CN111478632A - 一种提高永磁同步电机参数鲁棒性的无观测器控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种提高永磁同步电机参数鲁棒性的无观测器控制方法，能够有效解决现有技术中转矩脉动抑制策略所存在的不足，尤其对于电机运行过程中电感发生变化导致电机运行性能变差这一问题，可以起到明显的改善作用。该方法通过对连续两次实际电流与预测电流的差值分析，可以有效得出更加贴近电机内部参数的真实值，从而增强所建立数学模型的准确性，使得流预测与电压计算更加准确。方法中采用没有采用任何状态观测器，只是通过对预测量和与测量量的分析来实现对电机参数的合理估计，在不增加系统复杂度的同时，能有效地提高系统参数鲁棒性控制。本发明的方法只是对传统无差怕控制的改进，控制策略结构简单，控制效果较好。

Description

一种提高永磁同步电机参数鲁棒性的无观测器控制方法
技术领域
本发明涉及永磁同步电机控制技术领域，尤其涉及适用于在表贴式永磁同步电机的电感发生变化时针对其鲁棒性实现控制的技术。
背景技术
现有的永磁同步电机控制技术中，无差拍控制被越来越多的应用，然而无差拍控制往往需要建立电机模型来预测电流并计算所需电压，而电机模型的建立需要电机内部电气参数。因此，电机模型参数的准确性往往决定着控制效果。电机在运行过程中，由于工况的复杂性和外界条件的不断变化，电机内部参数不可避免地会发生变化，如：随着温度升高电阻会变大。当电机参数发生变化时，模型中所采用的参数就会与电机实际参数不匹配，导致电流预测出现误差，电压计算不准确，使控制效果恶化并严重降低电机控制的鲁棒性。
为了提高电机的参数鲁棒性，目前常用的方法是建立合适的状态观测器，来实时估计由于电机参数变化造成的扰动，并将扰动前馈补偿到计算的所需电压之中。如ZhangXiaoguang等人在《Deadbeat Predictive Current Control of Permanent-MagnetSynchronous Motors with Stator Current and Disturbance Observer》一文中，通过构建合适的滑模状态观测器实现了对电机参数变化导致扰动的有效估计，从而实现了电机参数鲁棒性的有效提高。但是，文中所采用的滑膜结构较为复杂，计算量大。实际上，任何状态观测器的建立都会加大系统的复杂程度。因此，本领域急需一种能够在有效提高电机参数鲁棒性控制的同时，又不会给系统带来很大压力的控制策略。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种提高永磁同步电机参数鲁棒性的无观测器控制方法，该方法具体包括以下步骤：
步骤一、实时采集永磁同步电机的三相定子电流、电机转速、转子位置角，并将各参数转换为交直轴d-q坐标系中的形式；
步骤二、在所述d-q坐标系下对永磁同步电机建立数学模型，结合基于步骤一所采集到的某k时刻参数，计算出k+1时刻d轴和q轴预测电流分别与d轴和q轴实际电流之间的差值；
步骤三、连续记录两个控制周期即k与k+1时刻对应的所述差值，并基于所述差值计算出电机分别在对应时刻的电机参数进行更新，结合无差拍控制原理，利用k时刻d轴和q轴的参考电流以及更新后的所述电机参数，计算k+1时刻的所需电压；
步骤四、基于计算出的所需电压，进行SVPWM调制以控制电机运行。
进一步地，所述步骤二中对永磁同步电机建立数学模型，具体采用以下形式：
Figure BDA0002487919170000021
Figure BDA0002487919170000022
式中，Ud、Uq分别为d-q坐标系下的d轴和q轴电压；id、iq分别为d轴和q轴电流；Ψf为电机转子永磁体磁链额定值；Rs为定子电阻额定值；Ld、Lq分别为d轴、q轴电感额定值；ωr为转子的电气角速度，t为时间；对于表贴式永磁同步电机来说，模型中还具有Ld＝Lq＝Ls的关系；对上述模型进行离散化处理即完成了模型的建立。
进一步地，所述步骤二中计算k+1时刻d轴和q轴预测电流，基于以下公式计算：
Figure BDA0002487919170000023
Figure BDA0002487919170000024
式中，
Figure BDA0002487919170000025
分别为k+1时刻的d轴和q轴电流预测值，Tk为一个控制周期；
所述k+1时刻的d轴和q轴实际电流，基于以下公式计算：
Figure BDA0002487919170000026
Figure BDA0002487919170000027
式中，id(k+1)、iq(k+1)分别为k+1时刻d轴和q轴实际电流，
Figure BDA0002487919170000028
分别为该时刻对应的实际电阻值、实际电感值和永磁体实际磁链值参数；
由此，计算出的k+1时刻d轴和q轴预测电流分别与d轴和q轴实际电流之间的差值为：
Figure BDA0002487919170000029
Figure BDA00024879191700000210
进一步地，步骤三中连续记录的所述两个控制周期即k与k+1时刻对应的所述差值，具体可表示为：
Figure BDA0002487919170000031
可记：
Figure BDA0002487919170000032
Figure BDA0002487919170000033
Figure BDA0002487919170000034
可解得：
Figure BDA0002487919170000035
Figure BDA0002487919170000036
Figure BDA0002487919170000037
从而对应时刻的电机参数更新为：
Figure BDA0002487919170000038
进一步地，将更新后的电机参数代入永磁同步电机模型，并利用k时刻的参考电流计算得到k+1时刻的所需电压：
Figure BDA0002487919170000039
其中，id ref(k)，iq ref(k)，分别为k时刻的d轴和q轴参考电流。
上述本发明所提供的方法，能够有效解决现有技术中转矩脉动抑制策略所存在的不足，尤其对于电机运行过程中电感发生变化导致电机运行性能变差这一问题，可以起到明显的改善作用。此外，本发明所提供的方法还至少能够实现以下有益效果：
1.上述方法通过对连续两次实际电流与预测电流的差值分析，可以有效得出更加贴近电机内部参数的真实值，从而增强所建立数学模型的准确性，电使得流预测与电压计算更加准确。
2.上述方法采用没有采用任何状态观测器，只是通过对预测量和与测量量的分析来实现对电机参数的合理估计，在不增加系统复杂度的同时，能有效地提高系统参数鲁棒性控制。
3.上述方法只是对传统无差怕控制的改进，控制策略结构简单，控制效果较好。
附图说明
图1为本发明所提供方法的流程图；
图2基于本发明所提供方法对应的整体控制的原理图；
图3为传统无差拍控制方法下的电流图；
图4为本发明的一优选实例中的电流图；
图5为传统的无差拍控制方法下电机实际电感变为额定电感2倍情况下的电流图；图6为采用了本发明所提供方法电机实际电感变为额定电感2倍情况下的电流图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明所提供的提高永磁同步电机参数鲁棒性的无观测器控制方法，如图1、2所示，其具体包括以下步骤：
步骤一、实时采集永磁同步电机的三相定子电流、电机转速、转子位置角，并将各参数转换为交直轴d-q坐标系中的形式；
步骤二、在所述d-q坐标系下对永磁同步电机建立数学模型，结合基于步骤一所采集到的某k时刻参数，计算出k+1时刻d轴和q轴预测电流分别与d轴和q轴实际电流之间的差值；
步骤三、连续记录两个控制周期即k与k+1时刻对应的所述差值，并基于所述差值计算出电机分别在对应时刻的电机参数进行更新，结合无差拍控制原理，利用k时刻d轴和q轴的参考电流以及更新后的所述电机参数，计算k+1时刻的所需电压；
步骤四、基于计算出的所需电压，进行SVPWM调制以控制电机运行。
所述步骤二中对永磁同步电机建立数学模型，具体采用以下形式：
Figure BDA0002487919170000041
Figure BDA0002487919170000042
式中，Ud、Uq分别为d-q坐标系下的d轴和q轴电压；id、iq分别为d轴和q轴电流；Ψf为电机转子永磁体磁链额定值；Rs为定子电阻额定值；Ld、Lq分别为d轴、q轴电感额定值；ωr为转子的电气角速度，t为时间；对于表贴式永磁同步电机来说，模型中还具有Ld＝Lq＝Ls的关系；对上述模型进行离散化处理即完成了模型的建立。
所述步骤二中计算k+1时刻d轴和q轴预测电流，基于以下公式计算：
Figure BDA0002487919170000051
Figure BDA0002487919170000052
式中，
Figure BDA0002487919170000053
分别为k+1时刻的d轴和q轴电流预测值，Tk为一个控制周期；
所述k+1时刻的d轴和q轴实际电流，基于以下公式计算：
Figure BDA0002487919170000054
Figure BDA0002487919170000055
式中，id(k+1)、iq(k+1)分别为k+1时刻d轴和q轴实际电流，
Figure BDA0002487919170000056
分别为该时刻对应的实际电阻值、实际电感值和永磁体实际磁链值参数；
由此，计算出的k+1时刻d轴和q轴预测电流分别与d轴和q轴实际电流之间的差值为：
Figure BDA0002487919170000057
Figure BDA0002487919170000058
步骤三中连续记录的所述两个控制周期即k与k+1时刻对应的所述差值，具体可表示为：
Figure BDA0002487919170000059
可记：
Figure BDA0002487919170000061
Figure BDA0002487919170000062
Figure BDA0002487919170000063
可解得：
Figure BDA0002487919170000064
Figure BDA0002487919170000065
Figure BDA0002487919170000066
从而对应时刻的电机参数更新为：
Figure BDA0002487919170000067
将更新后的电机参数代入永磁同步电机模型，并利用k时刻的参考电流计算得到k+1时刻的所需电压：
Figure BDA0002487919170000068
其中，id ref(k)，iq ref(k)，分别为k时刻的d轴和q轴参考电流。
在本发明的优选实例中，可以通过仿真发现，在电机内部参数没有发生变化时，本发明所提供的方法与传统的无差拍控制方法的控制效果相当，如图3、图4所示。因为此时电机参数未发生变化，在电机模型中，参数都是准确的。然而，通过对比图5和图6，当电机参数发生变化时(电机电感变为额定电感两倍)，可以很明显的看到，本发明所提供方法电流表现更好，从而使得电机运行的更平稳，电机效率更高。
应理解，本发明实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种提高永磁同步电机参数鲁棒性的无观测器控制方法，其特征在于：该具体包括以下步骤：
步骤一、实时采集永磁同步电机的三相定子电流、电机转速、转子位置角，并将各参数转换为交直轴d-q坐标系中的形式；
步骤二、在所述d-q坐标系下对永磁同步电机建立数学模型，结合基于步骤一所采集到的某k时刻参数，计算出k+1时刻d轴和q轴预测电流分别与d轴和q轴实际电流之间的差值；
步骤三、连续记录两个控制周期即k与k+1时刻对应的所述差值，并基于所述差值计算出电机分别在对应时刻的电机参数进行更新，结合无差拍控制原理，利用k时刻d轴和q轴的参考电流以及更新后的所述电机参数，计算k+1时刻的所需电压；
步骤四、基于计算出的所需电压，进行SVPWM调制以控制电机运行。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤二中对永磁同步电机建立数学模型，具体采用以下形式：
Figure FDA0002487919160000011
Figure FDA0002487919160000012
式中，Ud、Uq分别为d-q坐标系下的d轴和q轴电压；id、iq分别为d轴和q轴电流；Ψf为电机转子永磁体磁链额定值；Rs为定子电阻额定值；Ld、Lq分别为d轴、q轴电感额定值；ωr为转子的电气角速度，t为时间；对上述模型进行离散化处理即完成了模型的建立。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤二中计算k+1时刻d轴和q轴预测电流，基于以下公式计算：
Figure FDA0002487919160000013
Figure FDA0002487919160000014
式中，
Figure FDA0002487919160000015
分别为k+1时刻的d轴和q轴电流预测值，Tk为一个控制周期；
所述k+1时刻的d轴和q轴实际电流，基于以下公式计算：
Figure FDA0002487919160000016
Figure FDA0002487919160000017
式中，id(k+1)、iq(k+1)分别为k+1时刻d轴和q轴实际电流，
Figure FDA0002487919160000021
分别为该时刻对应的实际电阻值、实际电感值和永磁体实际磁链值参数；
由此，计算出的k+1时刻d轴和q轴预测电流分别与d轴和q轴实际电流之间的差值为：
Figure FDA0002487919160000022
Figure FDA0002487919160000023
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤三中连续记录的所述两个控制周期即k与k+1时刻对应的所述差值，具体可表示为：
Figure FDA0002487919160000024
可记：
Figure FDA0002487919160000025
Figure FDA0002487919160000026
Figure FDA0002487919160000027
可解得：
Figure FDA0002487919160000028
Figure FDA0002487919160000029
Figure FDA00024879191600000210
从而对应时刻的电机参数更新为：
Figure FDA00024879191600000211
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：将更新后的电机参数代入永磁同步电机模型，并利用k时刻的参考电流计算得到k+1时刻的所需电压：
Figure FDA0002487919160000031
其中，id ref(k)，iq ref(k)，分别为k时刻的d轴和q轴参考电流。
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