CN112583313B - 基于主从调节的双绕组电机预测控制方法 - Google Patents

基于主从调节的双绕组电机预测控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于主从调节的双绕组电机预测控制方法，本发明基于主从控制方法，采用单编码器对双绕组电机进行高精度速度环控制，位置反馈精度达到20″；引入电流预测控制方法，并设计龙贝格状态观测器对电机主、从绕组内部摄动参数进行实时观测，实现高性能电流环的设计；在上述基础上，在线预估主、从绕组电磁转矩，并采用转矩前馈补偿方法，克服现有双绕组电机各绕组间电磁转矩不均问题。

Description

基于主从调节的双绕组电机预测控制方法
技术领域
本发明涉及一种基于主从调节的双绕组电机预测控制方法。
背景技术
电动伺服机构是大型航天飞行器系统重要的执行元件，其伺服性能、高过载能力以及稳定性是飞行器安全运行的保障。为保证航天飞行器的安全性，多余度电机驱动技术正不断地发展，双绕组电机作为多余度电机的一种，具有功率密度高、输出扭矩大及可靠性强等优点。基于双绕组电机的伺服机构不仅有更高的功率密度比，且具备一定的余度备份功能，已成为高性能冗余伺服机构重要的发展方向。
双绕组电机含有两个独立且互为60°的定子绕组，共享一个转子输出轴，正常运行时，其内部两电机输出速度被强制为同步，但是，由于电机制造装配误差及外部环境因素的影响，电机内部各绕组参数难以完全达到一致，当电机匀速运行时，会产生内部各绕组间电磁转矩不均现象，严重时可能导致某一电枢绕组过流而烧毁；另外，双绕组电机存在固有的磁热耦合、参数时变等非线性问题，传统的PI控制难以满足双绕组电机系统快响应、高可靠性及鲁棒性等要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于主从调节的双绕组电机预测控制方法。
为解决上述问题，本发明提供一种基于主从调节的双绕组电机预测控制方法，包括：
(1)将双绕组电机等效为主、从绕组，利用单套编码器实现位置、速度采集，以简化控制系统架构；
(2)引入双绕组电机的电流预测控制方法取代传统PI控制，实现电机内部主、从绕组高性能电流环设计；
(3)采用龙贝格状态观测器对电机主、从绕组内部的摄动参数进行在线观测，实所述现双绕组电机电流的高精度预测控制；
(4)实时预估双绕组电机的主、从绕组电磁转矩，增加转矩前馈补偿，以实现主、从绕组转矩均衡。
进一步的，在上述方法中，将双绕组电机等效为主、从两个绕组，包括：
使主绕组完成速度环与电流环控制，从绕组同步接收并响应主绕组速度环输出的电流指令。
进一步的，在上述方法中，引入双绕组电机的电流预测控制方法取代传统PI控制，实现电机内部主、从绕组高性能电流环设计，包括：
在d-q坐标系下，依次将开关管八个开关状态的对应电压代入含待观测参数的离散化永磁同步电机的电气特性状态空间方程，得出下一时刻的八个电流预测值，基于下一时刻的八个电流预测值，提取代价函数g为最小时对应的开关管信号作为下一时刻的控制状态。
进一步的，在上述方法中，采用龙贝格状态观测器对电机主、从绕组内部的摄动参数进行在线观测，实所述现双绕组电机的电流的高精度预测控制，包括：
依据双绕组电机的理想电压方程，采用龙贝格状态观测器对电机主、从绕组内部摄动参数进行实时辨识，，有效提高电流预测控制精度。
进一步的，在上述方法中，实时预估双绕组电机的主、从绕组电磁转矩，增加转矩前馈补偿，以实现主、从绕组转矩均衡，包括：
结合电流预测控制，实时预估电机主、从绕组电磁转矩，增加转矩前馈补偿实现主、从绕组转矩均衡。
与现有技术相比，本发明将双绕组电机等效为主、从两个绕组，通过单编码器保证速度同步，主绕组实现位置及速度跟踪，速度环计算输出的电流指令信号分别引入主、从绕组实现电流响应；引入电流预测控制方法，采用龙贝格状态观测器实时更新预测控制中主、从绕组内部摄动参数，从而实现高性能电流环的设计；在线预估主、从绕组电磁转矩，增加转矩前馈补偿实现主从绕组转矩均衡。本发明在提升双绕组电机伺服响应性能的基础上，同时保证双绕组电机内部各绕组输出电磁转矩平衡。
附图说明
图1是本发明一实施例的预测控制系统原理图；
图2是本发明一实施例的主从控制原理图；
图3是本发明一实施例的预测控制原理图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供一种基于主从调节的双绕组电机预测控制方法，包括：
(1)将双绕组电机等效为主、从绕组，利用单套编码器实现位置、速度采集，以简化控制系统架构；
(2)引入双绕组电机的电流预测控制方法取代传统PI控制，实现电机内部主、从绕组高性能电流环设计；
(3)采用龙贝格状态观测器对电机主、从绕组内部的摄动参数进行在线观测，实现所述现双绕组电机的电流的高精度预测控制；
(4)实时预估双绕组电机的主、从绕组电磁转矩，增加转矩前馈补偿，以实现主、从绕组转矩均衡。
在此，本发明采用电流预测控制替代传统的电流环PI控制，实现电机内部主、从绕组高性能电流环设计。
本发明基于主从控制方法，采用单编码器对双绕组电机进行高精度速度环控制，位置反馈精度达到20″；设计龙贝格状态观测器对电机主、从绕组内部摄动参数进行实时观测，实现高性能电流环的设计；在上述基础上，采用转矩前馈补偿方法，克服现有双绕组电机各绕组间电磁转矩不均问题。
本发明的基于主从调节的双绕组电机预测控制方法一实施例中，将双绕组电机等效为主、从两个绕组，包括：
使主绕组完成速度环与电流环控制，使从绕组同步接收并响应主绕组速度环输出的电流指令。
本发明的基于主从调节的双绕组电机预测控制方法一实施例中，引入双绕组电机的电流预测控制方法取代传统PI控制，实现电机内部主、从绕组高性能电流环设计，包括：
在d-q坐标系下，依次将开关管八个开关状态的对应电压代入含待观测参数的离散化永磁同步电机的电气特性状态空间方程，得出下一时刻的八个电流预测值，基于下一时刻的八个电流预测值，提取代价函数g为最小时对应的开关管信号作为下一时刻的控制状态。
本发明的基于主从调节的双绕组电机预测控制方法一实施例中，采用龙贝格状态观测器对电机主、从绕组内部的摄动参数进行在线观测，实现所述现双绕组电机的电流的高精度预测控制，包括：
依据双绕组电机的理想电压方程，采用龙贝格状态观测器对电机主、从绕组内部摄动参数进行实时辨识，通过构建反馈增益矩阵G对误差项实时收敛，有效提高电流预测控制精度。
具体的，本发明的基于主从调节的双绕组电机预测控制方法一实施例中，实时预估双绕组电机的主、从绕组电磁转矩，增加转矩前馈补偿，以实现主、从绕组转矩均衡，包括：
结合电流预测控制，实时预估电机主、从绕组电磁转矩，增加转矩前馈补偿实现主、从绕组转矩均衡。
具体的，本发明通过引入主从控制算法，将双绕组电机内部等效为主、从绕组，通过单套编码器系统以保证速度同步。其次，采用预测控制算法代替传统的PI控制实现主、从绕组电流高精度控制。在d-q坐标系下，给出含待观测参数的离散化永磁同步电机电气特性状态空间方程如下所示。
I(k+1)＝A(k)I(k)+BU(k)+C(k)
其中：
Figure BDA0002784440050000051
Figure BDA0002784440050000052
式中：id(k)与iq(k)分别为当前时刻d轴与q轴的电流值，ud(k)与uq(k)分别为当前时刻d轴与q轴的电压值，Ld为d轴电感，ωm为电机转速，Pn为极对数，Ts为采样周期，
Figure BDA0002784440050000053
分别为待观测定子电阻、q轴电感与转子磁链。通过计算所有开关管状态所对应的电流预测值id(k+1)与iq(k+1)，选取所有计算中使代价函数g为最小时对应的开关管信号作为下一时刻的控制状态。
针对预测控制中模型参数失配而导致控制精度下降的问题，所述双绕组电机预测控制系统，为获取精确的电流预测值，采用龙贝格状态观测器对双绕组电机预测控制中电机内部摄动参数进行实时辨识。
为保证主、从绕组电磁转矩均衡，需要对传统预测控制进行改进，引入转矩前馈补偿策略。本发明的方法是：根据双绕组电机理想空间状态方程，实时预估主、从绕组电磁转矩
Figure BDA0002784440050000061
通过构建转矩前向通道形成前馈补偿。
本发明提供了一种基于主从调节的双绕组电机预测控制方法，本发明具体实施以双绕组三相永磁同步电机为例，转子轴周围分布了两套三相定子绕组，两绕组相差60°，分析时可等效为主、从两个绕组。
图1为本发明实例的基于主从调节的预测控制系统原理图。各部分的具体实施方式如下所示。
图2为主从控制原理图，将双绕组电机等效为主、从两个电机，主电机绕组通过一套编码器及电流检测装置实现位置、速度及相电流采集，实现速度环与电流环控制；从电机绕组同步接收主电机绕组转速环计算的电流信号作为指令参与其内部电流环的控制。该策略仅采用单编码器完成系统转速控制，保持了主、从绕组输出转速统一，简化了算法流程，提高系统可靠性。
图3为本发明提出的预测控制原理图。预测控制用于实现双绕组电机高性能电流控制以及主、从绕组电磁转矩均衡。如图3所示，预测控制部分包含了龙贝格状态观测器、转矩前馈补偿以及模型预测等部分。
所述双绕组电机预测控制系统，在d-q坐标系下，含待观测参数的离散化永磁同步电机电气特性状态空间方程如下所示：
I(k+1)＝A(k)I(k)+BU(k)+C(k)(1)
其中：
Figure BDA0002784440050000062
Figure BDA0002784440050000071
式中：id(k)与iq(k)分别为当前时刻d轴与q轴的电流值，ud(k)与uq(k)分别为当前时刻d轴与q轴的电压值，Ld为d轴电感，ωm为电机转速，Pn为极对数，Ts为采样周期，
Figure BDA0002784440050000072
分别为待观测定子电阻、q轴电感与转子磁链。
逆变器开关管开关状态对应电压ud(k)、uq(k)与逆变器开关管状态的关系如下所示
Figure BDA0002784440050000073
式中：Udc为母线电压，θr为当前时刻电角度，Sa、Sb、Sc对应三组开关管的开/断状态，将八个开关管状态对应输出的电压udi(k)、uqi(k)代入模型预测式中，可得出八个电流预测值id(k+1)与iq(k+1)。
所述双绕组电机预测控制系统，为获取更精确的电流预测值id(k+1)与iq(k+1)，采用龙贝格状态观测器分别对主、从电机的q轴电感、相绕组电阻Rm以及转子磁链ψf进行在线预测，将辨识参数引入至预测控制进行计算。首先根据d轴电压平衡方程辨识电机q轴电感，然后根据d轴与q轴电压平衡方程辨识相电阻及转子磁链。取id为输出，则q轴电感观测器表达式如下所示。
Figure BDA0002784440050000074
式中：
Figure BDA0002784440050000075
分别为d轴电流与q轴电感的观测值，l1、l2为反馈增益系数。
观测到
Figure BDA0002784440050000081
后，将
Figure BDA0002784440050000082
作为已知量引入至如下所示电机相电阻及转子磁链观测器表达式。同时d轴注入小电流，取iq为输出。
Figure BDA0002784440050000083
式中：
Figure BDA0002784440050000084
为相电阻估计值，
Figure BDA0002784440050000085
为定子磁链估计值，
Figure BDA0002784440050000086
为q轴电流估计值，k1、k2、k3、k4为反馈增益系数。
获取到八个电流预测值id(k+1)与iq(k+1)后，给出代价函数g表达式如下所示。
Figure BDA0002784440050000087
八个电流预测值id(k+1)、iq(k+1)与输入电流指令
Figure BDA0002784440050000088
分别代入代价函数中计算，取八次计算中g为最小时对应的开关管信号作为下一时刻的控制信号。
所述双绕组电机预测控制系统，针对双绕组电机电磁转矩输出不均的问题，进一步对预测控制进行改进，引入转矩前馈补偿方案。本发明的方法为：取简化后预测电磁转矩公式如下。
Figure BDA0002784440050000089
式中：
Figure BDA00027844400500000810
为最优预测电流。分别将
Figure BDA00027844400500000811
与
Figure BDA00027844400500000812
引入电磁转矩计算公式，即可以获得主、从电机预测电磁转矩
Figure BDA00027844400500000813
并将经过计算生成的电磁转矩信号实时引入电流环进行前馈补偿从而保证双绕组电机输出转矩的均衡性。
在给定15Nm阶跃负载的情况下，未采用本发明的算法时，电机各绕组电磁转矩出现不均的现象，而采用本发明算法后，主、从绕组的电磁转矩误差在0.2Nm内，电磁转矩误差提高了90％，提高了双绕组电机的稳定性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种基于主从调节的双绕组电机预测控制方法，其特征在于，包括：
（1）将双绕组电机等效为主、从绕组，利用单套编码器实现位置、速度采集，以简化控制系统架构；
（2）引入双绕组电机的电流预测控制方法取代传统PI控制，实现电机内部主、从绕组高性能电流环设计；
（3）采用龙贝格状态观测器对电机主、从绕组内部的摄动参数进行在线观测，实现所述双绕组电机的电流的高精度预测控制；
（4）实时预估双绕组电机的主、从绕组电磁转矩，增加转矩前馈补偿，以实现主、从绕组转矩均衡。
2.如权利要求1所述的基于主从调节的双绕组电机预测控制方法，其特征在于，将双绕组电机等效为主、从两个绕组，包括：
使主绕组完成速度环与电流环控制，使从绕组同步接收并响应主绕组速度环输出的电流指令。
3.如权利要求1所述的基于主从调节的双绕组电机预测控制方法，其特征在于，引入双绕组电机的电流预测控制方法取代传统PI控制，实现电机内部主、从绕组高性能电流环设计，包括：
在d-q坐标系下，依次将开关管八个开关状态的对应电压代入含待观测参数的离散化永磁同步电机的电气特性状态空间方程，得出下一时刻的八个电流预测值，基于下一时刻的八个电流预测值，提取代价函数g为最小时对应的开关管信号作为下一时刻的控制状态。
4.如权利要求1所述的基于主从调节的双绕组电机预测控制方法，其特征在于，采用龙贝格状态观测器对电机主、从绕组内部的摄动参数进行在线观测，实现所述双绕组电机的电流的高精度预测控制，包括：
依据双绕组电机的理想电压方程，采用龙贝格状态观测器对电机主、从绕组内部摄动参数进行实时辨识，有效提高电流预测控制精度。
5.如权利要求1所述的基于主从调节的双绕组电机预测控制方法，其特征在于，实时预估双绕组电机的主、从绕组电磁转矩，增加转矩前馈补偿，以实现主、从绕组转矩均衡，包括：
结合电流预测控制，实时预估电机主、从绕组电磁转矩，增加转矩前馈补偿实现主、从绕组转矩均衡。
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