矩绕组磁链观测器(14)和转矩绕组磁链预测模块(15)，还包括依次串联的第二延时补偿器(16)、电流预测模块(17)和转矩预测模块(18)；转矩绕组相电压、相电流u
1a
,u
1b
,i
1a
,i
1b
经第一3s/2s变换模块(12)变换得到α
‑
β坐标系下k时刻的转矩绕组相电压u
1α
(k),u
1β
(k)和相电流i
1α
(k),i
1β
(k)，再经第一延时补偿器(13)得到k+1时刻的转矩绕组相电压u
1α
(k+1),u
1β
(k+1)和相电流i
1α
(k+1),i
1β
(k+1)，转矩绕组相电流i
1α
(k+1),i
1β
(k+1)直接输入到悬浮力电压参考发生器(44)中，转矩绕组相电压u
1α
(k+1),u
1β
(k+1)和相电流i
1α
(k+1),i
1β
(k+1)共同输入到转矩绕组磁链观测器(14)，转矩绕组磁链观测器(14)获得k+1时刻的转矩绕组定子磁链ψ
s1α
(k+1),ψ
s1β
(k+1)；转矩绕组定子磁链ψ
s1α
(k+1),ψ
s1β
(k+1)、转矩绕组相电压u
1α
(k+1),u
1β
(k+1)与电流预测模块(17)输出的转矩绕组相电流i
1α
(k+2),i
1β
(k+2)共同输入转矩绕组磁链预测模块(15)，转矩绕组磁链预测模块(15)获得k+2时刻的转矩绕组定子...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱熀秋，黎昱材，李睿宸，孙闯，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：