一种鲁棒的永磁同步电机无模型预测控制方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种鲁棒的永磁同步电机无模型预测控制方法及系统，该方法在电机数学模型基础上建立超局部模型，通过带自适应指数趋近率的自适应滑模观测器观测模型中的集总扰动，并对模型进行前馈补偿；然后结合无差拍的控制思想和一步延时补偿的方法，使用超局部模型预测得到参考电压矢量；最后根据参考电压矢量确定所处空间电压矢量六边形中的扇区，进而基于带垂直优化的过调制策略，利用扇区的两个相邻电压矢量和零矢量的占空比，得到开关控制信号用于电机控制。本发明专利技术从模型预测和调制输出两个方面改进了传统的基于超局部模型的无模型预测控制方法，不仅进一步提高了系统鲁棒性，且在过调制工况下具有优良的动态性能。且在过调制工况下具有优良的动态性能。且在过调制工况下具有优良的动态性能。

【技术实现步骤摘要】
一种鲁棒的永磁同步电机无模型预测控制方法及系统


[0001]本专利技术属于永磁同步电机电流控制
，具体涉及一种鲁棒的永磁同步电机无模型预测控制方法及系统。

技术介绍

[0002]目前，表贴式永磁同步电机(SPMSM)因其功率密度大、调速范围宽等优点被广泛应用于工业传动领域。其中，在永磁同步电机的驱动中，位于控制结构的电流环起着非常重要的作用，直接影响电机驱动系统的动态和稳态性能。目前，预测控制是一种响应迅速、概念简单、算法容易实现的控制方法，且逐渐成为永磁同步电机控制的主流方式。
[0003]然而，预测控制的动态和稳态性能严重依赖于永磁同步电机数学模型的准确性，在永磁同步电机实际工程应用中，电机参数如电阻、电感等，随温度、电磁场变化而发生变化时，会导致电机模型参数失配，继而造成电流环出现跟踪静差、控制性能下降，甚至导致系统不稳定。
[0004]无模型预测控制方法是一种不需要电机参数，能够较高效地提高系统鲁棒性的方法。如今，无模型预测控制主要有电流差值和超局部模型两种类型的方法。电流差值法是利用存储的每个电压下的电流差值进行预测，该方法存在电流尖峰以及电流更新迟滞的问题。超局部模型法利用超局部模型替代传统的电机模型，通过得到的集中扰动进行下一个周期的预测，该方法的控制性能与集中扰动观测值计算的准确精度有关。
[0005]并且随着无模型预测控制的发展，由于预测控制的等效高增益和功率转换器电压驱动的限制，预测的参考电压将在响应负载冲击时进入过调制区域，此时大部分研究所采用的SVM在过调制区域的控制效果表现不佳，然而对于过调制下的控制性能下降的问题，在基于超局部模型的无模型预测控制中鲜少被讨论。

技术实现思路

[0006]本专利技术针对现有技术的不足，即大部分现有研究所采用的SVM在过调制区域的控制效果表现不佳的技术问题，提供一种鲁棒的永磁同步电机无模型预测控制方法及系统。该方法采用滑模观测器快速低抖振地观测出扰动值，较好地提高了系统的鲁棒性；且采用改进的调制输出方式，在不影响稳态性能的基础上改善了系统在过调制下的动态性能。
[0007]本专利技术技术方案提供的一种鲁棒的永磁同步电机无模型预测控制方法，其无模型预测部分包括超局部模型和滑模观测器；调制输出部分是一种基于垂直优化的过调制策略的调制输出方法。
[0008]第一方面，本专利技术技术方案提供的所述永磁同步电机无模型预测控制方法包括：
[0009]步骤1：在采样周期内对永磁同步电机的三相电流和电压分别进行采样，并进行坐标变换得到两相dq坐标系下d轴、q轴的采样电流i
d
(k)、i
q
(k)和采样电压u
d
(k)、u
q
(k)；
[0010]步骤2：将所述d轴、q轴的采样电流i
d
(k)、i
q
(k)和d轴、q轴的所述采样电压u
d
(k)、u
q
(k)输入基于超局部模型构建的滑模观测器，观测得到下一时刻dq坐标系下的定子电流
值和集中扰动；
[0011]步骤3：将所述定子电流值和所述集中扰动代入欧拉离散化后的超局部模型得到d轴、q轴的参考电压值
[0012]步骤4：利用所述d轴、q轴的参考电压值识别参考电压矢量所处空间电压矢量六边形中的扇区，再基于带垂直优化的过调制策略，利用所处扇区的两个相邻电压矢量和零矢量的占空比，得到逆变器的开关控制信号，以实现对永磁同步电机的控制。
[0013]本专利技术技术方案提供的永磁同步电机无模型预测控制方法，用超局部模型代替永磁同步电机的传统数学模型来实现预测电流控制，并利用滑模观测器来估计参数扰动并进行反馈补偿，然后在调制输出的过程中，考虑到过调制的优化问题，在基于SVM的基础上提出带垂直优化的过调制策略，以简单的计算实现参考电压的优化调制输出，提高了在过调制区域的动态控制性能。
[0014]进一步可选地，所述带垂直优化过调制策略的内容包括：
[0015]利用所述两个相邻电压矢量和零矢量的占空比，识别参考电压矢量所在的调制区域，其中，将空间电压矢量区域分为线性调制区、过调制Ⅰ区和过调制Ⅱ区；
[0016]若所述参考电压矢量位于所述线性调制区，利用所述两个相邻电压矢量和零矢量的占空比调制产生开关控制信号；
[0017]若所述参考电压矢量位于所述过调制Ⅰ区，利用垂直法在空间电压矢量边界线上确定由两个相邻电压矢量合成的新参考电压矢量，再更新占空比及调制产生开关控制信号；
[0018]若所述参考电压矢量位于所述过调制Ⅱ区，将所述两个相邻电压矢量中距离最近的一个电压矢量作为新参考电压矢量，再更新占空比及调制产生开关控制信号。
[0019]进一步可选地，所述将空间电压矢量区域分为线性调制区、过调制Ⅰ区和过调制Ⅱ区时，对应的划分规则为：
[0020]若d1+d2≤1，所述参考电压矢量位于线性调制区；
[0021]若d1+d2＞1且|d1‑
d2|＜1，所述参考电压矢量位于过调制Ⅰ区；
[0022]若d1+d2＞1且|d1‑
d2|＞1，所述参考电压矢量位于过调制Ⅱ区；
[0023]式中，d1、d2分别表示更新后的所述两个相邻电压矢量的占空比。
[0024]进一步可选地，若所述参考电压矢量位于所述过调制Ⅰ区，根据如下公式更新占空比：
[0025][0026]若所述参考电压矢量位于所述过调制Ⅱ区，根据如下公式更新占空比：
[0027][0028]式中，d1、d2分别表示所述两个相邻电压矢量的占空比，表示参考电压矢量，u1、u2为所述两个相邻电压矢量。
[0029]进一步可选地，所述滑模观测器为基于自适应指数趋近率的滑模观测器，所述滑模观测器中的控制律为：
[0030][0031]式中，U
dsmo
和U
qsmo
表示滑模控制律，为自适应系数，k、δ均为大于0的系数，ε为大于0且小于1的系数，λ为设置的比例因子；s为滑模面，包括dq轴方向对应的滑模参数s
d
、s
q
，且定义为dq轴下的定子电流观测值与定子电流采样值之间的误差，具体表示为：
[0032][0033]其中，是dq轴的定子电流观测值，i
d
、i
q
是dq轴的定子电流采样值，e
d
、e
q
分别表示为dq轴下的定子电流观测值与定子电流采样值之间的误差，Z(e)为饱和函数，满足：
[0034][0035]进一步可选地，所述滑模观测器的观测公式表示为：
[0036][0037]其中，T
s
表示采样周期，U
dsmo
和U
qsmo
表示滑模观测器的滑模控制律，g
d
和g
q
均为控制律的增益系数，为正实数；
[0038]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种鲁棒的永磁同步电机无模型预测控制方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：在采样周期内对永磁同步电机的三相电流和电压分别进行采样，并进行坐标变换得到两相dq坐标系下d轴、q轴的采样电流i
d
(k)、i
q
(k)和采样电压u
d
(k)、u
q
(k)；步骤2：将所述d轴、q轴的采样电流i
d
(k)、i
q
(k)和d轴、q轴的采样电压u
d
(k)、u
q
(k)输入基于超局部模型构建的滑模观测器，观测得到下一时刻dq坐标系下的定子电流值和集中扰动；步骤3：将所述定子电流值和所述集中扰动代入欧拉离散化后的超局部模型得到d轴、q轴的参考电压值步骤4：利用所述d轴、q轴的参考电压值识别参考电压矢量所处空间电压矢量六边形中的扇区，再基于带垂直优化的过调制策略，利用所处扇区的两个相邻电压矢量和零矢量的占空比，得到逆变器的开关控制信号，以实现对永磁同步电机的控制。2.根据权利要求1所述的永磁同步电机无模型预测控制方法，其特征在于：所述带垂直优化过调制策略的内容包括：利用所述两个相邻电压矢量和零矢量的占空比，识别参考电压矢量所在的调制区域，其中，将空间电压矢量区域分为线性调制区、过调制Ⅰ区和过调制Ⅱ区；若所述参考电压矢量位于所述线性调制区，利用所述两个相邻电压矢量和零矢量的占空比调制产生开关控制信号；若所述参考电压矢量位于所述过调制Ⅰ区，利用垂直法在空间电压矢量边界线上确定由所述两个相邻电压矢量合成的新参考电压矢量，再更新占空比及调制产生开关控制信号；若所述参考电压矢量位于所述过调制Ⅱ区，将所述两个相邻电压矢量中距离最近的一个电压矢量作为新参考电压矢量，再更新占空比及调制产生开关控制信号。3.根据权利要求2所述的永磁同步电机无模型预测控制方法，其特征在于：所述将空间电压矢量区域分为线性调制区、过调制Ⅰ区和过调制Ⅱ区时，对应的划分规则为：若d1+d2≤1，所述参考电压矢量位于线性调制区；若d1+d2＞1且|d1‑
d2|＜1，所述参考电压矢量位于过调制Ⅰ区；若d1+d2＞1且|d1‑
d2|＞1，所述参考电压矢量位于过调制Ⅱ区；式中，d1、d2分别表示所述两个相邻电压矢量的占空比。4.根据权利要求2所述的永磁同步电机无模型预测控制方法，其特征在于：若所述参考电压矢量位于所述过调制Ⅰ区，根据如下公式更新占空比：若所述参考电压矢量位于所述过调制Ⅱ区，根据如下公式更新占空比：
式中，d1、d2、d0分别表示更新后的所述两个相邻电压矢量和零矢量的占空比，表示参考电压矢量，u1、u2为所述两个相邻电压矢量。5.根据权利要求1所述的永磁同步电机无模型预测控制方法，其特征在于：所述滑模观测器为基于自适应指数趋近率的滑模观测器，所述滑模观测器中的控制律为：式中，U
dsmo
和U
qsmo
表示滑模控制律，为自适应系数，k、δ均为大于0的系数，ε为大于0且小于1的系数，λ为设置的比例因子；s为滑模面，包括dq轴方向对应的滑模参数s
d
、s
q
，且定义为dq轴下的定子电流观测值与定子电流采样值之间的误差，具体表示为：其中，是dq轴的定子电流观测值，i
d
、i
q
是dq轴的定子电流采样值，e
d
、e
q
分别表示为d...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴轩，陈波伊，杨美周，吴婷，黄守道，黄晟，汪逸哲，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：