CN109586637B - 一种基于改进双矢量mpc的pmslm电流控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于改进双矢量MPC(模型预测控制)的PMSLM电流控制方法，该方法将双矢量MPC应用于直线电机电流环控制，在一个采样周期内选择了2个电压矢量，扩大了实际作用电压的范围以使得电压矢量的选择更准确；简化算法的计算量，对电压矢量的选择方法进行改进，缩小电压矢量选择范围。本发明能够提高电流环的调节能力与跟踪性能，有效抑制直线电机推力波动，增强直线电机运行的稳定性。

Description

一种基于改进双矢量MPC的PMSLM电流控制方法

技术领域

本发明涉及一种电流控制方法，尤其涉及一种基于改进双矢量MPC的PMSLM电流控制方法。

背景技术

与旋转电机加滚珠丝杆所构成的直线运动机构相比，永磁同步直线电机(PMSLM)具有高加速度、高精度和响应速度快等优点，因此很多学者对直线电机的控制与应用做了深入的研究。由于取消了机械传动环节，外界的干扰以及电机内部存在的推力波动更容易对电机的性能造成影响，会使电机运行时出现震动，产生噪声。PMSLM速度控制系统包括速度环和电流环，速度控制器根据实际速度与期望速度输出期望电流。为保证直线电机能在某一速度下平稳运行，电流环需要有较高的动态跟踪与调节能力，以保证能够时刻追踪期望电流，抑制各种扰动。电流环的常用控制方法有直接推力控制和比例积分(PI)控制。直接推力控制利用滞环控制，鲁棒性强、响应迅速，但电流脉动较大；PI控制在稳态下可实现电流无静差，控制精度高，但需整定参数，系统的动态性能受带宽限制。

模型预测控制(MPC)是利用当前的状态、控制量和预测模型计算系统将来的状态，再利用价值函数与期望值进行滚动优化的算法。MPC电流控制动态响应快、电流脉动小、无需参数整定，理论上能在2个采样周期内达到期望电流值，但不足是在线计算量较大。MPC电流控制方法常用的有单矢量MPC、占空比MPC两种方法。单矢量MPC在一个采样周期中仅作用一个最优电压矢量，算法简单、响应速度快，但由于仅能在7种基本电压矢量中选择控制量，电流跟踪精度较差。占空比MPC是在最优电压矢量确定之后再计算，因而不能保证最优电压矢量在加入占空比后仍为最优。有学者提出最优占空比直接转矩控制，基于李亚普洛夫函数计算占空比，保证了最优电压矢量的全局性，但作用的电压矢量仅为一个有效矢量与一个零矢量，限制了系统高速运行时电流的稳定性。也有学者提出同步电机广义双矢量MPC控制策略，减小了dq轴电流波动，但电压矢量选择次数多，计算量大，对系统的硬件要求较高。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种用于控制直线电机电流的方法，该方法缩小了电压矢量选择范围，减轻了在线计算量，能够有效提高电流控制的实时性。

技术方案：本发明所述的一种基于改进双矢量MPC的PMSLM电流控制方法，包括步骤：

(1)采用速度和电流双闭环结构的直线电机控制系统，根据位置检测器计算得到的坐标变换角度，将k时刻实际电流i_a,b,c转换为dq坐标系下的i_d,q(k)；

(2)将i_d,q(k)与位置检测器测得的实际速度v输入电流预测模块，得到k+1时刻电流的预测值i_d,q(k+1)；

(3)将k+1时刻电机动子的期望速度v^*和k时刻电机实际速度v的差作为速度控制器输入，输出k+1时刻的期望电流q轴分量i_q ^*；

(4)k+1时刻的期望电流i_q ^*、i_d ^*与预测电流i_d,q(k+1)作为改进双矢量MPC电流控制器输入，输出为k+1时刻的期望电压V_s1、V_s2和对应的作用时间t_s1、t_s2，输入至脉冲发生器，产生相应的开关信号加在驱动回路产生电磁推力拖动电机运行。

所述的一种基于改进双矢量MPC的PMSLM电流控制方法，其特征在于：所述位置检测器包括光栅尺。

所述改进双矢量MPC电流控制器用于选择作用在脉冲发生器上的电压矢量，以产生对应的开关信号驱动电机，其控制步骤如下：

Step 1改进第一个作用的电压矢量V_s1的选择方法，选择k+1时刻的期望电压V_s1；

Step2改进第二个作用的电压矢量V_s2的选择方法，选择k+1时刻的期望电压V_s2；

Step3输出V_s1、V_s2和对应的作用时间t_s1、t_s2；

Step4k+1时刻，返回到Step 1进入下一个采样周期。

改进V_s1的选择方法设计步骤如下：

Step 1，采用i_d ^*＝0的控制方式，根据速度控制器输出的期望电流i_q ^*可求出d轴给定磁链ψ_d ^*＝ψ_f和q轴给定磁链ψ_q ^*＝L_qi_q ^*，进而得到δ^*＝arctan(ψ_q ^*/ψ_d ^*)，δ^*为期望功角，可得期望电压u_s ^*的矢量角为：

θ_ref＝θ_e+δ^*+π/2

式中，θ_e为初级电角度，L_q为初级电感，ψ_f为定子磁链。

根据θ_ref判断逆变器上施加的期望电压矢量u_s ^*所在扇区；

Step2，根据u_s ^*所在的扇区，并利用价值函数从与该扇区相邻的2个有效电压矢量与零电压矢量中选择出最优电压矢量V_s1；

所述价值函数为：

其中，i_d ^*、i_q ^*为k+1时刻期望电流值，i_d(k+1)、i_q(k+1)为k+1时刻预测电流值，i_dmax、i_qmax为初级绕组中所允许的最大电流值，f为约束函数。

所述的改进V_s1的选择方法，其特征在于：Step 1所述逆变器为三相两电平电压逆变器，共有8种开关状态，能产生6个有效电压矢量和两个电压零矢量，即共能产生7种电压矢量；其中，所述有效电压矢量为非零电压矢量；

所述扇区为将逆变器的一个工作周期用6个有效电压矢量分成的6区间。

改进V_s2的选择方法设计步骤如下：

Step 1，采样周期内仅有V_s1作用时，判断∣i_q ^*-i_s1q(k+1)∣是否等于零。若是，则表示q轴电流能达到期望值，则本采样周期不进行V_s2选择，仅作用V_s1；若否，则进入Step 2；

Step 2，判断所有电压矢量在K+1时刻产生的q轴电流预测值是否均小于或均大于期望电流i_q ^*；若是，则表示该采样周期内不能达到期望值，本采样周期内仅作用V_s1；若否则进入Step 3；

Step 3，将V_s1与余下6种基本电压矢量分别组合，利用q轴电流无差拍法分配作用时间：

式中，V_i表示一种基本电压矢量，s_s1、s_i分别为两个电压矢量V_s1和V_i作用时i_q的斜率，V_i的作用时间为T-t_s1，t_s1是最优电压矢量V_s1的作用时间；

那么k时刻施加的u_d、u_q可表示为：

u_d＝t_s1u_s1d+t_iu_id

u_q＝t_s1u_s1q+t_iu_iq

式中，u_s1d和u_s1q分别为V_s1对应的d、q轴分量，u_id和u_iq分别为V_i对应的d、q轴分量。

得到6个电流预测值，利用价值函数选择出最优的一组电压矢量组合，从而确定V_s2；

所述的一种基于改进双矢量MPC的PMSLM电流控制方法，其特征在于：步骤4所述开关信号为驱动电力电子器件开关的控制信号；所述开关为电力电子器件的导通和关断。

有益效果：通过本发明的电流控制方法，可以：

(1)在选择电压矢量时，分别通过预先判断其所处扇区和预测误差，将遍历电压矢量次数从14次减小至9次，理想情况下最少只需3次，大幅降低了算法的计算量，提高了系统运行的实时性；

(2)在该控制策略下，电压矢量选择范围增大，因而选择的电压矢量更准确。实验结果表明，电机启动速度快且平稳，稳定运行时速度波动小，表明在系统面对推力波动等干扰时，电流环有更好的动态调节能力和跟踪性能。

附图说明

图1为本发明控制方法的系统框图；

图2为单矢量MPC下启动至稳态电机初级绕组中q轴电流波形；

图3为双矢量MPC下启动至稳态电机初级绕组中q轴电流波形；

图4为本发明控制方法下启动至稳态电机初级绕组中q轴电流波形；

图5为单矢量MPC下启动至稳态电机速度波形；

图6为双矢量MPC下启动至稳态电机速度波形；

图7为本发明控制方法下启动至稳态电机速度波形；

图中，v^*为电机动子期望速度，v为实际速度，i_q ^*、i_d ^*为期望q、d轴电流，i_a,b,c为电机动子三相绕组电流，i_d,q(k)为k时刻q轴实际电流，i_d,q(k+1)为k+1时刻的预测电流，V_s1、V_s2为选择的作用电压矢量，t_s1、t_s2为两个电压矢量在一个周期内的作用时间。

具体实施方式

为了进一步了解本发明的内容，下面结合附图并举实例对本发明进行详细描述。

本发明设计一种改进双矢量MPC的PMSLM电流控制方法，如图1所示，在传统双闭环伺服控制系统的基础上，利用改进MPC双矢量电流控制取代传统电流PI控制。所述的改进MPC双矢量电流控制器采集k时刻电压和电流，利用电流预测模型计算出下一时刻输出的电压矢量。本发明提出改进的双矢量模型预测电流控制策略，通过减小两个电压矢量的选择范围来简化电压矢量的选择过程，大幅减轻系统运行负担，有效提高电流环调节的实时性与跟踪精度。

本发明所述的一种基于改进双矢量MPC的PMSLM电流控制方法，包括步骤：

(1)采用速度和电流双闭环结构的直线电机控制系统，根据位置检测器计算得到的坐标变换角度，将k时刻实际电流i_a,b,c转换为dq坐标系下的i_d,q(k)；

(2)将i_d,q(k)与位置检测器测得的实际速度v输入电流预测模块，得到k+1时刻电流的预测值i_d,q(k+1)；

(3)将k+1时刻电机动子的期望速度v^*和k时刻电机实际速度v的差作为速度控制器输入，输出k+1时刻的期望电流q轴分量i_q ^*；

(4)k+1时刻的期望电流i_q ^*、i_d ^*与预测电流i_d,q(k+1)作为改进双矢量MPC电流控制器输入，输出为k+1时刻的期望电压V_s1、V_s2和对应的作用时间t_s1、t_s2，输入至脉冲发生器，产生相应的开关信号加在驱动回路产生电磁推力拖动电机运行。

优选地，所述步骤(1)中的位置检测器为光栅尺。

所述改进双矢量MPC电流控制器的控制步骤如下：

Step 1改进第一个作用的电压矢量V_s1的选择方法，选择k+1时刻的期望电压V_s1；

Step2改进第二个作用的电压矢量V_s2的选择方法，选择k+1时刻的期望电压V_s2；

Step3输出V_s1、V_s2和对应的作用时间t_s1、t_s2；

Step4k+1时刻，返回到Step 1进入下一个采样周期。

改进V_s1的选择方法设计步骤如下：

Step 1，采用i_d ^*＝0的控制方式，根据速度控制器输出的期望电流i_q ^*可求出d轴给定磁链ψ_d ^*＝ψ_f和q轴给定磁链ψ_q ^*＝L_qi_q ^*，进而得到δ^*＝arctan(ψ_q ^*/ψ_d ^*)，δ^*为期望功角，可得期望电压u_s ^*的矢量角为：

θ_ref＝θ_e+δ^*+π/2

式中，θ_e为初级电角度，L_q为初级电感，ψ_f为定子磁链。

根据θ_ref判断逆变器上施加的期望电压矢量u_s ^*所在扇区；

Step2，根据u_s ^*所在的扇区，并利用价值函数从与该扇区相邻的2个有效电压矢量与零电压矢量中选择出最优电压矢量V_s1；

所述价值函数为：

其中，i_d ^*、i_q ^*为k+1时刻期望电流值，i_d(k+1)、i_q(k+1)为k+1时刻预测电流值，i_dmax、i_qmax为初级绕组中所允许的最大电流值，f为约束函数。

所述的改进V_s1的选择方法，其特征在于：Step 1所述逆变器为三相两电平电压逆变器，共有8种开关状态，能产生6个有效电压矢量和两个电压零矢量，即共能产生7种电压矢量；其中，所述有效电压矢量为非零电压矢量；

所述扇区为将逆变器的一个工作周期用6个有效电压矢量分成的6区间。

改进V_s2的选择方法设计步骤如下：

Step 1，采样周期内仅有V_s1作用时，判断∣i_q ^*-i_s1q(k+1)∣是否等于零。若是，则表示q轴电流能达到期望值，则本采样周期不进行V_s2选择，仅作用V_s1；若否，则进入Step 2；

Step 2，判断所有电压矢量在K+1时刻产生的q轴电流预测值是否均小于或均大于期望电流i_q ^*；若是，则表示该采样周期内不能达到期望值，本采样周期内仅作用V_s1；若否则进入Step 3；

Step 3，将V_s1与余下6种基本电压矢量分别组合，利用q轴电流无差拍法分配作用时间：

式中，V_i表示一种基本电压矢量，s_s1、s_i分别为两个电压矢量V_s1和V_i作用时i_q的斜率，V_i的作用时间为T-t_s1，t_s1是最优电压矢量V_s1的作用时间；

那么k时刻施加的u_d、u_q可表示为：

u_d＝t_s1u_s1d+t_iu_id

u_q＝t_s1u_s1q+t_iu_iq

式中，u_s1d和u_s1q分别为V_s1对应的d、q轴分量，u_id和u_iq分别为V_i对应的d、q轴分量。

得到6个电流预测值，利用价值函数选择出最优的一组电压矢量组合，从而确定V_s2；

所述的一种基于改进双矢量MPC的PMSLM电流控制方法，其特征在于：步骤4所述开关信号为驱动电力电子器件开关的控制信号；所述开关为电力电子器件的导通和关断。

为了验证本方法的效果，进行了下述试验，采样周期T取100μs。用于实验的直线电机参数如表1所示。

表1直线电机参数

参数	参数值
		电阻(Ω)	1.3
电感(mH)	13.4
		峰值推力(N)	1250
持续推力(N)	548
		峰值电流(A)	22
持续电流(A)	8.7
		反电动势常数(V/m·s<sup>-1</sup>)	51.4
推力常数(N/A)	63

实验在直线电机从空载阶跃启动至稳定运行在100mm/s速度的情况下，对单矢量MPC、占空比MPC和改进双矢量MPC分别进行实验并分析各自的控制效果。图2-7分别为三种控制策略下直线电机从启动到稳定运行状态下的q轴电流与速度曲线。

启动阶段，比较三种控制策略下的电流响应时间，改进双矢量MPC控制下的电流调节速度最快，如图2-4所示。比较三种控制策略下的速度响应时间，改进双矢量MPC控制下电机启动速度更快、更平稳，电机速度达到100mm/s的时间约为0.06s，单矢量MPC和占空比MPC控制下电机启动时间分别约为0.1s和0.08s，如图5-7所示。

稳定运行阶段，改进双矢量MPC控制下的电流调节幅度大于另外两种控制策略，表明对于内部干扰如推力波动等，有更好的抑制作用，如图2-4所示。其控制下的电机运行更稳定，最大速度波动范围约为5％，单矢量MPC、占空比MPC控制下最大速度波动范围约为6％与8％，如图5-7所示。

Claims (4)

1.一种基于改进双矢量MPC的PMSLM电流控制方法，其特征在于，包括步骤：

(1)采用速度和电流双闭环结构的直线电机控制系统，根据位置检测器计算得到的坐标变换角度，将k时刻实际电流i_a,b,c转换为dq坐标系下的i_d,q(k)；

(2)将i_d,q(k)与位置检测器测得的实际速度v输入电流预测模块，得到k+1时刻电流的预测值i_d,q(k+1)；

(3)将k+1时刻电机动子的期望速度v^*和k时刻电机实际速度v的差作为速度控制器的输入，输出k+1时刻的期望电流q轴分量i_q ^*；

(4)k+1时刻的期望电流i_q ^*、i_d ^*与预测电流i_d,q(k+1)作为输入，经改进双矢量MPC电流控制器控制后，先后输出k+1时刻的期望电压V_s1、V_s2和对应的作用时间t_s1、t_s2并传递至脉冲发生器，产生相应开关信号，将其加在驱动回路上，由此产生电磁推力以拖动电机运行；

其中，步骤(4)中，所述改进双矢量MPC电流控制器由选择V_s1、计算各种组合下两矢量作用时间t_s1、t_s2以及选择V_s2三个模块组成；

所述改进双矢量MPC电流控制器的控制步骤如下：

(4.1)改进第一个作用于脉冲发生器的电压矢量的选择方法，选择出k+1时刻的期望电压V_s1；

(4.2)改进第二个作用于脉冲发生器的电压矢量的选择方法，选择出k+1时刻的期望电压V_s2；

(4.3)输出V_s1、V_s2和对应的作用时间t_s1、t_s2；

(4.4)k+1时刻，返回到步骤(4.1)进入下一个采样周期；

其中，所述步骤(4.1)包括：

(4.1.1)判断逆变器上施加的期望电压矢量u_s ^*所在扇区；

(4.1.2)在该扇区相邻的2个有效电压矢量与零电压矢量中利用价值函数选择出电压矢量V_s1的最优解；

所述价值函数为：

其中，i_d ^*、i_q ^*为k+1时刻期望电流值，i_d(k+1)、i_q(k+1)为k+1时刻预测电流值，i_dmax、i_qmax为初级绕组中所允许的最大电流值，f为约束函数；

其中，所述步骤(4.2)具体包括：

(4.2.1)判断采样周期内仅有V_s1作用时，dq坐标系下k时刻的q轴电流i_q是否达到期望值；若是，则本采样周期不进行V_s2选择，仅作用V_s1；若否，则进入步骤(4.2.2)；

(4.2.2)判断逆变器可能产生的所有电压矢量在K+1时刻产生的q轴电流预测值是否均小于或均大于期望电流i_q ^*；若是，则本采样周期内仅作用V_s1；若否则进入步骤(4.2.3)；

(4.2.3)将V_s1与余下6个有效电压矢量分别组合，并分配作用时间，利用价值函数选择最优的组合，从而确定V_s2。

2.根据权利要求1所述的一种基于改进双矢量MPC的PMSLM电流控制方法，其特征在于：所述位置检测器为光栅尺，通过位置检测可计算得到坐标变换的角度和电机的实际速度。

3.根据权利要求1所述的一种基于改进双矢量MPC的PMSLM电流控制方法，其特征在于：步骤(4.1.1)中，所述逆变器为三相两电平电压逆变器，共有8种开关状态，能产生6个有效电压矢量和两个电压零矢量，即共能产生7种电压矢量；其中，所述有效电压矢量为非零电压矢量；

所述扇区为将逆变器的一个工作周期用6个有效电压矢量分成的6个区间。

4.根据权利要求1所述的一种基于改进双矢量MPC的PMSLM电流控制方法，其特征在于：步骤(4)中，所述开关信号为驱动电力电子器件开关的控制信号，其中，所述开关为电力电子器件的导通和关断。

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