CN112003521B - 一种表贴式永磁同步电机电流预测控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种表贴式永磁同步电机电流预测控制方法，适用于抑制电机电阻、电感及磁链参数失配情况下引起的扰动，其通过提出的新型预测电压模型对电流性能进行改善。在电流预测控制过程中，没有借助观测器，使得系统的复杂度与计算量显著降低，同时在精确度方面的提升也较为明显。

Description

一种表贴式永磁同步电机电流预测控制方法

技术领域

本申请涉及一种永磁同步电机电流预测控制技术领域，尤其涉及一种在实现电流预测控制的同时，还能够抑制电机电阻、电感及磁链参数失配情况下引起的扰动的方法。

背景技术

随着永磁同步电机驱动控制策略技术的快速发展，现有技术中出现了多种驱动控制策略，近年来，预测控制由于动态响应快及控制时刻保持最优等特点得到了广泛的关注。由于预测控制依赖于预测模型，因此预测控制模型参数的不确定性是当前预测控制的研究重点之一。例如，电机定子电感的大小会随着定子电流的增大而相应减小，当电机实际电感参数与电机模型中的电感参数失配时，其会增大电机的转矩脉动并提高电流的谐波含量，从而降低驱动电机控制的品质。除了电感参数失配带来的模型参数不确定性，有些研究中还发现永磁同步电机的转子磁链对转子温度变化比较敏感的现象。比如，当环境温度增加100摄氏度时，转子磁链大小将减小约20％。如果在控制系统中转子磁链模型参数没有被及时补偿，预测电流误差将被放大，从而也会影响预测控制的性能。为了抑制这类电阻、电感及磁链参数失配引起的扰动，有些现有技术已经提出了相应的预测控制方法。当前预测控制方法中，有利用滑膜观测器、扩展卡尔曼滤波观测器、重复控制观测器、模型参考自适应及自抗扰控制等控制算法的手段，来抑制模型参数的不确定性问题。然而，这几种控制方式由于需要离线整定提出的观测器参数，提高了系统的复杂度，增加了设计者的调试时间。因此，如何在不采用观测器的前提下，提供既能实现较为精确电流预测控制，又可以抑制电机参数失配情况导致的扰动的方法，是本领域中一个亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种表贴式永磁同步电机电流预测控制方法，适用于抑制电机电阻、电感及磁链参数失配情况下引起的扰动，方法具体包括以下步骤：

步骤一、在每个系统控制周期中测量电机的三相定子电压U_abc、定子电流及转子速度信号；将所述三相定子电压及定子电流转化为旋转坐标系下的d-q轴电压U_d、U_q及电流i_d、i_q；将上述信号全部存储在控制器中；

步骤二、利用控制器中存储的d-q轴电压及电流、转子速度信号，计算当前k时刻对应的控制周期T_s与实际的电机定子电感L之比，用参数Z表示，并对k+1时刻的实际电流方程进行重构；

步骤三、基于所述重构得到的实际电流方程，得到k+1时刻的实际参考电压；利用脉冲宽度调制技术作用于逆变器，实现相应的控制。

进一步地，当前k时刻的电流i_d、i_q基于以下方程所表示的关系确定：

其中，i_d(k)、i_d(k-1)、i_d(k-2)分别为第k时刻、第k-1时刻及第k-2时刻的d轴电流；i_q(k-1)、i_q(k-2)分别为第k-1时刻及第k-2时刻的q轴电流；ω_e(k-1)、ω_e(k-2)分别为第k-1时刻及第k-2时刻的电机电角速度；u_d(k-1)、u_d(k-2)分别为第k-1时刻及第k-2时刻的d轴电压；R为实际的电机定子电阻值；

进一步地，所述参数Z通过以下方式计算：

对于表贴式永磁同步电机的电流预测控制，电流控制策略采用d轴电流等于零控制，因此在上式中其相比于电压项可以被忽略。故当前时刻参数Z可以如下形式表示：

根据所述参数Z得到第(k+1)时刻的电流预测方程：

i_d ^p(k+1)＝i_d(k)+ZU_d(k)+T_sω_e(k)i_q(k)

其中，令f_d(k)＝T_sω_e(k)i_q(k)；

由于永磁同步电机的机械时间常数远远大于其电磁时间常数,因此电机的角频率在两个相邻的系统控制周期中将被近似作为一个常数。根据这一近似条件，f_d(k+1)可以表示为如下所示：

结合前述几个公式，预测k+1时刻d轴电压方程可以如下方式表示：

在q轴坐标系下，第k时刻的q轴电流方为：

其中，

Ψ_m为实际的电机转子磁链值，根据上式，f_q(k-1)可以进一步表示为：

f_q(k-1)＝i_q(k)-i_q(k-1)-ZU_q(k-1)

将第k时刻与第(k-1)时刻的d轴电流方程做差，得到以下关系：

因此f_q(k)可以被获得如下所示：

因此当获得f_q(k)后，第(k+1)时刻的q轴电流预测方程如下所示：

i_q ^p(k+1)＝i_q(k)+ZU_q(k)+f_q(k)

f_q(k+1)为：

根据i_q(k+1)、f_q(k+1)，可得q轴电压方程：

在获得第(k+1)时刻的d轴及q轴电压时，利用脉冲宽度调制技术将其作用于永磁同步电机驱动系统，进而对电机进行电流控制。

本发明所提供的方法中，能够有效抑制由于电机模型参数失配引起的扰动，通过提出的新型预测电压模型对电流性能进行改善。在电流预测控制过程中，没有借助观测器，使得系统的复杂度与计算量显著降低，同时在精确度方面的提升也较为明显。

附图说明

图1为本发明所提供方法所对应的系统框图

图2为本发明所提供方法的电流预测控制时序图

图3为电机定子电阻在10倍失配情况下原始电流预测控制方法和提出的电流预测控制方法的对比图

图4为电机转子磁链在1.5倍失配情况下原始电流预测控制方法和提出的电流预测控制方法的对比图

图5为电机定子电感在2倍失配情况下原始电流预测控制方法和提出的电流预测控制方法的对比图

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。

本发明所提供的表贴式永磁同步电机电流预测控制方法，适用于抑制电机电阻、电感及磁链参数失配情况下引起的扰动，如图1和2所示，具体包括以下步骤：

步骤一、在每个系统控制周期中测量电机的三相定子电压U_abc、定子电流及转子速度信号；将所述三相定子电压及定子电流转化为旋转坐标系下的d-q轴电压U_d、U_q及电流i_d、i_q；将上述信号全部存储在控制器中；

步骤二、利用控制器中存储的d-q轴电压及电流、转子速度信号，计算当前k时刻对应的控制周期T_s与实际的电机定子电感L之比，用参数Z表示，并对k+1时刻的实际电流方程进行重构；

步骤三、基于所述重构得到的实际电流方程，得到k+1时刻的实际参考电压；利用脉冲宽度调制技术作用于逆变器，实现相应的控制。

在本发明的一个优选实施方式中，当前k时刻的电流i_d、i_q基于以下方程所表示的关系确定：

其中，i_d(k)、i_d(k-1)、i_d(k-2)分别为第k时刻、第k-1时刻及第k-2时刻的d轴电流；i_q(k-1)、i_q(k-2)分别为第k-1时刻及第k-2时刻的q轴电流；ω_e(k-1)、ω_e(k-2)分别为第k-1时刻及第k-2时刻的电机电角速度；u_d(k-1)、u_d(k-2)分别为第k-1时刻及第k-2时刻的d轴电压；R为实际的电机定子电阻值；

在本发明的一个优选实施方式中，所述参数Z通过以下方式计算：

对于表贴式永磁同步电机的电流预测控制，电流控制策略采用d轴电流等于零控制，因此在上式中其相比于电压项可以被忽略。故当前时刻参数Z可以如下形式表示：

根据所述参数Z得到第(k+1)时刻的电流预测方程：

i_d ^p(k+1)＝i_d(k)+ZU_d(k)+T_sω_e(k)i_q(k)

其中，令f_d(k)＝T_sω_e(k)i_q(k)；

由于永磁同步电机的机械时间常数远远大于其电磁时间常数,因此电机的角频率在两个相邻的系统控制周期中将被近似作为一个常数。根据这一近似条件，f_d(k+1)可以表示为如下所示：

结合前述几个公式，预测k+1时刻d轴电压方程可以如下方式表示：

在q轴坐标系下，第k时刻的q轴电流方为：

其中，

Ψ_m为实际的电机转子磁链值，根据上式，f_q(k-1)可以进一步表示为：

f_q(k-1)＝i_q(k)-i_q(k-1)-ZU_q(k-1)

将第k时刻与第(k-1)时刻的d轴电流方程做差，得到以下关系：

因此f_q(k)可以被获得如下所示：

因此当获得f_q(k)后，第(k+1)时刻的q轴电流预测方程如下所示：

i_q ^p(k+1)＝i_q(k)+ZU_q(k)+f_q(k)

f_q(k+1)为：

根据i_q(k+1)、f_q(k+1)，可得q轴电压方程：

在获得第(k+1)时刻的d轴及q轴电压时，利用脉冲宽度调制技术将其作用于永磁同步电机驱动系统，进而对电机进行电流控制。

图3-5示出了本发明的实例所达到的效果和优点，其研究对象为一个额定功率为2kW的永磁同步电机，电机的电阻、电感、磁链分别为0.365欧姆、1.225mH、0.1667Wb。图3所示为当模型参数电感为实际电感十倍情况下原始电流预测控制方法和提出的电流预测控制方法的电流性能对比图。从图中可以看出本发明所提出的控制方法在电阻失配的情况下实际电流与目标电流没有偏差。图4所示为模型参数磁链为实际电感1.5倍情况下原始电流预测控制方法和提出的电流预测控制方法的电流性能对比图。同理，可以看出所提出的方法可以有效抑制由磁链失配引起的偏差问题。图5所示为模型电机定子电感为实际电感2倍失配情况下原始电流预测控制方法和提出的电流预测控制方法的对比图。

从d-q轴电流可以看出，本发明所提出的方法能够有效减小d-q轴电流的谐波含量，抑制由于参数失配引起的电流扰动。

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 (2)

1.一种表贴式永磁同步电机电流预测控制方法，适用于抑制电机电阻、电感及磁链参数失配情况下引起的扰动，其特征在于：方法具体包括以下步骤：

步骤一、在每个系统控制周期中测量电机的三相定子电压U_abc、定子电流及转子速度信号；将所述三相定子电压及定子电流转化为旋转坐标系下的d-q轴电压U_d、U_q及电流i_d、i_q；将上述信号全部存储在控制器中；

步骤二、利用控制器中存储的d-q轴电压及电流、转子速度信号，计算当前k时刻对应的控制周期T_s与实际的电机定子电感L之比，用参数Z表示，并对k+1时刻的实际电流方程进行重构；

步骤三、基于所述重构得到的实际电流方程，得到k+1时刻的实际参考电压；利用脉冲宽度调制技术作用于逆变器，实现相应的控制；

当前k时刻的电流i_d基于以下方程所表示的关系确定：

其中，i_d(k)、i_d(k-1)、i_d(k-2)分别为第k时刻、第k-1时刻及第k-2时刻的d轴电流；i_q(k-1)、i_q(k-2)分别为第k-1时刻及第k-2时刻的q轴电流；ω_e(k-1)、ω_e(k-2)分别为第k-1时刻及第k-2时刻的电机电角速度；U_d(k-1)、U_d(k-2)分别为第k-1时刻及第k-2时刻的d轴电压；R为实际的电机定子电阻值；

所述参数Z通过以下方式计算：

由于表贴式永磁同步电机的d轴电流很小，因此d轴电流由于电阻产生的电压降可以忽略，故当前时刻参数Z可以如下形式表示：

根据所述参数Z得到第(k+1)时刻的电流预测方程：

i_d ^p(k+1)＝i_d(k)+ZU_d(k)+T_sω_e(k)i_q(k)

式中，上标p表示预测值。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：基于所述重构得到的实际电流方程，得到k+1时刻的实际参考电压具体包括：

在所述第(k+1)时刻的电流预测方程，令f_d(k)＝T_sω_e(k)i_q(k)；

基于电机的角频率在两个相邻的系统控制周期中将被近似作为一个常数的假设，f_d(k+1)可以表示为如下所示：

结合前述公式，预测k+1时刻d轴电压方程可以如下方式表示：

式中，上标ref表示参考值；

在q轴坐标系下，第k时刻的q轴电流方为：

其中，

Ψ_m为实际的电机转子磁链值，根据上式，f_q(k-1)可以进一步表示为：

f_q(k-1)＝i_q(k)-i_q(k-1)-ZU_q(k-1)

将第k时刻与第(k-1)时刻的q轴电流方程做差，得到以下关系：

因此f_q(k)可以被获得如下所示：

因此，当获得f_q(k)后，第(k+1)时刻的q轴电流预测方程如下所示：

f_q(k+1)为：

根据i_q(k+1)、f_q(k+1)，可得q轴电压方程：

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