CN108923709A - 一种永磁同步电机的级联鲁棒容错预测控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机的级联鲁棒容错预测控制方法，方法实施步骤包括获取永磁同步电机的转速、电压、电流，设计故障检测积分终端滑模观测器获取故障项的观测值；设计鲁棒容错预测转速控制器，根据给定转速、响应转速、故障项观测值来计算q轴指令电流；设计鲁棒容错预测电流控制器，根据给定电流、响应电流、故障项观测值来计算指令电压，经逆Park变换、SVPWM模块调制生成PWM脉冲信号，从而驱动永磁同步电机工作。本发明实现了永磁同步电机的转速与电流快速鲁棒无静差地跟踪，提高了永磁同步电机的控制精度及其运行的可靠性。本发明有利于拓展永磁同步电机在环境恶劣、可靠性要求高的场合的应用。

Description

一种永磁同步电机的级联鲁棒容错预测控制方法

技术领域

本发明涉及永磁同步电机的控制技术，具体涉及一种永磁同步电机的级联鲁棒容错预测控制方法。

背景技术

永磁同步电机因具有结构简单、效率高、故障率低等优点得到了广泛地运用。人们对永磁同步电机的控制性能也提出了更高的要求。矢量控制是永磁同步电机高性能控制最常采用的方法，而转速环与电流环的控制是其关键。传统转速环与电流环的控制器为PI控制器，它以简易性、鲁棒性等优点广泛应用于永磁交流电机驱动。但是PI控制器存在以下缺点，第一，PI控制器的参数设置只对应于某一特定的工作范围。因此，当电机的工作状态发生变化时，PI控制器的控制效果不能达到最佳。第二，永磁同步电机系统是一个具有参数变化的非线性系统，而且存在永磁体退磁的风险。为此，PI控制器难以在永磁同步电机的整个运行范围内获得令人满意的动态性能。

近年来随着微处理器运算速度及性能的不断提高，使得在一个控制周期内能够实现较为复杂的控制算法。因此，预测控制因具有结构简单、动态响应快和控制精度高等优点得到了广泛的关注和研究。虽然预测控制具有众多优点，但是预测控制容易受电机系统参数变化的影响。永磁同步电机运行过程中参数的摄动以及永磁体退磁，将会降低永磁同步电机的控制精度以及会影响其运行的可靠性。

发明内容

针对现有技术的上述问题，本发明提供一种永磁同步电机的级联鲁棒容错预测控制方法。本发明实现了鲁棒容错预测转速控制与鲁棒容错预测电流控制的一体化设计。避免了传统PI控制器的使用，提升了永磁同步电机控制的效果。此外，本发明消除了参数摄动和永磁体失磁对永磁同步电机控制造成的影响，提高了永磁同步电机的控制精度及其运行的可靠性。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

本发明提供一种永磁同步电机的级联鲁棒容错预测控制方法，其特征在于实施步骤包括：

1)获取永磁同步电机的转速ω及d轴电压u_d、q轴电压u_q、d轴电流i_d以及q轴电流i_q；

2)设计故障检测积分终端滑模观测器，将转速ω及d轴电压u_d、q轴电压u_q、d轴电流i_d以及q轴电流i_q输入故障检测积分终端滑模观测器中得到故障项的观测值

3)设计鲁棒容错预测转速控制器，并根据参考转速ω^ref、故障检测积分终端滑模观测器中得到故障项的观测值和响应转速ω进行鲁棒容错预测转速控制计算q轴指令电流

4)设计鲁棒容错预测电流控制器，设定d轴指令电流为0，并根据d轴指令电流q轴指令电流d轴电流q轴电流故障检测积分终端滑模观测器中得到故障项的观测值进行鲁棒容错预测电流控制计算d轴指令电压和q轴指令电压

5)将d轴指令电压和q轴指令电压经逆Park变换后获得两相静止坐标系下的α相指令电压u_α和β相指令电压u_β；

6)将两相静止坐标系下的α相指令电压u_α和β相指令电压u_β经SVPWM模块调制后生成用于驱动永磁同步电机工作的6路PWM脉冲信号。

优选地，步骤2)的详细步骤包括：

2.1)建立如式(1)所示的参数摄动和永磁体失磁故障情况下的永磁同步电机状态方程；

式(1)中，x为d轴电流和q轴电流组成的矢量，为矩阵x的积分，u为d轴电压和q轴电压组成的矩阵，f_ψ为磁链项，为故障项；A,B,D,G为状态方程系数项；具体函数表达式如下：

δ_ω＝-1.5n_pΔψ_rdi_q+T_L

其中，u_d为d轴电压，u_q为q轴电压，i_d为d轴电流，i_q为q轴电流，ψ_ro为永磁体磁链，Δψ_rd为永磁体失磁后的磁链变量，R_o为实际定子电阻值，L_do为实际d轴电感值，L_qo为实际q轴电感值，ΔR为电阻参数摄动值，ΔL_d为d轴电感参数摄动值，ΔL_q为q轴电感参数摄动值，ω为永磁同步电机的转速，B为阻力摩擦系数，J为转动惯量，n_p为极对数，T_L为负载转矩，δ_d、δ_q、δ_ω为参数摄动和永磁体失磁引起的故障项。

2.2)选取如式(2)所示的积分终端滑模面；

式(2)中，s_o＝[s_od s_oq s_oω]^T为积分终端滑模面，λ为大于0的参数，sgn(·)为符号函数，τ和t为时间，

2.3)设计如式(3)所示的积分终端滑模观测器

式(3)中，为x的观测值，U_o＝[U_od U_oq U_oω]^T为滑模控制律；

2.4)设计如式(4)所示的滑模控制律；

U_o＝Ae_o+λsgn(e_o)+ks_o+k_ssgn(s_o) (4)

式(4)中，和分别为大于0的待设计矩阵；

2.5)为防止滑模观测器出现斗振的现象，设计如下符号函数

2.6)求解如式(6)所示的参数摄动和永磁体失磁情况下的故障项观测值

优选地，步骤3)中计算q轴指令电流的函数表达式如式(7)所示；

式(8)中，为q轴指令电流，T_d为采样周期，e_ω＝ω^ref-ω，ω^ref为转速指令值。

优选地，步骤4)中计算d轴指令电压和q轴指令电压如式(8)所示；

式(8)中，分别为d轴指令电流和q轴指令电流， 分别为d轴指令电压和q轴指令电压。

本发明一种永磁同步电机的级联鲁棒容错预测控制方法具有下述优点：

1)针对常规PI控制器并不能满足高性能控制的要求，本发明实现了鲁棒容错预测转速控制与鲁棒容错预测电流控制的一体化设计。避免了传统PI控制器的使用，提升了永磁同步电机控制的效果。

2)针对永磁同步电机运行过程中存在参数摄动和永磁体失磁的问题，本发明消除了参数摄动和永磁体失磁对永磁同步电机控制造成的影响，提高了永磁同步电机的控制精度及其运行的可靠性。

3)本发明鲁棒容错预测转速控制与鲁棒容错预测电流控制的最优控制律，无需引入加权因子，为此有效地避免了权重因子的整定工作，易于实现。

附图说明

图1为本发明实施例方法的基本流程示意图。

图2为本发明实施例方法的控制原理示意图。

图3为本发明实施例装置的框架结构示意图。

图4为应用本发明实施例方法/装置的控制系统结构示意图。

图5为采用鲁棒容错预测控制算法时负载跳变情况下转速实验示意图；

图6为采用鲁棒容错预测控制算法时电感参数摄动情况下电流控制性能实验示意图；

图7为采用鲁棒容错预测控制算法时电感参数摄动情况下转矩控制性能实验示意图；

图8为采用鲁棒容错预测控制算法时永磁体失磁情况下转速实验示意图；

图9为采用鲁棒容错预测控制算法时永磁体失磁情况下电流控制性能实验示意图；

图10为采用鲁棒容错预测控制算法时永磁体失磁情况下转矩控制性能实验示意图；

具体实施方式

如图1和图2所示，本实施例一种永磁同步电机的级联鲁棒容错预测控制方法的实施步骤包括：

步骤1)获取永磁同步电机的转速ω及d轴电压u_d、q轴电压u_q、d轴电流i_d以及q轴电流i_q；

步骤2)设计故障检测积分终端滑模观测器，将转速ω及d轴电压u_d、q轴电压u_q、d轴电流i_d以及q轴电流i_q输入故障检测积分终端滑模观测器中得到故障项的观测值

步骤2)的详细步骤包括：

2.1)建立如式(1)所示的参数摄动和永磁体失磁故障情况下的永磁同步电机状态方程；

式(1)中，x为d轴电流和q轴电流组成的矢量，为矩阵x的积分，u为d轴电压和q轴电压组成的矩阵，f_ψ为磁链项，为故障项；A,B,D,G为状态方程系数项；具体函数表达式如下：

δ_ω＝-1.5n_pΔψ_rdi_q+T_L

其中，u_d为d轴电压，u_q为q轴电压，i_d为d轴电流，i_q为q轴电流，ψ_ro为永磁体磁链，Δψ_rd为永磁体失磁后的磁链变量，R_o为实际定子电阻值，L_do为实际d轴电感值，L_qo为实际q轴电感值，ΔR为电阻参数摄动值，ΔL_d为d轴电感参数摄动值，ΔL_q为q轴电感参数摄动值，ω为永磁同步电机的转速，B为阻力摩擦系数，J为转动惯量，n_p为极对数，T_L为负载转矩，δ_d、δ_q、δ_ω为参数摄动和永磁体失磁引起的故障项。

2.2)选取如式(2)所示的积分终端滑模面；

式(2)中，s_o＝[s_od s_oq s_oω]^T为积分终端滑模面，λ为大于0的参数，sgn(·)为符号函数，τ和t为时间，

2.3)设计如式(3)所示的积分终端滑模观测器

式(3)中，为x的观测值，U_o＝[U_od U_oq U_oω]^T为滑模控制律；

2.4)设计如式(4)所示的滑模控制律；

U_o＝Ae_o+λsgn(e_o)+ks_o+k_ssgn(s_o) (4)

式(4)中，和分别为大于0的待设计矩阵；

2.5)为防止滑模观测器出现斗振的现象，设计如下符号函数

2.6)求解如式(6)所示的参数摄动和永磁体失磁情况下的故障项观测值

步骤3)设计鲁棒容错预测转速控制器，并根据参考转速ω^ref、故障检测积分终端滑模观测器中得到故障项的观测值和响应转速ω进行鲁棒容错预测转速控制计算q轴指令电流

步骤3)中计算q轴指令电流的函数表达式如式(7)所示；

式(8)中，为q轴指令电流，T_d为采样周期，e_ω＝ω^ref-ω，ω^ref为转速指令值。

步骤4)设计鲁棒容错预测电流控制器，设定d轴指令电流为0，并根据d轴指令电流q轴指令电流d轴电流 _q轴电流故障检测积分终端滑模观测器中得到故障项的观测值进行鲁棒容错预测电流控制计算d轴指令电压和q轴指令电压

步骤4)中计算d轴指令电压和q轴指令电压如式(8)所示；

式(8)中，分别为d轴指令电流和q轴指令电流， 分别为d轴指令电压和_q轴指令电压。

步骤5)将d轴指令电压和_q轴指令电压经逆Park变换后获得两相静止坐标系下的α相指令电压u_α和β相指令电压u_β；

步骤6)将两相静止坐标系下的α相指令电压u_α和β相指令电压u_β经SVPWM模块调制后生成用于驱动永磁同步电机工作的6路PWM脉冲信号。

本实施例一种永磁同步电机的级联鲁棒容错预测控制方法具体是通过计算机程序来实现的，如图3所示，本实施例通过前述计算机程序实现的装置包括:光电编码器、信号采集模块、保护调理电路、故障检测模块、鲁棒容错预测转速控制模块、鲁棒容错预测电流控制模块、指令电压坐标变换程序单元、SVPWM调制程序单元；所述保护调理电路的输入端与光电编码器的输出端和信号采集模块的输出端链接；故障检测模块的输入端与调理电路的输出端链接；故障检测模块的输出端分别与鲁棒容错预测转速控制模块的输入端和鲁棒容错预测电流控制模块的输出端链接；鲁棒容错预测转速控制模块的输出端与鲁棒容错预测电流控制模块的输入端链接；鲁棒容错预测电流控制模块的输出端与指令电压坐标变换程序单元的输入端链接；指令电压坐标变换程序单元的输出端与SVPWM调制程序单元的输入端链接。

所述装置特征在于：

光电编码器，用于获取永磁同步电机的转速ω；

信号采集模块，用于获取d轴电压u_d、q轴电压u_q、d轴电流i_d以及q轴电流i_q；

保护调理电路，用于接收光电编码器、信号采集模块输出的电机转速、转子的位置、定子电流、定子电压，并对接收的信号进行调理保护。

故障检测模块，用于设计故障检测积分终端滑模观测器，将转速ω及d轴电压u_d、q轴电压u_q、d轴电流i_d及q轴电流i_q输入故障检测积分终端滑模观测器中得到故障项的观测值

鲁棒容错预测转速控制模块，用于根据参考转速ω^ref、故障检测积分终端滑模观测器中得到故障项估计值和响应转速ω进行鲁棒容错预测转速控制计算q轴指令电流

鲁棒容错预测电流控制模块，用于根据参考d轴指令电流q轴指令电流d轴响应电流i_d、q轴响应电流i_q、故障检测积分终端滑模观测器中得到故障项的观测值进行鲁棒容错预测电流控制计算d轴指令电压和_q轴指令电压

指令电压坐标变换程序单元，用于将d轴指令电压和q轴指令电压经逆Park变换后获得两相静止坐标系下的α相指令电压u_α和β相指令电压u_β；

SVPWM调制程序单元，用于将两相静止坐标系下的α相指令电压u_α和β相指令电压u_β经SVPWM模块调制后生成用于驱动永磁同步电机工作的6路PWM脉冲信号。

如图4所示，应用本实施例一种永磁同步电机的级联鲁棒容错预测控制方法的系统包括永磁同步电机、信号采集模块、光电编码器、保护调理电路、DSP数字控制器、隔离保护驱动电路和布置于永磁同步电机输出回路上的逆变器主电路。其中，光电编码器用于检测并获取电机的转速与转子的位置，并将获取的转速与转子的位置发送给保护调理电路；信号采集模块用于检测并获取电机的定子电流、定子电压，并将获取的定子电流、定子电压发送给保护调理电路；保护调理电路，用于接收光电编码器、信号采集模块输出的电机转速、转子的位置、定子电流、定子电压，并对接收的信号进行调理保护。DSP数字控制器即为应用本实施例永磁同步电机的级联鲁棒容错预测控制方法的物理设备，其通过数据采集程序单元向保护调理电路获取永磁同步电机的转速ω及d轴电压u_d、q轴电压u_q、d轴电流i_d以及q轴电流i_q，最终通过SVPWM调制程序单元生成用于驱动永磁同步电机工作的6路PWM脉冲信号，并通过隔离保护驱动电路控制布置于永磁同步电机输出回路上的逆变器主电路，驱动逆变器主电路的六个开关管动作。

图5为采用鲁棒容错预测控制算法时负载跳变情况下转速实验示意图，由图可知，在负载突变情况下，采用本发明提出的鲁棒容错预测控制算法能很好的抑制转矩的脉动；图6为采用鲁棒容错预测控制算法时电感参数摄动情况下电流控制性能实验示意图，由图可知，电感参数摄动时，采用本发明提出的鲁棒容错预测控制算法能实现电流快速精确地跟踪；图7为采用鲁棒容错预测控制算法时电感参数摄动情况下转矩控制性能实验示意图，由图可知，电感参数摄动时，采用本发明提出的鲁棒容错预测控制算法能实现转矩快速精确地跟踪；图8为采用鲁棒容错预测控制算法时永磁体失磁情况下转速实验示意图，由图可知，在永磁体失磁情况下，采用本发明提出的鲁棒容错预测控制算法能很好的抑制转矩的脉动；图9为采用鲁棒容错预测控制算法时永磁体失磁情况下电流控制性能实验示意图，由图可知，永磁体失磁情况下，采用本发明提出的鲁棒容错预测控制算法能实现电流快速精确地跟踪；图10为采用鲁棒容错预测控制算法时永磁体失磁情况下转矩控制性能实验示意图，由图可知，永磁体失磁情况下，采用本发明提出的鲁棒容错预测控制算法能实现转矩快速精确地跟踪；

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种永磁同步电机的级联鲁棒容错预测控制方法，其特征在于,包括如下步骤：

1)获取永磁同步电机的转速ω及d轴电压u_d、q轴电压u_q、d轴电流i_d以及q轴电流i_q；

2)设计故障检测积分终端滑模观测器，将步骤1)获取的转速ω及d轴电压u_d、q轴电压u_q、d轴电流i_d以及q轴电流i_q输入故障检测积分终端滑模观测器中得到故障项的观测值

3)设计鲁棒容错预测转速控制器，并根据参考转速ω^ref、故障检测积分终端滑模观测器中得到故障项的观测值和响应转速ω进行鲁棒容错预测转速控制计算q轴指令电流

4)设计鲁棒容错预测电流控制器，设定d轴指令电流为0，并根据d轴指令电流q轴指令电流d轴电流q轴电流故障检测积分终端滑模观测器中得到故障项的观测值进行鲁棒容错预测电流控制计算d轴指令电压和q轴指令电压

5)将d轴指令电压和q轴指令电压经逆Park变换后获得两相静止坐标系下的α相指令电压u_α和β相指令电压u_β；

6)将两相静止坐标系下的α相指令电压u_α和β相指令电压u_β经SVPWM模块调制后生成用于驱动永磁同步风力发电机工作的6路PWM脉冲信号。

2.根据权利要求1所述步骤2)的详细步骤包括：

2.1)建立如式(1)所示的参数摄动和永磁体失磁故障情况下的永磁同步电机状态方程；

式(1)中，x为d轴电流和q轴电流组成的矢量，为矩阵x的积分，u为d轴电压和q轴电压组成的矩阵，f_ψ为磁链项，为故障项；A,B,D,G为状态方程系数项；具体函数表达式如下：

δ_ω＝-1.5n_pΔψ_rdi_q+T_L

其中，u_d为d轴电压，u_q为q轴电压，i_d为d轴电流，i_q为q轴电流，ψ_ro为永磁体磁链，Δψ_rd为永磁体失磁后的磁链变量，R_o为实际定子电阻值，L_do为实际d轴电感值，L_qo为实际q轴电感值，ΔR为电阻参数摄动值，ΔL_d为d轴电感参数摄动值，ΔL_q为q轴电感参数摄动值，ω为永磁同步电机的转速，B为阻力摩擦系数，J为转动惯量，n_p为极对数，T_L为负载转矩，δ_d、δ_q、δ_ω为参数摄动和永磁体失磁引起的故障项。

2.2)选取如式(2)所示的积分终端滑模面；

式(2)中，s_o＝[s_od s_oq s_oω]^T为积分终端滑模面，λ为大于0的参数，sgn(·)为符号函数，τ和t为时间，

2.3)设计如式(3)所示的积分终端滑模观测器

式(3)中，为x的观测值，U_o＝[U_od U_oq U_oω]^T为滑模控制律；

2.4)设计如式(4)所示的滑模控制律；

U_o＝Ae_o+λsgn(e_o)+ks_o+k_ssgn(s_o) (4)

式(4)中，和分别为大于0的待设计矩阵；

2.5)为防止滑模观测器出现斗振的现象，设计如下符号函数

2.6)求解如式(6)所示的参数摄动和永磁体失磁情况下的故障项观测值

3.根据权利要求1所述的步骤3)中计算q轴指令电流的函数表达式如式(7)所示；

式(7)中，为q轴指令电流，T_d为采样周期，e_ω＝ω^ref-ω，ω^ref为转速指令值。

4.根据权利要求1所述的步骤4)中计算d轴指令电压和_q轴指令电压如式(8)所示；

式(8)中，分别为d轴指令电流和q轴指令电流， 分别为d轴指令电压和q轴指令电压。