CN109067276B - 一种永磁同步电机高动态鲁棒预测电流控制方法 - Google Patents

一种永磁同步电机高动态鲁棒预测电流控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机高动态鲁棒预测电流控制方法，实施步骤包括：(1)获取永磁同步电机的转速ω[k]及d轴电压ud[k]、q轴电压uq[k]、d轴电流id[k]以及q轴电流iq[k]；(2)设计离散滑模观测器，将数据输入离散滑模观测器中得到永磁同步电机响应电流
Figure DDA0001746968690000011
和永磁同步电机参数摄动引起的扰动值
Figure DDA0001746968690000012
(3)设计高动态鲁棒预测电流控制器，通过高动态鲁棒预测电流控制器计算d轴的参考电压和q轴的参考电压；(4)将d轴和q轴的参考电压经逆Park变换后经SVPWM模块调制后用于驱动永磁同步电机工作。优点：在不增加任何软硬件开销和计算量的前提下，达到提高电流动态响应的目的和消除了永磁同步电机参数摄动引起的电流静差的问题。

Description

一种永磁同步电机高动态鲁棒预测电流控制方法
技术领域
本发明涉及永磁同步电机的控制技术领域，尤其涉及一种永磁同步电机高动态鲁棒预测电流控制方法。
背景技术
永磁同步电机因其功率密度大、效率高、运行可靠性强等诸多优点被广泛应用于航空航天、机械制造、轨道交通等高性能伺服工业领域。永磁交流驱动系统是一个3环级联的控制结构，在高性能伺服应用领域要求快速的电磁转矩响应以保证整个系统的高动态性能。最内环电流环控制的目的就是使电机电流能够快速严格地跟随给定电流变化。为此，与电磁转矩直接相关的电流环动态特性已成为制约驱动系统动、静态性能的核心因素。与传统的电流控制器相比，电流预测控制器可以实现对指令电流无超调的快速跟踪，具有较好的动、静态特性。
虽然电流预测控制有诸多优点，但是它依赖被控对象的精确数学模型。电机运行在环境恶劣的工况下，电机参数会受温度、磁饱和等相关因素的影响而发生变化。电流预测控制器中的电机参数与实际电机参数不一致会引起电流静差，导致系统效率降低，无法输出额定转矩等问题。此外，受硬件限制，电流环数字控制系统存在2个控制周期延时，这将会降低电流控制系统的动态响应，从而极大地限制了永磁同步电机的应用范围。
为此申请人进行了有益的探索和尝试，找到了解决上述问题的办法，下面将要介绍的方案便是这种背景下产生的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对现有技术的不足和缺陷而提供一种永磁同步电机高动态鲁棒预测电流控制方法。本发明一方面设计了高动态鲁棒预测电流控制器，该电流控制器在不增加任何软硬件开销和计算量的前提下，通过改进占空比控制策略来缩短控制延时，从而达到提高电流动态响应的目的。另一方面设计了离散滑模观测器来观测电机响应电流和电机参数摄动引起的扰动值，将离散滑模观测器的观测值反馈到高动态鲁棒预测电流控制器中，从而来增加预测电流控制器的鲁棒性。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
一种永磁同步电机高动态鲁棒预测电流控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)获取永磁同步电机的转速ω[k]及d轴电压ud[k]、q轴电压uq [k]、d轴电流id[k]以及q轴电流iq[k]；
(2)设计离散滑模观测器，将步骤(1)获取的永磁同步电机的转速ω[k] 及d轴电压ud[k]、q轴电压uq [k]、d轴电流id[k]以及q轴电流iq[k]输入离散滑模观测器中，以观测永磁同步电机的响应电流
Figure GDA0002990258320000021
和永磁同步电机的参数摄动引起的扰动值
Figure GDA0002990258320000022
(3)设计高动态鲁棒预测电流控制器，根据步骤(2)离散滑模观测器观测到的响应电流
Figure GDA0002990258320000023
和永磁同步电机的参数摄动引起的扰动值
Figure GDA0002990258320000024
Figure GDA0002990258320000025
和步骤(1)获取的永磁同步电机的转速ω[k]以及永磁同步电机的指令电流
Figure GDA0002990258320000026
通过高动态鲁棒预测电流控制器计算d轴的参考电压和q轴的参考电压；
(4)将步骤(3)得到的d轴的参考电压和q轴的参考电压经逆Park变换后获得两相静止坐标系下的α轴和β轴参考电压，然后经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。
在本发明的一个优选实施例中，在步骤(2)中所述离散滑模观测器是依据式(2.1)所示的滑模面公式设计的：
Figure GDA0002990258320000031
式(2.1)中，s＝[sd sq]T，λ>0，
Figure GDA0002990258320000032
sgn(e)为符号函数。
在本发明的一个优选实施例中，根据式(2.1)所示的滑模面公式设计如下滑模观测器：
Figure GDA0002990258320000033
式(2.2)中，
Figure GDA0002990258320000034
Figure GDA0002990258320000035
其中，
Figure GDA0002990258320000036
为x的观测值，Usmo＝[Udsmo Uqsmo]T为终端滑模控制项；id为d轴定子电流，iq为q轴定子电流，ωe为永磁同步电机的电气角速度，ud和uq为三相定子电压，R为定子电阻，LO为额定电感参数，ψro为额定磁链参数。
在本发明的一个优选实施例中，根据式(2.2)的所述终端滑模控制项Usmo要满足以下式(2.3)所示的公式：
Usmo＝A1e+λsgn(e)+s+kpsgn(s) (2.3)
式(2.3)中，
Figure GDA0002990258320000037
Kp1和Kp2为设定的滑膜观测器增益。
在本发明的一个优选实施例中，对式(2.2)进行离散化得到永磁同步电机响应电流
Figure GDA0002990258320000038
和永磁同步电机参数摄动引起的扰动值
Figure GDA0002990258320000039
的计算公式如下：
Figure GDA0002990258320000041
式(2.4)中，Ts为控制周期。
在本发明的一个优选实施例中，根据步骤(2)离散滑模观测器观测到的响应电流
Figure GDA0002990258320000042
和永磁同步电机的参数摄动引起的扰动值
Figure GDA0002990258320000043
和步骤(1)获取的永磁同步电机的转速ω[k]以及永磁同步电机的指令电流
Figure GDA0002990258320000044
通过步骤(3)中设计的高动态鲁棒预测电流控制器计算指令电压矢量，高动态鲁棒预测电流控制器计算指令电压矢量uref[k+1]的函数表达公式如下：
Figure GDA0002990258320000045
式(3.1)中，A＝A1+ωeA2,
Figure GDA0002990258320000046
为电流指令值，
Figure GDA0002990258320000047
为指令电压。
由于采用了如上的技术方案，本发明的有益效果在于：
1、本发明解决了永磁同步电机参数摄动对电流预测控制器的影响，利用离散滑模观测器来观测永磁同步电机相响应电流和参数摄动引起的扰动值，将观测值反馈至电流预测控制器中，消除了永磁同步电机参数摄动引起的电流静差的问题。
2、本发明在不增加任何软硬件开销和计算量的前提下，通过改进占空比控制策略来缩短控制延时，达到提高电流动态响应的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种实施例控制原理的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面进一步阐述本发明。
如图1所示的一种永磁同步电机高动态鲁棒预测电流控制方法，实施步骤包括：
(1)获取永磁同步电机的转速ω[k]及d轴电压ud[k]、q轴电压uq [k]、d轴电流id[k]以及q轴电流iq[k]；
(2)设计离散滑模观测器，将转速ω[k]及d轴电压ud[k]、q轴电压uq [k]、 d轴电流id[k]以及q轴电流iq[k]输入离散滑模观测器中,观测永磁同步电机响应电流
Figure GDA0002990258320000051
和永磁同步电机参数摄动引起的扰动值
Figure GDA0002990258320000052
(3)设计高动态鲁棒预测电流控制器，根据离散滑模观测器的观测值
Figure GDA0002990258320000053
和永磁同步电机响应转速ω[k]、永磁同步电机指令电流
Figure GDA0002990258320000054
通过高动态鲁棒预测电流控制器计算d轴的参考电压和q轴的参考电压；
(4)将d轴和q轴的参考电压经逆Park变换后获得两相静止坐标系下的α轴和β轴参考电压，然后经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。
其中步骤(2)的详细又包括：
(2-1)在步骤(2)中所述离散滑模观测器的滑模面公式：
Figure GDA0002990258320000061
式(2.1)中，s＝[sd sq]T，λ>0，
Figure GDA0002990258320000062
sgn(e)为符号函数。
(2-2)根据式(2.1)设计滑模观测器：
Figure GDA0002990258320000063
式(2.2)中，
Figure GDA0002990258320000064
Figure GDA0002990258320000065
其中，
Figure GDA0002990258320000066
为x的观测值，Usmo＝[Udsmo Uqsmo]T为终端滑模控制项；id为d轴定子电流，iq为q轴定子电流，ωe为永磁同步电机的电气角速度，ud和uq为三相定子电压，R为定子电阻，LO为额定电感参数，ψro为额定磁链参数。
(2-3)根据式(2.2)的所述终端滑模控制项Usmo要满足以下公式：
Usmo＝A1e+λsgn(e)+s+kpsgn(s) (2.3)
式(2.3)中，
Figure GDA0002990258320000067
Kp1和Kp2为设定的滑膜观测器增益。
(2-4)永磁同步电机响应电流
Figure GDA0002990258320000068
和永磁同步电机参数摄动引起的扰动值
Figure GDA0002990258320000069
的计算公式：
Figure GDA0002990258320000071
式(2.4)中，Ts为控制周期。
在本发明的一个优选实施例中，根据步骤(2)离散滑模观测器观测到的响应电流
Figure GDA0002990258320000072
和永磁同步电机的参数摄动引起的扰动值
Figure GDA0002990258320000073
和步骤(1)获取的永磁同步电机的转速ω[k]以及永磁同步电机的指令电流
Figure GDA0002990258320000074
通过步骤(3)中设计的高动态鲁棒预测电流控制器计算指令电压矢量，高动态鲁棒预测电流控制器计算指令电压矢量uref[k+1]的函数表达公式如下：
Figure GDA0002990258320000075
式(3.1)中，A＝A1+ωeA2,
Figure GDA0002990258320000076
为电流指令值，
Figure GDA0002990258320000077
为指令电压。
其中步骤(4)根据SVPWM原理，利用参考电压矢量调制出六路PWM开关信号，然后将开关信号作用于逆变器，最终达到控制永磁同步电机的目的。
本发明还包括计算机系统，该计算机系统被编程以执行本发明的步骤(1) 至(4)，该计算机系统可以根据需要基于CPU、DSP、FPGA等处理器实现。
综上所述，本发明包括离散滑模观测器和高动态鲁棒预测电流控制器。离散滑模观测器根据永磁同步电机的转速ω[k]、d轴的电压ud[k]和电流id[k]、q 轴电压uq [k]和电流iq[k]，对永磁同步电机的响应电流
Figure GDA0002990258320000081
和电机参数摄动引起的扰动值
Figure GDA0002990258320000082
进行观测。利用离散滑模观测器观测到的永磁同步电机的响应电流
Figure GDA0002990258320000083
和电机参数摄动引起的扰动值
Figure GDA0002990258320000084
对控制系统进行补偿，以达到增强控制系统的鲁棒性。
高动态鲁棒预测电流控制器根据离散滑模观测器观测到的永磁同步电机的响应电流
Figure GDA0002990258320000085
和电机参数摄动引起的扰动值
Figure GDA0002990258320000086
和永磁同步电机响应转速ω[k]、永磁同步电机指令电流
Figure GDA0002990258320000087
来计算d轴和q轴的参考电压。根据d轴和q轴的参考电压，执行空间矢量算法，得到PWM驱动信号，进而实现对永磁同步电机的控制。通过上述技术手段，不仅可以有效地消除电机参数摄动引起的电流静差的问题，而且还可以提高电流动态响应。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种永磁同步电机高动态鲁棒预测电流控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)获取永磁同步电机的转速ω[k]及d轴电压ud[k]、q轴电压uq[k]、d轴电流id[k]以及q轴电流iq[k]；
(2)设计离散滑模观测器，将步骤(1)获取的永磁同步电机的转速ω[k]及d轴电压ud[k]、q轴电压uq[k]、d轴电流id[k]以及q轴电流iq[k]输入离散滑模观测器中，以观测永磁同步电机的响应电流
Figure FDA0002990258310000011
和永磁同步电机的参数摄动引起的扰动值
Figure FDA0002990258310000012
(3)设计高动态鲁棒预测电流控制器，根据步骤(2)离散滑模观测器观测到的响应电流
Figure FDA0002990258310000013
和永磁同步电机的参数摄动引起的扰动值
Figure FDA0002990258310000014
Figure FDA0002990258310000015
和步骤(1)获取的永磁同步电机的转速ω[k]以及永磁同步电机的指令电流
Figure FDA0002990258310000016
通过高动态鲁棒预测电流控制器计算d轴的参考电压和q轴的参考电压；
(4)将步骤(3)得到的d轴的参考电压和q轴的参考电压经逆Park变换后获得两相静止坐标系下的α轴和β轴参考电压，然后经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；
在步骤(2)中所述离散滑模观测器是依据式(2.1)所示的滑模面公式设计的：
Figure FDA0002990258310000017
式(2.1)中，s＝[sd sq]T，λ>0，
Figure FDA0002990258310000018
sgn(e)为符号函数；
根据式(2.1)所示的滑模面公式设计如下滑模观测器：
Figure FDA0002990258310000019
式(2.2)中，
Figure FDA0002990258310000021
Figure FDA0002990258310000022
其中，
Figure FDA0002990258310000023
为x的观测值，Usmo＝[Udsmo Uqsmo]T为终端滑模控制项；id为d轴定子电流，iq为q轴定子电流，ω为永磁同步电机的电气角速度，ud和uq为三相定子电压，R为定子电阻，LO为额定电感参数，ψro为额定磁链参数；
根据式(2.2)的所述终端滑模控制项Usmo要满足以下式(2.3)所示的公式：
Usmo＝A1e+λsgn(e)+s+kpsgn(s) (2.3)
式(2.3)中，
Figure FDA0002990258310000024
Kp1和Kp2为设定的滑膜观测器增益；
对式(2.2)进行离散化得到永磁同步电机响应电流
Figure FDA0002990258310000025
和永磁同步电机参数摄动引起的扰动值
Figure FDA0002990258310000026
的计算公式如下：
Figure FDA0002990258310000027
式(2.4)中，Ts为控制周期；
根据步骤(2)离散滑模观测器观测到的响应电流
Figure FDA0002990258310000031
和永磁同步电机的参数摄动引起的扰动值
Figure FDA0002990258310000032
和步骤(1)获取的永磁同步电机的转速ω[k]以及永磁同步电机的指令电流
Figure FDA0002990258310000033
通过步骤(3)中设计的高动态鲁棒预测电流控制器计算指令电压矢量uref[k+1]的函数表达公式：
Figure FDA0002990258310000034
式(3.1)中，A＝A1+ωeA2,
Figure FDA0002990258310000035
为电流指令值，
Figure FDA0002990258310000036
为指令电压，
Figure FDA0002990258310000037
为永磁同步电机参数摄动引起的扰动值。
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