一种改善永磁同步电机预测控制系统性能的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种改善永磁同步电机预测控制系统性能的装置及方法，涉及永磁同步电机高性能伺服控制技术领域。装置包括整流滤波电路、IPM逆变电路、电流检测电路、电压检测电路、霍尔传感器、DSP处理器模块、IPM隔离保护驱动电路和上位机。上位机中控制程序首先对电流检测电路、电压检测电路采集的数据进行处理，通过将采集数据输入至改进滑模观测器，将输出的转子信息输送至三矢量有限集模型预测电流控制程序中，最后将以三矢量有限集模型预测电流控制为核心算法的程序，通过SCI串口总线与DSP处理器的SCI串口引脚相连接下载到DSP处理器中运行，驱动永磁同步电机运行。本发明专利技术具有明显的优势，能够产生更平滑、稳定的信号，有效改善系统性能。善系统性能。善系统性能。

【技术实现步骤摘要】
一种改善永磁同步电机预测控制系统性能的装置及方法


[0001]本专利技术涉及永磁同步电机高性能伺服控制
，尤其涉及一种改善永磁同步电机预测控制系统性能的装置及方法。

技术介绍

[0002]永磁同步电机以其较小的所占空间、较高的工作效率以及较低的消耗损失等优点使其在工业生产、电动汽车等各个行业领域被广泛应用。在实际应用的永磁同步电机伺服控制系统中，电流控制性能对于整个系统性能起关键性作用，然而由于传统永磁同步电机的比例积分控制方法在负载、转速突变等情况下的控制效果不理想，难以达到更高的要求。因此，在具有高性能、高指标要求的控制系统中，需要采用更加先进优化的控制方法。
[0003]模型预测电流控制是一种当前比较先进的非线性智能优化控制算法之一，可以实时优化控制过程及反馈校正控制结果误差，因此能使永磁同步电机达到一种动态响应速度快及精度高的预测跟踪控制效果，这使得模型预测电流控制在控制领域被高度重视，其后发展也具有重要的社会意义和价值。
[0004]有限集模型预测电流控制作为其中具有比较明显优势的控制方法，它利用逆变器输出的有限个基本电压矢量的离散独特性，遍历全部基本电压矢量所对应受控变量的预测值，通过代价优化函数以选择最优电压矢量，从而实现最优控制，算法相对简易，结构简单，容易实施。但也存在电流纹波、转矩脉动大和对于电机参数依赖性较高的问题，影响了系统性能。
[0005]对于存在电流纹波、转矩脉动大的问题，通常采用增加有效电压矢量个数、价值函数的优化设计、增加智能算法等方法进行解决，但会存在计算量过大、稳定性难以保证的问题，更需要优化的改进方式。且由于其仍是基于系统模型的控制方法，对于电机参数信息依赖性较高，尤其需要准确的电机转子信息，目前来说测量电机转子信息的主要方法是通过机械传感器。但是，机械传感器的安装和维护增加了硬件成本，尤其在高性能永磁同步电机系统中参数跟踪准确性也较低，所以在永磁同步电机预测控制系统中对无位置传感器控制技术开展研究的意义深远。
[0006]滑模观测器因其具有较强的鲁棒性被作为常用的无位置传感器，但由于传统滑模观测器的开关函数会造成系统较为严重的抖振现象，低通滤波器的使用也会造成相位滞后，所以对其进行改进也显得尤为重要。为了满足更高的需求，必须设计出更优更高标准的控制方案以改善永磁同步电机预测控制系统性能。

技术实现思路

[0007]本专利技术要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种改善永磁同步电机预测控制系统性能的装置及方法。
[0008]为解决上述技术问题，本专利技术所采取的技术方案是：
[0009]一方面，本专利技术提供一种改善永磁同步电机预测控制系统性能的装置，包括整流
滤波电路、IPM逆变电路、电流检测电路、电压检测电路、霍尔传感器、DSP处理器模块、IPM隔离保护驱动电路和上位机。
[0010]整流滤波电路的输入端与三相交流电源相连，实现从交流电到直流电的整流变化，整流滤波电路的输出端与IPM逆变电路相连；
[0011]IPM逆变电路把整流滤波电路输出的直流电逆变成所需要的交流电，交流电输出与永磁同步电动机相连；
[0012]电流检测电路的输入端口连接IPM逆变电路的输出端口，经霍尔传感器进行中间传输；电流检测电路的输出端连接DSP处理器的A/D转换接口，将采集的电流信息进行模数转换；电压检测电路采用电阻分压法进行设计采样，电压检测电路的输入端口也连接IPM逆变电路的输出端口，电压检测电路的输出端与DSP处理器A/D转换接口相连，将采集到的电压信息进行模数转换；
[0013]DSP处理器模块将检测到的电流电压值进行处理作为改进滑模观测器的输入量输送至上位机，上位机输出永磁同步电机的控制信号，DSP处理器模块根据控制信号输出将永磁同步电机进行驱动运行的PWM信号，PWM端口连接IPM逆变电路；
[0014]IPM隔离驱动保护电路，用于光电隔离并给IPM逆变电路中的六个IGBT驱动信号让其工作；
[0015]上位机中需要编写的控制程序为C语言语句，控制程序首先对电流检测电路、电压检测电路采集到的数据进行处理，然后通过将数据输入至改进滑模观测器，将输出的转子信息输送至三矢量有限集模型预测电流控制程序中，最后将编写完成的以三矢量有限集模型预测电流控制为核心算法的程序，通过SCI串口总线与DSP处理器的SCI串口引脚相连接下载到DSP处理器中运行，驱动永磁同步电机运行。
[0016]进一步地，DSP处理器模块包括DSP处理器和外围连接的模块电路，DSP处理器芯片型号为TMS320F28335，外围连接的模块电路包括电平转换电路、Fault信号采集电路、DSP晶振电路、JTAG电路和DSP复位电路；电平转换电路，用于将5V电源电压转换为电路中所需要的工作电压3.3V；Fault信号采集电路，连接DSP处理器外部中断引脚，中断程序能够修正错误；DSP晶振电路，用于为DSP处理器施加所需要的30MHz工作频率；JTAG电路，用于监测DSP处理器芯片的电气特性；复位电路，用于将整个电路重新复原至开始的状态。
[0017]进一步地，所述三矢量有限集模型预测电流控制程序包括：
[0018]建立永磁同步电动机的电流预测方程如下：
[0019][0020]式中，T
s
表示控制周期；表示当前时刻永磁同步电机定子的电流、电压采样值在dq坐标系的d、q轴的分量；表示下一时刻永磁同步电机定子电流预测值在d、q轴的分量；所述dq坐标系，将转子磁场方向作为d轴方向，与其垂直的方向作为q轴方向；
[0021]建立基于三矢量的有限集模型预测电流控制数学模型如下：
[0022]有限集模型预测电流控制需要进行对于i
d
和i
q
的8次预测过程，将这8种电压矢量对应的电流代入代价函数选取最优值，如式(5)所示，一共进行8次评价，将最优值对应的开关状态组合输送至逆变器，从而有效控制电机；
[0023][0024]式中，分别为d、q轴永磁同步电机定子的参考电流值；
[0025]识别式(5)中产生最小电流误差的有效矢量即最佳矢量V
opt
和产生第二小电流误差的有效矢量即第二最佳矢量V'
opt
，V
opt
和V'
opt
始终是相邻的矢量，用这两个矢量V
opt
、V'
opt
及零矢量V0合成下一个采样周期时间的最优电压激励；直接利用预测电流与参考电流的差值来计算电压施加时间；
[0026][0027][0028][0029]式中，
[0030]D＝E
d,0
E
q,1
‑
E
d,1
E
q,0
‑
E
d,0
E
q,2
+E
d,2
E
q,0
+E
d,1...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种改善永磁同步电机预测控制系统性能的装置，其特征在于：该装置包括整流滤波电路、IPM逆变电路、电流检测电路、电压检测电路、霍尔传感器、DSP处理器模块、IPM隔离保护驱动电路和上位机；整流滤波电路的输入端与三相交流电源相连，实现从交流电到直流电的整流变化，整流滤波电路的输出端与IPM逆变电路相连；IPM逆变电路把整流滤波电路输出的直流电逆变成所需要的交流电，交流电输出与永磁同步电动机相连；电流检测电路的输入端口连接IPM逆变电路的输出端口，经霍尔传感器进行中间传输；电流检测电路的输出端连接DSP处理器的A/D转换接口，将采集的电流信息进行模数转换；电压检测电路采用电阻分压法进行设计采样，电压检测电路的输入端口也连接IPM逆变电路的输出端口，电压检测电路的输出端与DSP处理器A/D转换接口相连，将采集到的电压信息进行模数转换；DSP处理器模块将检测到的电流电压值进行处理作为改进滑模观测器的输入量输送至上位机，上位机输出永磁同步电机的控制信号，DSP处理器模块根据控制信号输出将永磁同步电机进行驱动运行的PWM信号，PWM端口连接IPM逆变电路；IPM隔离驱动保护电路，用于光电隔离并给IPM逆变电路中的六个IGBT驱动信号让其工作；上位机中需要编写的控制程序为C语言语句，控制程序首先对电流检测电路、电压检测电路采集到的数据进行处理，然后通过将数据输入至改进滑模观测器，将输出的转子信息输送至三矢量有限集模型预测电流控制程序中，最后将编写完成的以三矢量有限集模型预测电流控制为核心算法的程序，通过SCI串口总线与DSP处理器的SCI串口引脚相连接下载到DSP处理器中运行，驱动永磁同步电机运行。2.根据权利要求1所述的改善永磁同步电机预测控制系统性能的装置，其特征在于：所述DSP处理器模块包括DSP处理器和外围连接的模块电路，DSP处理器芯片型号为TMS320F28335，外围连接的模块电路包括电平转换电路、Fault信号采集电路、DSP晶振电路、JTAG电路和DSP复位电路；电平转换电路，用于将5V电源电压转换为电路中所需要的工作电压3.3V；Fault信号采集电路，连接DSP处理器外部中断引脚，中断程序能够修正错误；DSP晶振电路，用于为DSP处理器施加所需要的30MHz工作频率；JTAG电路，用于监测DSP处理器芯片的电气特性；复位电路，用于将整个电路重新复原至开始的状态。3.根据权利要求1所述的改善永磁同步电机预测控制系统性能的装置，其特征在于：所述三矢量有限集模型预测电流控制程序包括：建立永磁同步电动机的电流预测方程如下：式中，T
s
表示控制周期；表示当前时刻永磁同步电机定子的电流、电压
采样值在dq坐标系的d、q轴的分量；表示下一时刻永磁同步电机定子电流预测值在d、q轴的分量；所述dq坐标系，将转子磁场方向作为d轴方向，与其垂直的方向作为q轴方向；然后，建立基于三矢量的有限集模型预测电流控制数学模型如下：有限集模型预测电流控制需要进行对于i
d
和i
q
的8次预测过程，将这8种电压矢量对应的电流代入代价函数选取最优值，如式(5)所示，一共进行8次评价，将最优值对应的开关状态组合输送至逆变器，从而有效控制电机；式中，分别为d、q轴永磁同步电机定子的参考电流值；识别式(5)中产生最小电流误差的有效矢量即最佳矢量V
opt
和产生第二小电流误差的有效矢量即第二最佳矢量V
′
opt
，V
opt
和V
′
opt
始终是相邻的矢量，用这两个矢量V
opt
、V
′
opt
及零矢量V0合成下一个采样周期时间的最优电压激励；直接利用预测电流与参考电流的差值来计算电压施加时间；计算电压施加时间；计算电压施加时间；式中，D＝E
d,0
E
q,1
‑
E
d,1
E
q,0
‑
E
d,0
E
q,2
+E
d,2
E
q,0
+E
d,1
E
q,2
‑
E
d,2
E
q,1 (10)式中，下角标0、1和2指的是在零矢量(V0)、最佳矢量(V
opt
)和第二最佳矢量(V
′
opt
)条件下；E
d,j
、E
q,j
分别为E
d
、E
q
在时间t
j
内的电流误差，j＝0,1,2；t0为零矢量在每一个周期内需被施加的时间，t1为最佳矢量在每一个周期内需被施加的时间，t2为第二最佳矢量在每一个周期内需被施加的时间；周期内需被施加的时间；分别为d、q轴永磁同步电机定子的参考电流值；最后，利用改进的滑模观测器进行电机转子角速度及位置的观测，将其代入至电流预测方程中，具体如下：建立αβ坐标系，永磁同步电机A相绕组轴线方向作为α轴方向，α轴滞后β轴90度；在上述αβ坐标系下的电机定子电流状态方程为：式中，u
α
、u
β
，i
α
、i
β
，E
α
、E
β
为永磁同步电机定子电压、电流、扩展反电动势在α、β轴上的分量；设计滑模观测器用来得到扩展反电动势的准确估计值
式中，为定子电流的观测值；将式(11)和式(12)做差得到：式中，为电流观测误差；设计滑模控制律为：式中，k为滑模增益系数，tanh为双曲正切函数，如式(15)所示；定义滑模面依等效控制原理得：式中，下角标eq表示等效值；采用同步参考坐标系滤波器代替传统滑模观测器中的低通滤波器，并利用锁相环获取转子位置信息。4.一种改善永磁同步电机预测控制系统性能的方法，采用权利要求1所述的改善永磁同步电机预测控制系统性能的装置实现，其特征在于：该方法包括以下步骤：步骤1：给定电机转速及负载转矩，永磁同步电机开始运动；步骤2：将永磁同步电机定子的三相电流信息通过霍尔传感器进行采集，三相电压信息经电压检测电路采集；步骤3：将步骤2采集到的数据输送至DSP处理器进行处理，通过改进滑模观测...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵希梅，马翔宇，金鸿雁，王磊，张爽，
申请(专利权)人：沈阳工业大学，
类型：发明
国别省市：