CN106788045B - 一种永磁同步电机模型预测pi动态权重并行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机模型预测PI动态权重并行控制方法，包括以下步骤：由控制系统进行取样；计算电机参考电流q轴分量；求解电机实际电流d、q轴分量；利用电机离散预测模型，得到预测电压d、q轴分量；计算PI电压d、q轴分量；设计动态权重系数，计算参考电压d、q轴分量；采用传统七段式两电平SVPWM调制策略，在k时刻计算六路PWM脉冲的占空比，在k+1时刻输出六路PWM脉冲作用于六桥臂逆变器，进而实际输出对应参考电压作用于电机。本发明将电机电流控制过程划分为动态和稳态，分别在动态和稳态过程中依据动态权重系数平滑切换PI调节器和模型预测控制器的主导作用。

Description

一种永磁同步电机模型预测PI动态权重并行控制方法

技术领域

本发明涉及永磁同步电机控制领域，更具体的说，是涉及一种永磁同步电机模型预测PI动态权重并行控制方法。

背景技术

PI调节器结构简单、稳定可靠，目前在伺服系统中应用最为广泛。PI调节器原理上是一种线性调节器，提高PI调节器增益可以提高系统动态性能，但过大的增益会影响系统稳定性，带来超调和噪声，实际应用中很难兼顾响应的快速性和稳定性，在高性能伺服中采用PI调节器难以达到所需要的电流环动态性能。模型预测控制(Model PredictiveControl，简称MPC)已经经历了大约30年的发展，并被广泛应用于工业过程控制中(例如化学、石油等工业)，该算法利用被控对象的精确数学模型来预测未出下一控制周期应作用的电压矢量，使得理论上作用该电压矢量的一个周期后，电机电流能精确跟随指令电流值。模型预测控制能够使电机电流获得良好的动态和稳态响应，但是也存在一定的问题。由于预测控制是基于模型的控制方法，因此在控制器中需要准确地使用电机模型的电感、磁链等参数，也需要准确获得电机当前的运行状态。而在实际系统中，这些参数有些难以测量，有些会随着电机工作状态而改变。以上情况会使电流控制出现振荡或静差，电流振荡会导致电机机械振荡及驱动器过流报警，电流静差会导致驱动系统效率降低，额定转速下无法输出额定转矩及无法工作在力矩控制模式等很多问题。

发明内容

本发明为了克服现有技术中的不足，针对模型预测控制在参数不准确情况下稳态出现静差或震荡，PI调节器动态性能不足的问题，提供一种永磁同步电机模型预测PI动态权重并行控制方法，将电机电流控制过程划分为动态和稳态，分别在动态和稳态过程中依据动态权重系数平滑切换PI调节器和模型预测控制器的主导作用。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种永磁同步电机模型预测PI动态权重并行控制方法，包括以下步骤：

步骤一，在k时刻，由控制系统进行取样，包括：电机转子电角速度、转子位置角、电机ABC三相电流、直流母线电压；

步骤二，在电机参考电流d轴分量为零控制下，通过转速环PI调节器计算电机参考电流q轴分量；

步骤三，根据电机ABC三相电流，求解电机实际电流d、q轴分量；

步骤四，利用电机离散预测模型，根据k时刻上述电机转子电角速度、电机参考电流d轴和q轴分量、电机实际电流的d轴和q轴分量，得到使得预测电流在k+1时刻跟踪参考电流的预测电压d、q轴分量；

步骤五，根据k时刻电机参考电流d、q轴分量和电机实际电流的d、q轴分量，以及电流环PI控制器，计算PI电压d、q轴分量；

步骤六，以电流误差作为动态和稳态判断条件，设计动态权重系数，并根据预测电压、PI电压和动态权重系数，计算参考电压d、q轴分量；

步骤七，采用传统七段式两电平SVPWM调制策略，在k时刻根据计算出的参考电压d、q轴分量和转子位置角，计算驱动六桥臂逆变器的六路PWM脉冲的占空比，在k+1时刻输出六路PWM脉冲作用于六桥臂逆变器，进而实际输出对应参考电压作用于电机；同时在k+1时刻重复以上步骤一至步骤六，以此循环。

所述步骤二中电机参考电流d、q轴分量具体为：

其中，分别为电机参考电流d、q轴分量，为转速环PI调节器比例系数，为转速环PI调节器积分系数，ω^ref为转速参考值，ω为电机转子机械角速度。

所述步骤三中电机实际电流d、q轴分量具体求解为：

其中，i_d(k)和i_q(k)分别为电机实际电流的d、q轴分量，i_A(k)、i_B(k)和i_C(k)为电机的ABC三相电流，M_ABC/αβ为由ABC三相静止坐标系到αβ两相静止坐标系的变换矩阵，M_αβ/dq为由αβ两相静止坐标系到dq两相旋转坐标系的变换矩阵，具体表达式如下：

式中，θ(k)为k时刻d轴与α轴的夹角。

所述步骤四中预测电压d、q轴分量的按以下公式计算：

其中，分别为预测电压d、q轴分量，上标PR表示预测值，R_s为定子电阻，T_s为IGBT开关周期，同时也为系统控制周期，L_s为定子电感，L_d、L_d分别为定子电感的d、q轴分量，且在表贴式永磁同步电机中L_d＝L_q＝L_s，ω_e为电机转子电角速度，ψ_f为转子磁链。

所述步骤五中PI电压d、q轴分量按以下公式计算：

其中，分别为PI电压d、q轴分量，上标PI表示为PI控制器输出值，为电流环PI调节器比例系数，为电流环PI调节器积分系数。

所述步骤六中动态权重系数为：

且对动态权重系数K进行限幅，使得K≤1；

所述参考电压d、q轴分量按以下公式计算：

其中，分别为参考电压d、q轴分量。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

(1)本发明通过模型预测算法获得预测电压值d轴和q轴分量,为系统的动态性提升提供了参考依据；

(2)本发明通过PI控制算法获得PI电压值d轴和q轴分量,为系统的鲁棒性提供了保障；

(3)本发明通过动态权重系数对预测电压值和PI电压值的权重调整，有效的提升了系统的动态性能，同时具有较强的参数鲁棒性，稳态无静差、震荡。

附图说明

图1为三相两电平PWM整流器主电路与控制系统结构图；

图2为本发明控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对两电平PWM整流器延迟补偿控制方法做出详细说明。

两电平PWM整流器主电路及控制系统，如图1所示；图中，PI表示比例积分控制器，电机转速和位置信息由增量式编码器获得，ABC/dq表示由ABC三相坐标系转换为dq轴两相旋转坐标系的变换方程，对应以下式(2)至式(4)。

本发明的一种永磁同步电机模型预测PI动态权重并行控制方法，如图2所示，具体流程包括以下步骤：

步骤一，在k时刻，由控制系统对转速、电流等物理量进行采样，具体包括：电机转子电角速度ω_e、转子位置角θ、电机ABC三相电流i_A(k)、i_B(k)和i_C(k)、直流母线电压u_dc(k)；其中，括号内k表示第k时刻，k＝1，2，3……。

步骤二，在电机参考电流d轴分量控制下，通过转速环PI调节器计算电机参考电流q轴分量分别得到电机参考电流d、q轴分量，具体方法如下：

其中，为转速环PI调节器比例系数，为转速环PI调节器积分系数，ω^ref为转速参考值，ω为电机转子机械角速度。

步骤三，求解电机ABC三相电流i_A(k)、i_B(k)和i_C(k)的d、q轴分量，即为电机实际电流d、q轴分量，具体计算方法如下：

其中，i_d(k)和i_q(k)分别为电机实际电流的d、q轴分量，M_ABC/αβ为由ABC三相静止坐标系到αβ两相静止坐标系的变换矩阵，M_αβ/dq为由αβ两相静止坐标系到dq两相旋转坐标系的变换矩阵，具体表达式如下：

式中，θ(k)为k时刻d轴与α轴的夹角。

步骤四，利用电机离散预测模型，根据k时刻上述转子电角速度ω_e、电机参考电流d、q轴分量以及电机实际电流的d、q轴分量i_d(k)、i_q(k)，可以得到使得预测电流在k+1时刻跟踪参考电流的预测电压d、q轴分量具体计算方法如下：

其中，分别为预测电压d、q轴分量，上标PR表示预测值，R_s为定子电阻，T_s为IGBT开关周期，同时也为系统控制周期，L_s为定子电感，L_d、L_d分别为定子电感的d、q轴分量，且在表贴式永磁同步电机中L_d＝L_q＝L_s，ω_e为电机转子电角速度，ψ_f为转子磁链。

步骤五，根据k时刻电机参考电流d、q轴分量和电机实际电流的d、q轴分量i_d(k)、i_q(k)，以及电流环PI控制器，计算PI电压d、q轴分量具体计算方法如下：

其中，分别为PI电压d、q轴分量，上标PI表示为PI控制器输出值，为电流环PI调节器比例系数，为电流环PI调节器积分系数。

步骤六，以电流误差作为动态和稳态判断条件，设计动态权重系数，并根据预测电压、PI电压和动态权重系数，计算参考电压d、q轴分量.

其中，动态权重系数K具体计算方法如下：

且对动态权重系数K进行限幅，使得K≤1；

所述参考电压d、q轴分量按以下公式计算：

步骤七，采用传统七段式两电平SVPWM调制策略，在k时刻根据计算出的参考电压d、q轴分量和转子位置角θ，计算驱动六桥臂逆变器的六路PWM脉冲的占空比，在k+1时刻输出六路PWM脉冲作用于六桥臂逆变器，进而实际输出对应参考电压作用于电机。同时在k+1时刻重复以上步骤一至步骤六，以此进行循环。

尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (3)

1.一种永磁同步电机模型预测PI动态权重并行控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，在k时刻，由控制系统进行取样，包括：电机转子电角速度、转子位置角、电机ABC三相电流、直流母线电压；

步骤二，在电机参考电流d轴分量为零控制下，通过转速环PI调节器计算电机参考电流q轴分量；

步骤三，根据电机ABC三相电流，求解电机实际电流d、q轴分量；

步骤四，利用电机离散预测模型，根据k时刻上述电机转子电角速度、电机参考电流d轴和q轴分量、电机实际电流的d轴和q轴分量，得到使得预测电流在k+1时刻跟踪参考电流的预测电压d、q轴分量；

预测电压d、q轴分量的按以下公式计算：

其中，分别为预测电压d、q轴分量，上标PR表示预测值，R_s为定子电阻，T_s为IGBT开关周期，同时也为系统控制周期，L_s为定子电感，L_d、L_d分别为定子电感的d、q轴分量，且在表贴式永磁同步电机中L_d＝L_q＝L_s，ω_e为电机转子电角速度，ψ_f为转子磁链，i_d(k)、i_q(k)分别为电机实际电流的d、q轴分量，分别为电机参考电流d、q轴分量；

步骤五，根据k时刻电机参考电流d、q轴分量和电机实际电流的d、q轴分量，以及电流环PI控制器，计算PI电压d、q轴分量；

PI电压d、q轴分量按以下公式计算：

其中，分别为PI电压d、q轴分量，上标PI表示为PI控制器输出值，为电流环PI调节器比例系数，为电流环PI调节器积分系数；

步骤六，以电流误差作为动态和稳态判断条件，设计动态权重系数，并根据预测电压、PI电压和动态权重系数，计算参考电压d、q轴分量；

动态权重系数为：

且对动态权重系数K进行限幅，使得K≤1；

所述参考电压d、q轴分量按以下公式计算：

其中，分别为参考电压d、q轴分量；

步骤七，采用传统七段式两电平SVPWM调制策略，在k时刻根据计算出的参考电压d、q轴分量和转子位置角，计算驱动六桥臂逆变器的六路PWM脉冲的占空比，在k+1时刻输出六路PWM脉冲作用于六桥臂逆变器，进而实际输出对应参考电压作用于电机；同时在k+1时刻重复以上步骤一至步骤六，以此循环。

2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机模型预测PI动态权重并行控制方法，其特征在于，所述步骤二中电机参考电流d、q轴分量具体为：

其中，分别为电机参考电流d、q轴分量，为转速环PI调节器比例系数，为转速环PI调节器积分系数，ω^ref为转速参考值，ω为电机转子机械角速度。

3.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机模型预测PI动态权重并行控制方法，其特征在于，所述步骤三中电机实际电流d、q轴分量具体求解为：

其中，i_d(k)和i_q(k)分别为电机实际电流的d、q轴分量，i_A(k)、i_B(k)和i_C(k)为电机的ABC三相电流，M_ABC/αβ为由ABC三相静止坐标系到αβ两相静止坐标系的变换矩阵，M_αβ/dq为由αβ两相静止坐标系到dq两相旋转坐标系的变换矩阵，具体表达式如下：

式中，θ(k)为k时刻d轴与α轴的夹角。