CN109768752A

CN109768752A - 一种基于多用途扰动观测器的永磁同步电机无差拍电流预测控制方法

Info

Publication number: CN109768752A
Application number: CN201910183764.1A
Authority: CN
Inventors: 南余荣; 吕炜杰; 杨晨冰
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2019-03-12
Filing date: 2019-03-12
Publication date: 2019-05-17
Anticipated expiration: 2039-03-12
Also published as: CN109768752B

Abstract

一种基于多用途扰动观测器的永磁同步电机无差拍电流预测控制方法，包括以下步骤：建立永磁同步电机无差拍电流预测控制数学模型；基于无差拍预测控制理论，设计电流环控制器；基于滑模变结构控制理论，设计滑模扰动观测器，并设计李雅普诺夫函数；使用滑模扰动观测器分别实现鲁棒电流控制和无位置传感器控制。本发明提供的控制方法在安装位置传感器时，尽管电机参数不匹配，仍可通过无差拍电流预测控制实现精确的电流调节；以及在没有配备位置传感器但具有较好电机参数估计时，可以准确提取转子位置进行无位置传感器控制。

Description

一种基于多用途扰动观测器的永磁同步电机无差拍电流预测控制方法

技术领域

本发明属于永磁同步电机领域，特别涉及一种基于多用途扰动观测器的永磁同步电机无差拍电流预测控制方法。

背景技术

对于功率转换器和电机驱动，内部电流环在实现整个控制系统的良好性能方面起着重要作用。在过去的几十年中，已经研究了许多方法用于高性能电流控制，包括滞后控制、滑模变结构控制以及预测控制等。

无差拍预测控制在每个采样周期利用系统的预测模型计算出所需电压的矢量，使得状态变量在下个周期能够跟随给定值，然后利用调制器产生这个电压矢量。无差拍控制己经应用十三相逆变器，有源滤波器，整流器功率因数校正器，不间断电源，DC-DC变换器等。无差拍预测控制算法由于其良好的动态性能、计算简单、开关频率固定、易于在数字控制系统中实现、相电流谐波含量低等优点被用于一些高性能要求的场合。

传统的无差拍预测控制是基于精确的电机模型的，在参数失配时导致电流出现稳态误差，甚至使系统不稳定，系统的鲁棒性差，严重时甚至影响系统的稳定运行。

为了实现永磁同步电动机的高性能电流控制，通常需要准确的转子位置信息。无位置传感器的运行是恶劣环境和低成本应用中的首选。

因此，如何消除电机参数不匹配问题对传统无差拍电流预测控制性能带来的影响，以及当具有良好的参数估计，但没有位置传感器的情况下如何获取转子位置信息，是永磁同步电机驱动中急待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于多用途扰动观测器的永磁同步电机无差拍电流预测控制方法，在安装位置传感器时，尽管电机参数不匹配，仍可通过无差拍电流预测控制实现精确的电流调节；以及在没有配备位置传感器但具有较好电机参数估计时，可以准确提取转子位置进行无位置传感器控制。

为了解决上述技术问题提出的技术方案为：

一种基于多用途扰动观测器的永磁同步电机无差拍电流预测控制方法，所述控制方法包括以下步骤：

(1)建立永磁同步电机无差拍电流预测控制数学模型；

(2)基于无差拍预测控制理论，设计电流环控制器；

(3)基于滑模变结构控制理论，设计滑模扰动观测器，并通过设计李雅普诺夫函数保证滑模扰动观测器的稳定性；

(4)使用电流环控制器和滑模扰动观测器分别实现鲁棒电流控制和无位置传感器控制。

在步骤(1)中，所述建立永磁同步电机无差拍电流预测控制数学模型的方法包括：

(1-1)在α-β两相静止坐标系中，建立用复矢量的形式表示的表贴式PMSM的状态方程：

其中，u_s＝u_sα+j·u_sβ，i_s＝i_sα+j·i_sβ是定子电压矢量和定子电流矢量，R_s是定子电阻，L_s是定子电感，ω_e是电机转子转速，ψ_f是永磁转子磁链大小，j表示一个复数的虚部分量，θ_e为转子位置；

(1-2)用欧拉法离散化表贴式PMSM(永磁同步电机)的状态方程，得到PMSM的电流预测模型为：

其中，上标k表示第k个采样时刻，T_s为采样周期。

在步骤(2)中，所述电流环控制器为：

其中，i_dref保持为零，i_dref为d轴电流参考值，为第k采样时刻q轴的电流参考值，为第k+2采样时刻q轴的电流参考值，为第k+2采样时刻d轴的电流参考值，为第k+2采样时刻的电流参考值，为第k+1采样时刻的输出定子电压；为第k+1采样时刻的定子电流值，为第k+1采样时刻的转子速度，为第k+1采样时刻的转子位置，是k+1采样时刻的电流参考值。

所述电流环控制器是基于PMSM的电流预测模型的无差拍预测控制理论对数字延迟进行补偿，为使定子电流在下一个采样时刻到达其参考值，施加的定子电压为：

因为在数字实现中，实际施加的电压和计算的电压之间通常存在一步延迟。这意味着计算出的将在实际应用中的第k+1采样时刻，而不是预期的第k个采样时刻。因此，本发明基于PMSM的电流预测模型的无差拍预测控制理论对数字延迟进行补偿。

在步骤(3)中，所述设计滑模扰动观测器的方法包括：

(3-1)根据估计电感和估计电阻重写系统模型

其中，f_d为用于补偿不准确的模型参数导致的干扰电压，当在稳态时只考虑基本分量，其导数表示为：

其中，是电机参数的误差；

(3-2)根据式(6)和式(8)，设计滑模扰动观测器为：

其中，F_ds是补偿建模误差的滑模控制函数，是估计的干扰电压，k_d是的自适应增益。

在步骤(3-2)中，所述滑模控制函数F_ds为：

在所述滑模扰动观测器中，选取电流跟踪误差作为滑模面：

其中，式(13)为指数趋近律，sgn(S)是开关函数，λ和l为正参数；为降低噪声灵敏度和高频抖振，将sgn(S)近似重新排列如下：

其中，ρ是一个很小的正数，为衰减稳定运行时的抖振。

为保证滑模扰动观测器的稳定性，通过设计李雅普诺夫函数确定λ和l，，所述λ和l满足：

l＞0(16)

其中，

在步骤(4)中，所述使用电流环控制器和滑模扰动观测器实现鲁棒电流控制的方法为：

其中，和分别由(19)和(20)中估计的和代替：

在步骤(4)中，所述使用滑模扰动观测器实现无位置传感器控制的方法为：

基于SMDO(滑模扰动观测器)的转子位置估计，假设ΔL＝0且ΔR＝0，由(7)得干扰电压f_d为：

由(21)，基于估计转子位置为：

其中，和分别是的实部和虚部；

转子速度为：

在基于SMDO的转子位置估计中，ΔL＝0且ΔR＝0是指在具有精确的电机参数估计情况下。

可以衰减噪声和谐波，因此对于本发明的SMDO，不必使用锁相环；在获得估计转子位置后，可直接计算转子速度。为降低噪声灵敏度，使用低通滤波器对进行滤波。

本发明采用无差拍预测控制理论和滑模变结构控制理论，设计一个滑模扰动观测器，实现鲁棒电流控制和无位置传感器控制，即，在一定条件下既能提高参数鲁棒性的功能，又能实现转子位置估计的功能。解决了现有永磁同步电机无差拍电流预测控制性能易受模型参数精度的影响，以及为实现永磁同步电机的高性能电流控制，需要准确的转子位置信息。

本发明的技术构思为：针对永磁同步电机无差拍电流预测控制中参数不匹配的鲁棒性问题和无位置传感器运行问题，设计一个多用途扰动观测器，将上述两个问题集成到所提出的观测器中，既能提高参数鲁棒性的功能，又能实现转子位置估计的功能。

本发明的有益效果为：在安装位置传感器情况下，尽管电机控制系统的参数不匹配，通过无差拍电流预测控制还是可以实现精确的电流调节，保证令人满意的跟踪性能；在没有安装位置传感器的情况下，但具有较好电机参数估计时，可以实现无位置传感器控制，准确提取转子位置可以精确估计。

附图说明

图1为本发明提供的永磁同步电机控制系统结构框图；

图2为电感模型参数为实际参数2倍时，传统无差拍电流预测控制dq轴的电流波形响应；

图3为电感模型参数为实际参数2倍时，本发明提供的控制方法中dq轴的电流波形响应；

图4为本发明提供的控制方法得到的转子位置估计值和实际值对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参照图1-图4，本发明提供的基于多用途扰动观测器的永磁同步电机无差拍电流预测控制方法，所述控制方法包括以下步骤：

步骤1，建立永磁同步电机无差拍电流预测控制数学模型，过程如下：

1.1，在α-β两相静止坐标系中，表贴式PMSM的状态方程可以用复矢量的形式表示成如下形式：

1.2，由于采样周期T_s较小，式(1)用欧拉法离散化后得到PMSM 的电流预测模型为：

其中，上标k表示第k个采样时刻，T_s为采样周期。

步骤2，无差拍电流预测控制算法设计，过程如下：

2.1，为使定子电流在下一个采样时刻到达其参考值，施加的定子电压为：

其中，是下一个采样时刻的电流参考值，基于模型的预测方法对数字延迟进行补偿，求解为：

2.2，此处不讨论弱磁操作，所以i_dref保持为零；由速度环控制器输出获得i_qref，由于速度环带宽远小于电流环采样频率，所以假设

其中，i_dref为d轴电流参考值，为第k采样时刻q轴的电流参考值，为第k+2采样时刻q轴的电流参考值，为第k+2采样时刻d轴的电流参考值，为第k+2采样时刻的电流参考值，为第k+1采样时刻的输出定子电压；为第k+1采样时刻的定子电流值，为第k+1采样时刻的转子速度，为第k+1采样时刻的转子位置，是k+1采样时刻的电流参考值。

由(4)可知施加定子电压的精确度取决于电机的参数，而电机的模型参数与实际参数并不匹配。

步骤3，滑模扰动观测器设计，过程如下：

3.1，根据估计电感和估计电阻重写系统模型：

其中，f_d为用于补偿不准确的模型参数导致的干扰电压，当在稳态时只考虑基本分量，其导数可以表示为：

其中，是电机参数的误差；

3.2，根据式(6)和式(8)，设计如下的滑模扰动观测器：

其中，F_ds是补偿建模误差的滑模控制函数，是估计的干扰电压，k_d是的自适应增益；

3.3，选取电流跟踪误差作为滑模面：

其中，式(12)为指数趋近律，sgn(S)是开关函数，λ和l为正参数；为降低噪声灵敏度和高频抖振，将sgn(S)近似重新排列如下：

其中，ρ是一个很小的正数，为衰减稳定运行时的抖振，它可能略大于采样噪声的峰值，本方案中设置为ρ＝0.2；

3.4，由式(7)减去式(10)得定子电流误差动态方程：

其中，由式(12)和(14)得：

将e_d作为扰动，滑模控制函数F_ds由式(15)得：

3.5，设计李雅普诺夫函数：

其中·表示两个复矢量的点积，电流误差将始终接近零确，要满足式(18)，确保SMDO的稳定性，必须设计正确的λ和l；由式(14) 和(16)得：

当为满足λ和l应满足：

l＞0 (21)

满足式(20)和(21)，可以保证滑模扰动观测器的稳定性。

步骤4，使用SMDO实现鲁棒电流控制和无位置传感器控制，过程如下：

4.1，基于SMDO的DPBC鲁棒性，将(9)，(10)和(16)在离散形式下表示：

和(4)的推导类似，输出电压的无差拍解可由式(6)求出：

因为和是未知的，所以由(23)和(24)中估计的和代替。

4.2，基于SMDO的转子位置估计，在具有精确的电机参数估计情况下，即ΔL＝0且ΔR＝0，由(7)得干扰电压f_d为：

由(26)，基于估计转子位置为：

其中，和分别是的实部和虚部；由前所述，可以衰减噪声和谐波，因此对于本发明的SMDO，不必使用锁相环；在获得估计转子位置后，可直接计算转子速度：

为降低噪声灵敏度，使用低通滤波器对进行滤波。

为验证该多用途扰动观测器的正确性和有效性，本发明在 MATLAB/simulink进行仿真实验，设置仿真实验中的初始条件与部分参数，即所用电机参数为 L_s＝23.45mH，ψ_f＝0.2Wb，R_s＝1.25Ω，T_s＝0.4s，k_d＝1500。

图2、图3是当dq轴电感模型参数为实际参数2倍时dq轴的电流波形响应，可以看出传统DBPC下电流不稳定，即电感的不匹配将导致d轴电流不能被控制为零，而本发明方法在电感参数偏差2倍时，d 轴电流被控制为零，依然具有很好的稳定性和动态特性。当模型电阻参数小于实际参数时，对其控制精度影响很小，所以就不列出对比分析了。

图4是在精确的电机参数情况下通过无位置传感器控制获得的良好转子位置估计值，观测到的转子位置于实际位置很接近。

以上阐述的是本发明给出的一个实例所表现出的良好效果，显然本发明不只限于上述的实施例，在不偏离本发明基本精神及不超出本发明实质内容所涉及范围的前提下对其可作种种变形加以实施。所提出的方案对表贴式永磁同步电机是有效的，在所提出的多用途扰动观测器的作用下，实现鲁棒电流控制和无位置传感器控制。

Claims

1.一种基于多用途扰动观测器的永磁同步电机无差拍电流预测控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：

(1)建立永磁同步电机无差拍电流预测控制数学模型；

(2)基于无差拍预测控制理论，设计电流环控制器；

2.根据权利要求1所述的基于多用途扰动观测器的永磁同步电机无差拍电流预测控制方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述建立永磁同步电机无差拍电流预测控制数学模型的方法包括：

(1-2)用欧拉法离散化表贴式PMSM的状态方程，得到PMSM的电流预测模型为：

其中，上标k表示第k个采样时刻，T_s为采样周期。

3.根据权利要求1所述的基于多用途扰动观测器的永磁同步电机无差拍电流预测控制方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述电流环控制器为：

其中，i_dref保持为零，i_dref为d轴电流参考值，为第k采样时刻q轴的电流参考值，为第k+2采样时刻q轴的电流参考值，为第k+2采样时刻d轴的电流参考值，为第k+2采样时刻的电流参考值，为第k+1采样时刻的输出定子电压；为第k+1采样时刻的定子电流值，为第k+1采样时刻的转子速度，为第k+1采样时刻的转子位置，是第k+1采样时刻的电流参考值。

4.根据权利要求3所述的基于多用途扰动观测器的永磁同步电机无差拍电流预测控制方法，其特征在于，所述第k+1采样时刻的输出定子电压根据第k个采样时刻施加的定子电压计算，所述施加的定子电压为：

5.根据权利要求1所述的基于多用途扰动观测器的永磁同步电机无差拍电流预测控制方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述设计滑模扰动观测器的方法包括：

(3-1)根据估计电感和估计电阻重写系统模型：

其中，f_d为用于补偿不准确的模型参数导致的干扰电压，其导数表示为：

其中，是电机参数的误差；

(3-2)根据式(6)和式(8)，设计的滑模扰动观测器为：

6.根据权利要求5所述的基于多用途扰动观测器的永磁同步电机无差拍电流预测控制方法，其特征在于，在所述滑模扰动观测器中，选取电流跟踪误差作为滑模面：

其中，ρ是一个很小的正数，为衰减稳定运行时的抖振。

7.根据权利要求5所述的基于多用途扰动观测器的永磁同步电机无差拍电流预测控制方法，其特征在于，在步骤(3-2)中，所述滑模控制函数F_ds为：

8.根据权利要求6所述的基于多用途扰动观测器的永磁同步电机无差拍电流预测控制方法，其特征在于，通过设计李雅普诺夫函数确定λ和l，所述λ和l满足：

l＞0 (16)

其中，

9.根据权利要求1所述的基于多用途扰动观测器的永磁同步电机无差拍电流预测控制方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述使用电流环控制器和滑模扰动观测器实现鲁棒电流控制的方法为：

其中，和分别由(19)和(20)中估计的和代替：

10.根据权利要求1所述的基于多用途扰动观测器的永磁同步电机无差拍电流预测控制方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述使用滑模扰动观测器实现无位置传感器控制的方法为：

基于SMDO的转子位置估计，假设ΔL＝0且ΔR＝0，由(7)得干扰电压f_d为：

由(21)，基于估计转子位置为：

其中，和分别是的实部和虚部；

转子速度为：