CN111628689B - 一种电压前馈补偿方法的无差拍电流预测控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电压前馈补偿方法的无差拍电流预测控制方法。本发明首先通过最小二乘递推算法辨识电机的实际电感参数，建立电压前馈补偿通道；然后将当前时刻的电流给定值与下一个时刻的电流实际值做差得到电流估计误差，将该误差作为输入应用在电压前馈补偿通道上，即可完成对三相逆变器的控制电压的补偿。本发明方法可以在电机参数失配的情况下，提高电流预测控制方法的鲁棒性以及准确性，并且只需要对电机电感进行单独辨识，易于实现且计算量很小。

Description

一种电压前馈补偿方法的无差拍电流预测控制方法
技术领域
本发明涉及一种电机的电流控制方法，具体涉及一种电压前馈补偿方法的无差拍电流预测控制方法。
背景技术
CPC是一种电机的电流环控制方法，通过采集定子电流和电机转速信号，经过基于电机参数的公式计算后，得到三相逆变器的控制电压矢量。该方法与常用的PID控制器相比，能够使得电机的电流环输出在一个采样周期内跟随上给定信号，提高系统带宽，并且无需进行参数整定，计算过程简单，利于工程上的代码实现。
CPC适用于永磁同步电机，但是在实际应用中，由于电机标称值并非完全准确，因此会产生参数失配的情况。参数失配会对CPC的实际控制效果产生诸多不利的影响，例如输出有静差，系统稳定性变差等。针对该问题，传统的解决办法是参数辨识，即对CPC中涉及到的三个电机相关参数：定子电阻、定子电感以及永磁体磁链进行辨识。但该方法会引入复杂的参数辨识计算，给系统增加负担。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种用于电机系统参数失配情况下的电压前馈补偿的无差拍电流预测控制方法，用于永磁同步电机的电流预测控制(Current Predictive Control，CPC)方法，可在电机参数失配时对控制效果进行优化，尽可能地减少对于电机参数的依赖性，在此基础上实现无差拍电流预测控制方法。
本发明的技术方案是在系统发生参数失配的情况下，采用以下步骤对三相逆变器的控制电压进行补偿：
1)通过最小二乘递推算法单独辨识电机的实际电感参数；
2)基于三相逆变器的控制电压补偿量的计算公式建立建立电压前馈补偿通道，将电流估计误差输入电压前馈补偿通道后得到控制电压补偿量；
3)根据传统的无差拍电流预测控制模型，计算出控制电压；
4)将步骤2)得到的控制电压补偿量加入步骤3)传统无差拍电流预测控制模型计算得到的控制电压中，实现三相逆变器控制电压的补偿。
所述步骤1)具体为：采用最小二乘递推算法对辨识模型中电机的实际电感参数进行单独辨识，所述辨识模型为：
Figure BDA0002475997610000021
其中，T代表采样时间，ud代表d轴定子电压矢量，id(k)和id(k+1)分别代表k和k+1前后两个时刻的d轴定子电流，iq(k)代表k时刻q轴定子电流，ωe代表电机旋转时的电角速度，
Figure BDA0002475997610000027
代表定子绕组电感即需辨识的实际电感参数。
由此，在本发明的参数辨识过程中，并不涉及另外两个电机参数(定子电阻和永磁体磁链)，辨识过程简单，且不与其他参数有耦合关系。
所述步骤2)具体为：
1)基于三相逆变器的控制电压补偿量的计算公式建立电压前馈补偿通道；三相逆变器的控制电压补偿量的计算公式为：
Figure BDA0002475997610000022
其中，T代表采样时间，
Figure BDA0002475997610000023
代表定子绕组电感即步骤1)单独辨识的实际电感参数，
Figure BDA0002475997610000024
代表k时刻d轴或q轴定子电流给定值，ix(k+1)代表k+1时刻d轴或q轴定子电流实际值，βx代表三相逆变器的控制电压补偿量，d、q分别代表d轴和q轴方向即直轴和交轴方向；
本发明建立的电压前馈补偿通道仅包含一个传递函数
Figure BDA0002475997610000028
/T。
2)将当前时刻的定子电流给定值与下一个时刻的定子电流实际值做差得到电流估计误差，将电流估计误差输入电压前馈补偿通道后得到控制电压补偿量βx；
所述步骤3)中传统的无差拍电流预测控制模型为：
u(k)＝G-1(x(k+1)-F(k)·x(k)-H(k))
u(k)表示输出矩阵，x(k)表示输入矩阵，G、F(k)、H(k)表示系数矩阵。
公式中各矩阵具体形式如下：
x(k)＝[id(k) iq(k)]T；u(k)＝[ud(k) uq(k)]T
Figure BDA0002475997610000025
Figure BDA0002475997610000026
其中，id(k)和iq(k)分别代表第k时刻定子电流实际值的d轴分量和q轴分量；ud(k)和uq(k)分别代表第k时刻定子电压矢量d轴分量和q轴分量，即三相逆变器的控制电压；ωe(k)第k时刻的电角速度；T代表采样时间；L代表定子绕组电感标称值；R代表定子电阻标称值；ψf代表永磁体磁链标称值。
本发明的有益效果是：
本发明方法仅需要辨识电机的电感参数，无需对其他参数进行复杂的辨识计算，并且在电压前馈通道上的运算方式十分简单，有效地消除了参数失配所造成的电流静差、稳定性降低等问题。与此同时保持了系统带宽大和计算过程简单的优势，非常利于工程上实现。
附图说明
图1是电流预测控制系统结构框图。
图2是电压前馈补偿结构图。
图3是电感参数仿真辨识结果。
图4是传统无差拍电流预测控制在参数失配时的仿真结果。
图5是基于电压前馈的无差拍电流预测控制在参数失配时的仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明实施例及其工作原理过程如下：
由于电机标称值并非准确，电流预测控制方法中所用到的电机参数均为估计值，因此电机电流环输出存在静差，严重的参数失配甚至导致系统不稳定。为了实现在参数失配情况下，电流预测控制仍然能够正常工作的目的，就必须要对三相逆变器的控制电压矢量进行补偿。选取一台隐极式永磁同步电机及其控制系统进行说明。如图1所示，控制系统主要由速度调节器、电流预测控制器、坐标变换器(PARK逆变换、PARK变换、CLARK变换)、传感器(速度及电角度计算等)、三相逆变器及其控制电路组成。
下面是基于电压前馈补偿的无差拍电流预测控制实施步骤：
(1)通过传统的无差拍电流预测控制模型，计算出控制电压。
传统无差拍电流预测控制模型如下：
u(k)＝G-1(x(k+1)-F(k)·x(k)-H(k))
u(k)表示输出矩阵，x(k)表示输入矩阵，G、F(k)、H(k)表示系数矩阵。
公式中各矩阵具体形式如下：
x(k)＝[id(k) iq(k)]T；u(k)＝[ud(k) uq(k)]T
Figure BDA0002475997610000041
Figure BDA0002475997610000042
其中，id(k)和iq(k)分别代表第k时刻的dq轴定子电流，ud(k)和uq(k)分别代表第k时刻的dq轴定子电压矢量即三相逆变器的控制电压，ωe(k)第k时刻的电角速度，T代表采样时间，L代表定子绕组电感，R代表定子电阻，ψf代表永磁体磁链。
在电机转子上建立dq轴坐标系，d轴(直轴)为转子磁场方向，q轴(交轴)垂直于转子磁场方向。
(2)通过电压前馈环节，计算控制电压补偿量。
基于三相逆变器的控制电压补偿量的计算公式建立图2所示的电压前馈补偿结构，三相逆变器的控制电压补偿量的计算公式为：
Figure BDA0002475997610000043
其中，T代表采样时间，
Figure BDA0002475997610000044
代表电机实际电感参数，
Figure BDA0002475997610000045
代表电流给定值，ix(k+1)代表电流实际值，βx代表电压补偿量，d、q分别代表直轴和交轴方向。
而其中涉及到电感参数的辨识，辨识方法为最小二乘递推算法，其模型为：
Figure BDA0002475997610000046
其中，T代表控制系统的采样时间，ud代表d轴定子电压矢量，id(k)和id(k+1)分别代表前后两个时刻的d轴定子电流，iq代表q轴定子电流，ωe代表电机旋转时的电角速度，
Figure BDA0002475997610000047
代表定子绕组电感。
按照该公式建立的电压前馈通道仅包含一个传递函数
Figure BDA0002475997610000048
/T，输入是当前时刻的电流给定值与下一个时刻的电流实际值做差得到电流估计误差αx(k)。
(3)将电压前馈补偿环节计算出的控制电压补偿量加入到传统无差拍电流预测控制计算得到的控制电压当中，如图2所示。最终可以实现参数失配情况下，对电流预测控制的三相逆变器控制电压的补偿。
图3是电机实际电感参数的辨识过程。该辨识过程是收敛的，且收敛过程快，精度高，能够有效辨识出电机的真实电感值。
图4、图5是给定转速ω＝10πrad/s，q轴电流初始给定值
Figure BDA0002475997610000051
在0.1s时刻变为1A的仿真结果，iq代表电流实际值。仿真假设了多组参数变量的改变，从结果上可以看到，传统的电流预测控制在参数失配的情况下，会面临输出静差和稳定性变差的问题，而经过电压前馈补偿之后，电流静差被消除了，系统稳定性也提高了，由此体现了电压前馈补偿方法的优良性能。
由此，本发明仅需要辨识电机电感参数值，且补偿通道内的传递函数为
Figure BDA0002475997610000052
十分简单，计算过程十分简单，也没有参数需要整定，在保持了电流预测控制高带宽快响应的优势基础上，减少了其对电机参数的依赖性，消除了因参数失配造成的电流环输出静差以及系统的不稳定。

Claims (2)

1.一种电压前馈补偿方法的无差拍电流预测控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)通过最小二乘递推算法单独辨识电机的实际电感参数；
2)基于三相逆变器的控制电压补偿量的计算公式建立电压前馈补偿通道，将电流估计误差输入电压前馈补偿通道后得到控制电压补偿量；
3)根据传统的无差拍电流预测控制模型，计算出控制电压；
4)将步骤2)得到的控制电压补偿量加入步骤3)传统无差拍电流预测控制模型计算得到的控制电压中，实现三相逆变器控制电压的补偿；
所述步骤1)具体为：采用最小二乘递推算法对辨识模型中电机的实际电感参数进行单独辨识，所述辨识模型为：
Figure FDA0003160866510000011
其中，T代表采样时间，ud代表d轴定子电压矢量，id(k)和id(k+1)分别代表k和k+1前后两个时刻的d轴定子电流，iq(k)代表k时刻q轴定子电流，ωe代表电机旋转时的电角速度，
Figure FDA0003160866510000012
代表定子绕组电感即需辨识的实际电感参数；
所述步骤2)具体为：
1)基于三相逆变器的控制电压补偿量的计算公式建立电压前馈补偿通道；三相逆变器的控制电压补偿量的计算公式为：
Figure FDA0003160866510000013
其中，T代表采样时间，
Figure FDA0003160866510000014
代表定子绕组电感即步骤1)单独辨识的实际电感参数，
Figure FDA0003160866510000015
代表k时刻定子电流给定值，ix(k+1)代表k+1时刻定子电流实际值，βx代表三相逆变器的控制电压补偿量，d、q分别代表d轴和q轴方向即直轴和交轴方向；
2)将当前时刻的定子电流给定值与下一个时刻的定子电流实际值做差得到电流估计误差，将电流估计误差输入电压前馈补偿通道后得到控制电压补偿量βx。
2.根据权利要求1所述的一种电压前馈补偿方法的无差拍电流预测控制方法，其特征在于，所述步骤3)中传统的无差拍电流预测控制模型为：
u(k)＝G-1(x(k+1)-F(k)·x(k)-H(k))
公式中各矩阵具体形式如下：
x(k)＝[id(k) iq(k)]T；u(k)＝[ud(k) uq(k)]T
Figure FDA0003160866510000021
Figure FDA0003160866510000022
其中，id(k)和iq(k)分别代表第k时刻定子电流d轴分量和q轴分量；ud(k)和uq(k)分别代表第k时刻定子电压矢量的d轴分量和q轴分量，即三相逆变器的控制电压；ωe(k)第k时刻的电角速度；T代表采样时间；L代表定子绕组电感标称值；R代表定子电阻标称值；ψf代表永磁体磁链标称值。
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