CN111200382A - 一种非级联的永磁同步电动机无差拍预测控制方法 - Google Patents

一种非级联的永磁同步电动机无差拍预测控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111200382A
CN111200382A CN202010027212.4A CN202010027212A CN111200382A CN 111200382 A CN111200382 A CN 111200382A CN 202010027212 A CN202010027212 A CN 202010027212A CN 111200382 A CN111200382 A CN 111200382A
Authority
CN
China
Prior art keywords
permanent magnet
synchronous motor
magnet synchronous
dead
load torque
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202010027212.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111200382B (zh
Inventor
徐艳平
任璟璐
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xian University of Technology
Original Assignee
Xian University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xian University of Technology filed Critical Xian University of Technology
Priority to CN202010027212.4A priority Critical patent/CN111200382B/zh
Publication of CN111200382A publication Critical patent/CN111200382A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111200382B publication Critical patent/CN111200382B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/0003—Control strategies in general, e.g. linear type, e.g. P, PI, PID, using robust control
    • H02P21/0007—Control strategies in general, e.g. linear type, e.g. P, PI, PID, using robust control using sliding mode control
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/13—Observer control, e.g. using Luenberger observers or Kalman filters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/14—Estimation or adaptation of machine parameters, e.g. flux, current or voltage
    • H02P21/18—Estimation of position or speed
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/14—Estimation or adaptation of machine parameters, e.g. flux, current or voltage
    • H02P21/20—Estimation of torque
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P25/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
    • H02P25/02—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the kind of motor
    • H02P25/022—Synchronous motors
    • H02P25/024—Synchronous motors controlled by supply frequency
    • H02P25/026—Synchronous motors controlled by supply frequency thereby detecting the rotor position
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters
    • H02P27/08—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters with pulse width modulation
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/34—Modelling or simulation for control purposes
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P2205/00—Indexing scheme relating to controlling arrangements characterised by the control loops
    • H02P2205/01—Current loop, i.e. comparison of the motor current with a current reference
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P2205/00—Indexing scheme relating to controlling arrangements characterised by the control loops
    • H02P2205/05—Torque loop, i.e. comparison of the motor torque with a torque reference
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P2205/00—Indexing scheme relating to controlling arrangements characterised by the control loops
    • H02P2205/07—Speed loop, i.e. comparison of the motor speed with a speed reference
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P2207/00—Indexing scheme relating to controlling arrangements characterised by the type of motor
    • H02P2207/05—Synchronous machines, e.g. with permanent magnets or DC excitation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Ac Motors In General (AREA)
  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)

Abstract

本发明公开了一种非级联的永磁同步电动机无差拍预测控制方法，具体包括如下步骤：步骤1，通过电流霍尔传感器获得永磁同步电动机的相电流，经过Clark变换模块将相电流转换为两相静止αβ坐标系下的电流，再经Park变换模块得到两相旋转dq坐标系下的直轴电流和交轴电流，同时由光电旋转编码器获得永磁同步电动机转子位置角，并将永磁同步电动机转子位置角θ用于Park变换模块，得到永磁同步电动机的角速度；步骤2，处理器根据转速、直轴电流，输出相应的控制信号给逆变器，从而使表贴式永磁同步电动机的实际转速跟踪给定转速。本发明将传统无差拍预测控制的转速环与电流环改为非级联结构的无差拍预测控制，避免了参数多不易整定的问题。

Description

一种非级联的永磁同步电动机无差拍预测控制方法
技术领域
本发明属于交流永磁同步电动机传动技术领域，涉及一种非级联的永磁同步电动机无差拍预测控制方法。
背景技术
永磁同步电动机因其具有结构简单、效率高、功率密度高等优点而广泛应用于各种工业场合，因此永磁同步电动机控制方法也已成为了众多学者研究的热点。矢量控制、直接转矩控制和预测控制是较为主流的三种永磁同步电动机控制方法，其中矢量控制转速环与电流环控制器均采用PI控制器，可调参数较多。直接转矩控制需要对转速环的PI参数进行整定，并且具有明显的转矩脉动。预测控制主要包括模型预测控制和无差拍预测控制，其中无差拍预测控制由于其动态性能好、优化方便而备受青睐，但无差拍控制方法仍需转速环PI控制器，参数整定过程较为繁琐，并且由于积分环节的存在易导致系统调节时间较长。
发明内容
本发明的目的是提供一种非级联的永磁同步电动机无差拍预测控制方法，该方法将传统无差拍预测控制的转速环与电流环改为非级联结构的无差拍预测控制，简化了现有控制结构，避免了参数多不易整定的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种非级联的永磁同步电动机无差拍预测控制方法，具体包括如下步骤：
步骤1，通过电流霍尔传感器获得永磁同步电动机的相电流ia、ib，经过Clark变换模块将相电流ia、ib转换为两相静止αβ坐标系下的电流iα、iβ，再经Park变换模块得到两相旋转dq坐标系下的直轴电流id和交轴电流iq，同时由光电旋转编码器获得永磁同步电动机转子位置角θ，并将永磁同步电动机转子位置角θ用于Park变换模块，得到永磁同步电动机的角速度ωe，最后将id、iq和ωe送入处理器；
步骤2，处理器根据永磁同步电动机转速给定值
Figure BDA0002362903630000021
直轴电流给定值
Figure BDA0002362903630000022
和步骤1得到的永磁同步电动机的a、b相定子电流ia、ib和永磁同步电动机的实际转速ωr，输出相应的控制信号给逆变器，从而使表贴式永磁同步电动机的实际转速跟踪给定转速。
本发明的特点还在于：
步骤2的具体过程为：
步骤2.1，采用滑模负载转矩观测器来观测永磁同步电动机的负载转矩，获得负载转矩的观测值
Figure BDA0002362903630000023
步骤2.2，设计非级联无差拍预测控制器，将给定转速
Figure BDA0002362903630000024
给定直轴电流
Figure BDA0002362903630000025
直轴电流id、交轴电流iq、电角速度ωe和步骤2.1中观测出的负载转矩
Figure BDA0002362903630000026
送入非级联无差拍预测控制器中获得给定电压
Figure BDA0002362903630000027
步骤2.3，将步骤2.2中获得的给定量
Figure BDA0002362903630000028
经过反Park变换模块得到两相静止αβ坐标系下的给定电压
Figure BDA0002362903630000029
将给定电压
Figure BDA00023629036300000210
送入SVPWM模块后得到开关序列，将开关序列作用于两电平电压源型逆变器，以控制表贴式永磁同步电动机。
步骤2.1的具体过程为：
步骤2.1.1，在一个采样周期内负载转矩的变化可视为0，即
Figure BDA0002362903630000031
步骤2.1.2，根据永磁同步动机的运动方程，将负载转矩视为扩展状态变量，构建永磁同步电动机的状态方程；
步骤2.1.3，选择机械角速度实际值与观测值之差为滑模面，即滑膜面
Figure BDA0002362903630000032
选择符号函数为趋近函数，设计滑模负载转矩观测器。
步骤2.1.2中构建的永磁同步电动机的状态方程为：
Figure BDA0002362903630000033
步骤2.1.3中滑模负载转矩观测器的设计方程为：
Figure BDA0002362903630000034
其中，
Figure BDA0002362903630000035
为机械角速度的观测值，
Figure BDA0002362903630000036
为负载转矩的观测值，k1、k2为滑模负载转矩观测器的参数。
步骤2.2中非级联无差拍预测控制器的设计过程为：
步骤A，建立表贴式永磁同步电动机在两相旋转dq坐标系中的状态方程如下：
Figure BDA0002362903630000037
Figure BDA0002362903630000038
Figure BDA0002362903630000039
Figure BDA0002362903630000041
式中：ud和uq分别为直轴电压和交轴电压，Ls为定子电感，Rs为定子电阻，ψf为永磁体磁链，J为转动惯量，B为粘滞摩擦系数，Te为电磁转矩，TL为负载转矩；
步骤B，根据永磁同步电动机数学模型，采用欧拉离散法可将状态方程式(4)至式(7)离散化为：
Figure BDA0002362903630000042
Figure BDA0002362903630000043
Figure BDA0002362903630000044
Figure BDA0002362903630000045
其中Tsp为机械采样周期，Ts为电气采样周期，满足Tsp＝10Ts；
将式(11)改写为：
Figure BDA0002362903630000046
将式(12)代入到式(8)中，可以得到：
Figure BDA0002362903630000047
在式(13)中无法通过当前的电压矢量得到ωe(k+1)，可将式(13)改写为：
Figure BDA0002362903630000051
由式(14)可以得到：
Figure BDA0002362903630000052
式中，可令
Figure BDA0002362903630000053
由永磁同步电动机数学模型式(9)、式(10)可得：
Figure BDA0002362903630000054
离散化式(16)可得：
Figure BDA0002362903630000055
令
Figure BDA0002362903630000056
并将式(15)代入式(17)中可以得到：
Figure BDA0002362903630000057
式中，可令ωe *＝ωe(k+1)，其中TL(k)可由步骤2.1中负载转矩观测器获得。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明根据无差拍预测控制原理，由给定转速
Figure BDA0002362903630000058
给定直轴电流
Figure BDA0002362903630000059
直轴电流id、交轴电流iq和电角速度ωe(ωe＝Pnωm，ωm为永磁同步电动机机械角速度，Pn为永磁同步电动机极对数)，结合永磁同步电动机的机械运动方程和电压方程，直接计算出最优控制量，进而利用空间电压矢量调制方法产生开关驱动信号控制逆变器。本发明将传统无差拍预测控制方法的双闭环结构合二为一，简化了控制系统，明显提高了系统的响应速度。
(2)由于本发明涉及的控制方法是利用无差拍预测控制原理，并结合永磁同步电动机数学模型直接计算出最优指令，因此不需要PI控制器产生最优控制指令，进而在控制器中也无需进行参数调节，避免了传统方法中繁琐的参数整定过程，能够有效地提高调试效率。
附图说明
图1是本发明一种非级联的永磁同步电动机无差拍预测控制方法采用的控制系统的结构示意图；
图2是本发明一种非级联的永磁同步电动机无差拍预测控制方法的流程图；
图3是本发明一种非级联的永磁同步电动机无差拍预测控制方法采用的控制系统的转速波形图；
图4是本发明一种非级联的永磁同步电动机无差拍预测控制方法采用的控制系统的直轴电流波形图；
图5是本发明一种非级联的永磁同步电动机无差拍预测控制方法采用的控制系统的交轴电流波形图；
图6是本发明一种非级联的永磁同步电动机无差拍预测控制方法采用的控制系统的相电流波形图。
图中，1.非级联无差拍预测控制器，2.反Park变换模块，3.SVPWM模块，4.两电平电压源型逆变器，5.电流霍尔传感器，6.Clark变换模块，7.Park变换模块，8.滑模负载转矩观测器，9.表贴式永磁同步电动机，10.光电旋转编码器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种非级联的永磁同步电动机无差拍预测控制方法，采用一种非级联的永磁同步电动机无差拍预测控制系统，如图1所示，包括非级联无差拍控制器1、反Park变换模块2、SVPWM模块3、两电平电压源型逆变器4、电流霍尔传感器5、Clark变换模块6、Park变换模块7、滑模负载转矩观测器8、表贴式永磁同步电动机9、光电旋转编码器10。其中表贴式永磁同步电动机9和两电平电压源型逆变器4为控制对象，非级联无差拍预测控制器1、反Park变换模块2、SVPWM模块3、Clark变换模块6、Park变换模块7、滑模负载转矩观测器8为软件算法模块。
本发明一种非级联的永磁同步电动机无差拍预测控制方法，利用永磁同步电动机数学模型，结合无差拍预测控制原理，直接计算获得最优控制量，通过空间矢量调制产生相应的开关序列，进而控制永磁同步电动机。
本发明一种非级联的永磁同步电动机无差拍预测控制方法，参见图2，具体包括如下步骤：
步骤1，通过电流霍尔传感器5获得永磁同步电动机的相电流ia、ib，经过Clark变换模块6将相电流ia、ib转换为两相静止αβ坐标系下的电流iα、iβ，再经Park变换模块7得到两相旋转dq坐标系下的直轴电流id和交轴电流iq，同时由光电旋转编码器10获得永磁同步电动机转子位置角θ，并将永磁同步电动机转子位置角θ用于Park变换模块7，而后可得到永磁同步电动机的角速度ωe，最后将id、iq和ωe送入处理器；
步骤2，处理器根据永磁同步电动机转速给定值
Figure BDA0002362903630000071
直轴电流给定值
Figure BDA0002362903630000072
和步骤1得到的永磁同步电动机的a、b相定子电流ia、ib和永磁同步永磁同步电动机的实际转速ωr，实现控制算法，输出相应的控制信号给逆变器，从而使表贴式永磁同步电动机9的实际转速跟踪给定转速。
步骤2的具体过程为：
步骤2.1，观测负载转矩。
将永磁同步电动机的交轴电流iq和机械角速度ωm送入滑模负载转矩观测器8中获得负载转矩观测值；为了实时观测出控制系统的负载转矩，本发明采用滑模负载转矩观测器来观测永磁同步电动机的负载转矩。
由于控制器的采样周期远大于负载转矩的变化率，因此在一个采样周期内负载转矩的变化可视为0，即
Figure BDA0002362903630000081
因此，结合永磁同步电动机的运动方程，可将负载转矩视为扩展状态变量，构建永磁同步电动机的状态方程为：
Figure BDA0002362903630000082
选择机械角速度实际值与观测值之差为滑模面，即滑膜面
Figure BDA0002362903630000083
选择符号函数为趋近函数，将机械角速度和负载转矩视为观测值，则滑模负载转矩观测器8可以设计为：
Figure BDA0002362903630000084
其中，
Figure BDA0002362903630000085
为机械角速度的观测值，
Figure BDA0002362903630000086
为负载转矩的观测值，k1、k2为滑模负载转矩观测器8的参数。
当滑模负载转矩观测器8的状态变量到达滑模面s＝0之后，滑模负载转矩观测器8状态将一直保持在滑模面上，此时可以得到永磁同步电动机机械角速度
Figure BDA0002362903630000091
和负载转矩的观测值
Figure BDA0002362903630000092
步骤2.2，设计非级联无差拍预测控制器1；将给定转速
Figure BDA0002362903630000093
给定直轴电流
Figure BDA0002362903630000094
直轴电流id、交轴电流iq、电角速度ωe和步骤2.1中观测出的负载转矩
Figure BDA0002362903630000095
送入非级联无差拍预测控制器1中获得给定电压
Figure BDA0002362903630000096
非级联无差拍预测控制器1的具体设计过程为：
步骤A，建立表贴式永磁同步电动机在两相旋转dq坐标系中的状态方程如下：
Figure BDA0002362903630000097
Figure BDA0002362903630000098
Figure BDA0002362903630000099
Figure BDA00023629036300000910
式中：ud和uq分别为直轴电压和交轴电压，Ls为定子电感，Rs为定子电阻，ψf为永磁体磁链，J为转动惯量，B为粘滞摩擦系数，Te为电磁转矩，TL为负载转矩。
步骤B，根据永磁同步电动机数学模型，结合无差拍预测控制原理设计非级联无差拍预测控制器；采用欧拉离散法可将状态方程式(4)至式(7)离散化为：
Figure BDA0002362903630000101
Figure BDA0002362903630000102
Figure BDA0002362903630000103
Figure BDA0002362903630000104
其中Tsp为机械采样周期，Ts为电气采样周期，满足Tsp＝10Ts。
将式(11)改写为：
Figure BDA0002362903630000105
将式(12)代入到式(8)中，可以得到：
Figure BDA0002362903630000106
在式(13)中无法通过当前的电压矢量得到ωe(k+1)，由于永磁同步电动机的机械时间常数远大于电气时间常数，因此相邻两个控制周期的电流对转速的影响几乎相同，可将式(13)改写为：
Figure BDA0002362903630000107
由式(14)可以得到：
Figure BDA0002362903630000108
式中，可令
Figure BDA0002362903630000109
由永磁同步电动机数学模型式(9)、式(10)可得：
Figure BDA0002362903630000111
离散化式(16)可得：
Figure BDA0002362903630000112
令
Figure BDA0002362903630000113
并将式(15)代入式(17)中可以得到：
Figure BDA0002362903630000114
式中，可令ωe *＝ωe(k+1)，其中TL(k)可由步骤2.1中负载转矩观测器8获得。
步骤2.3，将步骤2.2中获得的给定量
Figure BDA0002362903630000115
经过反Park变换模块2得到两相静止αβ坐标系下的给定电压
Figure BDA0002362903630000116
将给定电压
Figure BDA0002362903630000117
送入SVPWM模块3后得到开关序列，作用于两电平电压源型逆变器4，以控制表贴式永磁同步电动机9，使表贴式永磁同步电动机9获得较好的动稳态性能。
本发明一种非级联的永磁同步电动机无差拍预测控制方法根据无差拍预测原理，由给定转速
Figure BDA0002362903630000118
给定直轴电流
Figure BDA0002362903630000119
直轴电流id、交轴电流iq和电角速度ωe，结合永磁同步电动机的机械运动方程和电压方程，直接计算出最优控制量，进而利用空间电压矢量调制方法产生开关信号控制逆变器。本发明将传统无差拍预测控制方法的双闭环结构合二为一，简化了控制系统，明显提高了系统的响应速度。
由于本发明一种非级联的永磁同步电动机无差拍预测控制方法是直接利用无差拍预测控制原理，并结合永磁同步电动机数学模型直接计算出最优指令，因此不需要PI控制器产生最优控制指令，进而在控制器中也无需进行参数调节，避免了传统方法中繁琐的参数整定过程，能够有效地提高调试效率。
实施例
本发明一种非级联的永磁同步电动机无差拍预测控制方法，为了验证本发明方法的可行性，利用MATLAB/SIMULINK进行了仿真验证。仿真模型中非级联无差拍预测控制模块1、反Park变换模块2、SVPWM调制模块3、Clark变换模块6、Park变换模块7、滑模负载转矩观测器模块8均采用S-function Builder功能模块实现，采样频率均为10kHz。
在上述仿真模型中，永磁同步电动机参数设置为：永磁体磁链为0.253Wb、定子电感为21.73mH、额定电压为382V、额定电流为4.4A、定子电阻为2.725Ω、额定转速为2430r/min、极对数为4、转动惯量为0.0011(kg·m2)、粘滞摩擦系数为0.001(kg·m2/s)、额定负载转矩为9.6N·m。仿真结果如图3～6所示。
图3为永磁同步电动机空载起动至1000r/min、在0.3s突加额定负载9.6N·m、在0.5s转速由1000r/min突变为-1000r/min的波形图；图4为永磁同步电动机直轴电流波形；图5为永磁同步电动机交轴电流波形；图6为永磁同步电动机相电流波形。
从图3可以看出，本发明一种非级联的永磁同步电动机无差拍预测控制方法中永磁同步电动机能够平滑起动且无超调；在突加额定负载时能较快地恢复至给定转速；在突加给定转速及永磁同步电动机反转时，永磁同步电动机均能较快地达到给定转速。
从图4和图5可以看出，本发明一种非级联的永磁同步电动机无差拍预测控制方法中的直轴电流可以严格的跟随给定
Figure BDA0002362903630000131
且具有较小的电流脉动。交轴电流可以跟随负载转矩且脉动较小。
从图6中可以看出，本发明一种非级联的永磁同步电动机无差拍预测控制方法中的永磁同步电动机相电流可以保持较好地正弦度。上述仿真结果可以验证本发明一种非级联的永磁同步电动机无差拍预测控制方法的可行性。因此本发明一种非级联的永磁同步电动机无差拍预测控制方法，在非级联结构下无需参数整定仍能较好地控制永磁同步电动机。

Claims (6)

1.一种非级联的永磁同步电动机无差拍预测控制方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
步骤1，通过电流霍尔传感器获得永磁同步电动机的相电流ia、ib，经过Clark变换模块将相电流ia、ib转换为两相静止αβ坐标系下的电流iα、iβ，再经Park变换模块得到两相旋转dq坐标系下的直轴电流id和交轴电流iq，同时由光电旋转编码器获得永磁同步电动机转子位置角θ，并将永磁同步电动机转子位置角θ用于Park变换模块，得到永磁同步电动机的角速度ωe，最后将id、iq和ωe送入处理器；
步骤2，处理器根据永磁同步电动机转速给定值
Figure FDA0002362903620000011
直轴电流给定值
Figure FDA0002362903620000012
和步骤得到的永磁同步电动机的a、b相定子电流ia、ib和永磁同步电动机的实际转速ωr，输出相应的控制信号给逆变器，从而使表贴式永磁同步电动机的实际转速跟踪给定转速。
2.根据权利要求1所述的一种非级联的永磁同步电动机无差拍预测控制方法，其特征在于：所述步骤2的具体过程为：
步骤2.1，采用滑模负载转矩观测器来观测永磁同步电动机的负载转矩，获得负载转矩的观测值
Figure FDA0002362903620000013
步骤2.2，设计非级联无差拍预测控制器，将给定转速
Figure FDA0002362903620000014
给定直轴电流
Figure FDA0002362903620000015
直轴电流id、交轴电流iq、电角速度ωe和步骤2.1中观测出的负载转矩
Figure FDA0002362903620000016
送入非级联无差拍预测控制器中获得给定电压
Figure FDA0002362903620000017
步骤2.3，将步骤2.2中获得的给定量
Figure FDA0002362903620000018
经过反Park变换模块得到两相静止αβ坐标系下的给定电压
Figure FDA0002362903620000021
将给定电压
Figure FDA0002362903620000022
送入SVPWM模块后得到开关序列，将开关序列作用于两电平电压源型逆变器，以控制表贴式永磁同步电动机。
3.根据权利要求2所述的一种非级联的永磁同步电动机无差拍预测控制方法，其特征在于：所述步骤2.1的具体过程为：
步骤2.1.1，在一个采样周期内负载转矩的变化可视为0，即
Figure FDA0002362903620000023
步骤2.1.2，根据永磁同步动机的运动方程，将负载转矩视为扩展状态变量，构建永磁同步电动机的状态方程；
步骤2.1.3，选择机械角速度实际值与观测值之差为滑模面，即滑膜面
Figure FDA0002362903620000024
选择符号函数为趋近函数，设计滑模负载转矩观测器。
4.根据权利要求3所述的一种非级联的永磁同步电动机无差拍预测控制方法，其特征在于：所述步骤2.1.2中构建的永磁同步电动机的状态方程为：
Figure FDA0002362903620000025
5.根据权利要求4所述的一种非级联的永磁同步电动机无差拍预测控制方法，其特征在于：所述步骤2.1.3中滑模负载转矩观测器的设计方程为：
Figure FDA0002362903620000026
其中，
Figure FDA0002362903620000027
为机械角速度的观测值，
Figure FDA0002362903620000028
为负载转矩的观测值，k1、k2为滑模负载转矩观测器的参数。
6.根据权利要求5所述的一种非级联的永磁同步电动机无差拍预测控制方法，其特征在于：所述步骤2.2中非级联无差拍预测控制器的设计过程为：
步骤A，建立表贴式永磁同步电动机在两相旋转dq坐标系中的状态方程如下：
Figure FDA0002362903620000031
Figure FDA0002362903620000032
Figure FDA0002362903620000033
Figure FDA0002362903620000034
式中：ud和uq分别为直轴电压和交轴电压，Ls为定子电感，Rs为定子电阻，ψf为永磁体磁链，J为转动惯量，B为粘滞摩擦系数，Te为电磁转矩，TL为负载转矩；
步骤B，根据永磁同步电动机数学模型，采用欧拉离散法可将状态方程式(4)至式(7)离散化为：
Figure FDA0002362903620000035
Figure FDA0002362903620000036
Figure FDA0002362903620000037
Figure FDA0002362903620000038
其中Tsp为机械采样周期，Ts为电气采样周期，满足Tsp＝10Ts；
将式(11)改写为：
Figure FDA0002362903620000041
将式(12)代入到式(8)中，可以得到：
Figure FDA0002362903620000042
在式(13)中无法通过当前的电压矢量得到ωe(k+1)，可将式(13)改写为：
Figure FDA0002362903620000043
由式(14)可以得到：
Figure FDA0002362903620000044
式中，可令
Figure FDA0002362903620000045
由永磁同步电动机数学模型式(9)、式(10)可得：
Figure FDA0002362903620000046
离散化式(16)可得：
Figure FDA0002362903620000047
令
Figure FDA0002362903620000048
并将式(15)代入式(17)中可以得到：
Figure FDA0002362903620000051
式中，可令
Figure FDA0002362903620000052
其中TL(k)可由步骤2.1中负载转矩观测器获得。
CN202010027212.4A 2020-01-10 2020-01-10 一种非级联的永磁同步电动机无差拍预测控制方法 Active CN111200382B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010027212.4A CN111200382B (zh) 2020-01-10 2020-01-10 一种非级联的永磁同步电动机无差拍预测控制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010027212.4A CN111200382B (zh) 2020-01-10 2020-01-10 一种非级联的永磁同步电动机无差拍预测控制方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111200382A true CN111200382A (zh) 2020-05-26
CN111200382B CN111200382B (zh) 2023-06-30

Family

ID=70746926

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010027212.4A Active CN111200382B (zh) 2020-01-10 2020-01-10 一种非级联的永磁同步电动机无差拍预测控制方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111200382B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111865151A (zh) * 2020-08-21 2020-10-30 华中科技大学 一种独立无刷双馈感应发电机无参数预测电流控制方法
CN113809960A (zh) * 2021-08-31 2021-12-17 西安理工大学 无负载转矩观测器的永磁同步电机模型预测速度控制方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150318807A1 (en) * 2012-12-19 2015-11-05 Tianjin University Direct torque control method for inhibiting torque ripples
JP2015223023A (ja) * 2014-05-22 2015-12-10 株式会社デンソー 同期モータの制御装置
CN107154763A (zh) * 2017-05-27 2017-09-12 东南大学 永磁同步电机无差拍直接转矩控制系统及控制方法
CN110460280A (zh) * 2019-08-29 2019-11-15 西安理工大学 一种基于滑模负载转矩观测器的永磁同步电动机控制方法
CN110492817A (zh) * 2019-08-05 2019-11-22 北方工业大学 一种永磁同步电机的直接速度预测控制方法及设备
CN209844868U (zh) * 2019-04-25 2019-12-24 西安理工大学 永磁同步电机无差拍电流预测控制系统

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150318807A1 (en) * 2012-12-19 2015-11-05 Tianjin University Direct torque control method for inhibiting torque ripples
JP2015223023A (ja) * 2014-05-22 2015-12-10 株式会社デンソー 同期モータの制御装置
CN107154763A (zh) * 2017-05-27 2017-09-12 东南大学 永磁同步电机无差拍直接转矩控制系统及控制方法
CN209844868U (zh) * 2019-04-25 2019-12-24 西安理工大学 永磁同步电机无差拍电流预测控制系统
CN110492817A (zh) * 2019-08-05 2019-11-22 北方工业大学 一种永磁同步电机的直接速度预测控制方法及设备
CN110460280A (zh) * 2019-08-29 2019-11-15 西安理工大学 一种基于滑模负载转矩观测器的永磁同步电动机控制方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
XIAOGUANG ZHANG ET AL.: "Direct Voltage-Selection Based Model Predictive Direct Speed Control for PMSM Drives Without Weighting Factor", 《IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS》 *
XIAOGUANG ZHANG ET AL.: "Direct Voltage-Selection Based Model Predictive Direct Speed Control for PMSM Drives Without Weighting Factor", 《IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS》, 15 November 2018 (2018-11-15), pages 7838 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111865151A (zh) * 2020-08-21 2020-10-30 华中科技大学 一种独立无刷双馈感应发电机无参数预测电流控制方法
CN113809960A (zh) * 2021-08-31 2021-12-17 西安理工大学 无负载转矩观测器的永磁同步电机模型预测速度控制方法
CN113809960B (zh) * 2021-08-31 2023-05-12 西安理工大学 无负载转矩观测器的永磁同步电机模型预测速度控制方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN111200382B (zh) 2023-06-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109660170B (zh) 一种永磁同步电机高可靠性电流预测控制方法及其系统
CN110350835B (zh) 一种永磁同步电机无位置传感器控制方法
CN107317532B (zh) 基于滑模的永磁同步电机预测电流控制方法和系统
CN110336501A (zh) 一种内嵌式永磁同步电机模型预测控制方法
CN107943121B (zh) 一种考虑非线性特性的永磁同步电动机模拟器及其控制方法
CN103401503B (zh) 一种在谐波平面在线辨识双三相电机参数的方法及装置
CN109560736A (zh) 基于二阶终端滑模的永磁同步电机控制方法
CN110022106B (zh) 一种基于高频信号注入的永磁同步电机无位置传感器控制方法
CN109495048A (zh) 基于mrac观测器的永磁同步电机无速度传感器控制方法
CN106533303A (zh) 一种永磁无刷直流电机驱动器控制方法
CN105406784B (zh) 单绕组无轴承电机转矩和悬浮力直接控制器及构造方法
CN113472257A (zh) 基于扰动补偿的永磁直驱风力发电系统有限集模型预测电流控制方法
CN105846745A (zh) 一种无刷直流电机直接转矩控制系统和控制方法
Wang et al. Simulation of PMSM field-oriented control based on SVPWM
CN107508517A (zh) 一种低速电动汽车交流异步电机矢量控制方法和系统
CN111200382A (zh) 一种非级联的永磁同步电动机无差拍预测控制方法
El Mourabit et al. DTC-SVM Control for permanent magnet synchronous generator based variable speed wind turbine
CN110198050B (zh) 一种不平衡电网下基于转矩-无功协同控制的dfig虚拟同步控制方法
CN107872182A (zh) 一种基于广义模型预测的永磁同步电机控制方法
CN105871278A (zh) 一种基于直接特征控制的新型凸极永磁同步电机控制方法
CN113517829B (zh) 一种无刷直流电机最大转矩电流比控制方法和系统
CN106777596B (zh) 微电网半实物仿真系统及风力发电机闭环控制方法
CN113809960B (zh) 无负载转矩观测器的永磁同步电机模型预测速度控制方法
CN115765553B (zh) 一种基于预估校正法的永磁同步电机连续集模型预测控制方法
CN111245320B (zh) 基于功率平衡的同步磁阻电机的控制方法和控制装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant