CN113783478A - 一种永磁同步电机级联式无差拍控制方法及其系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机级联式无差拍控制方法及其系统，属于电机控制技术领域，包括转速观测器，转速无差拍控制子系统，第一延迟器，电流分配器，电流坐标变换模块，电流无差拍控制子系统，电压坐标变换模块，脉宽调制模块。所述的转速无差拍控制子系统包括转速无差拍预测控制器，转速预测器，负载转矩观测器，第二延迟器，第三延迟器；所述的电流无差拍控制子系统包括电流无差拍控制器，电流预测器，扰动观测器，第四延迟器，第五延迟器。本发明方法将模型预测控制方法与转速环，电流环的级联结构结合，在降低系统结构复杂的同时极大改善了系统整体转速控制带宽；提高永磁同步电机预测控制系统的机械参数和电气参数鲁棒性。

Description

一种永磁同步电机级联式无差拍控制方法及其系统
技术领域
本发明涉及一种永磁同步电机级联式无差拍控制方法及其系统，属于电机控制技术领域。
背景技术
永磁同步电机凭借着较高的功率因数和效率，良好的控制性能，较强的能量/功率密度等优势在变速驱动，伺服驱动以及工业制造等应用场合广受欢迎。永磁同步电机的高性能控制一直是研究人员的追求目标。得益于数字控制器的广泛应用，模型预测控制方法开始被应用于永磁同步电机控制系统的转速，电流控制。
现有永磁同步电机模型预测控制系统的结构主要分为以下几类：1)无差拍预测电流控制环加上基于比例积分控制器的转速环。考虑包含逆变器和电机的数字系统模型，电流控制环采用无差拍预测控制方法尽可能提高电流环的带宽。基于比例积分控制器的转速环根据转速参考值与实际转速之间差值闭环调节得到电流参考值。与基于比例积分控制器的转速电流双环控制系统相比，该系统的电流环带宽进一步提高，控制性能得到一定提升。2)直接转速预测控制。通过将逆变器和电机视作一个整体，从而建立包含转速，电流等多目标在内的一体化预测控制模型。通过较为复杂的价值函数挑选合适开关矢量。该系统大多为离散型预测控制，开关频率不固定，价值函数中权重系数调试工程复杂费时。3)级联式无差拍预测转速电流控制。结合电机系统不同尺度下的电气时间常数和机械时间常数，该系统将转速环，电流环分开建模并得到无差拍预测转速控制器，无差拍预测电流控制器。该系统采用级联式预测控制结构降低了单个子系统的复杂度，易于控制与调试。
与传统基于误差的比例积分控制系统不同，模型预测控制依赖合适的系统模型以及准确的模型参数。永磁同步电机系统在不同工况运行时模型参数会发生变化以及数字控制系统存在一拍延时等问题给电机的模型预测控制带来了难题。研究人员针对电流环的电气参数变化提出包括广义比例积分观测器，滑模控制器等各种扰动观测器，从而提高永磁同步电机预测控制系统鲁棒性，但对于转速环机械参数(转动惯量)变化的研究目前较少。另外系统扰动通常为高阶时变形式，基于扰动观测器的预测控制系统往往由于观测器高阶形式出现较大的超调量，从而导致系统动态性能降低。在保证系统参数鲁棒性的前提下，如何实现级联式无差拍预测控制的性能提升成为永磁同步电机高性能控制以及广泛工业应用亟待解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种永磁同步电机级联式无差拍控制方法及其系统，将无差拍模型预测控制方法与复合型扰动观测器相结合，综合考虑电气参数不匹配，机械参数不匹配，数字控制器一拍延时特性的影响，实现永磁同步电机高性能控制。
值得注意的是，本发明所说的延迟器为数字控制器的常用概念和结构，其主要特征如下，延迟器会将输入延迟一个控制周期输出，即当前时刻的输出为上一时刻的输入。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种永磁同步电机级联式无差拍控制系统，包括转速观测器，转速无差拍控制子系统，第一延迟器，电流分配器，电流坐标变换模块，电流无差拍控制子系统，电压坐标变换模块，脉宽调制模块。所述转速观测器的第一输入端与位置传感器的角度输出相连接，转速观测器的第二输入端与第一延迟器的输出端相连接，转速观测器的转速输出端与转速无差拍控制子系统的第一输入端相连接。所述的转速无差拍控制子系统的第二输入端为转速参考值，转速无差拍控制子系统的转矩输出不仅与第一延迟器的输出端相连接，也与电流分配器的输入端相连接。所述的电流分配器的输出端与电流无差拍控制子系统的第一输入端相连接。所述的电流无差拍控制子系统的第二输入端与电流坐标变换模块的输出端相连接，电流无差拍控制子系统的第三输入端与转速观测器的转速输出端相连接，电流无差拍控制子系统的输出端与电压坐标变换模块相连接。所述的电压坐标变换模块的输出端与脉宽调制模块的输入端相连接，电压坐标变换模块的输出端将功率器件的开关信号与永磁同步电机逆变器系统相连接。
进一步的，所述的转速无差拍控制子系统包括转速无差拍预测控制器，转速预测器，负载转矩观测器，第二延迟器，第三延迟器。所述的转速预测器的第一输入端为转速观测器的转速输出，转速预测器的第二输入端与第二延迟器的输出端相连接，转速预测器的第一输出端与转速无差拍预测控制器的第一输入端相连接，转速预测器的第二输出端与第三延迟的输入端相连接。所述的负载转矩观测器的第一输入端为转速观测器的转速输出，负载转矩观测器的第二输入端与第三延迟器的输出相连接，负载转矩观测器的输出不仅与第二延迟器的输入端相连接，也与转速无差拍预测控制器的第二输入端相连接。所述的转速无差拍预测控制器的第三输入端为转速参考值，转速无差拍预测控制器的输出与电流分配器的输入端相连接。
进一步的，所述的电流无差拍控制子系统包括电流无差拍控制器，电流预测器，扰动观测器，第四延迟器，第五延迟器。所述的电流预测器的第一输入端与电流坐标变换模块的输出端相连接，电流预测器的第二输入端与第四延迟器的输出端相连接，电流预测器的第一输出端与第五延迟器的的输入端相连接，电流预测器的第二输出端与电流无差拍控制器的第一输入端相连接。所述的扰动观测器的第一输入端与电流坐标变换模块的输出端相连接，扰动观测器的第二输入端与第五延迟器的输出端相连接，扰动观测器的输出不仅与第四延迟器的输入端相连接，也与电流无差拍控制器的第二输入端相连接。所述的电流无差拍控制器的第三输入端为电流分配器的输出端，电流无差拍控制器的输出与电压变换模块的输入端相连接。
一种永磁同步电机级联式无差拍控制系统控制系统，工作方法如下：
步骤一、采集编码器测量的角度信号，结合第一延迟器输出的转矩信号，将这两种信号送入转速观测器，经过转速观测器计算后得到转速测量值；
步骤二、设置转速参考值，将转速参考值与步骤一所得的转速测量值输入到转速无差拍控制器子系统。转速无差拍控制子系统根据电机系统运动模型设计得到转速预测器，负载转矩观测器，转速无差拍控制器。转速无差拍控制子系统经过计算得到转矩参考值，将转速参考值输入到电流分配器，第一延迟器；
步骤三、结合电机系统的运行工况以及特性，电流分配器根据步骤二所得的转矩参考值得到永磁同步电机同步旋转坐标系下的各电流分量参考值；
步骤四、采集永磁同步电机的定子电流信号，经过坐标变换得到等效的同步旋转坐标下的定子电流反馈信号，然后送入电流无差拍控制子系统；
步骤五、电流无差拍控制子系统根据电机系统电气模型设计得到电流预测器，扰动观测器，电流无差拍控制器。电流无差拍控制器根据转速观测器的转速输出，步骤三所得的定子电流参考信号和步骤四所得的定子电流反馈信号计算得出永磁同步电机的电压参考信号，然后送入到电压坐标变换模块。
步骤六、电压坐标变换模块根据步骤五所得的电压参考信号，计算得到静止坐标下的电压参考信号。脉宽调制模块根据静止坐标下的电压参考信号得到永磁同步电机逆变器系统功率器件的开关信号。
进一步的，步骤一中转速观测器设计和具体计算方法如下：
首先，选取电机运动方程如下所示：
Figure BDA0003281072860000041
其中B和J为电机系统的摩擦系数和转动惯量；ωm和θe分别为电机的机械转速和电角度；np为电机的极对数；TL和Te分别为电机的负载转矩和电磁转矩。
然后，转速观测器设计如下：
Figure BDA0003281072860000042
Figure BDA0003281072860000043
Figure BDA0003281072860000044
其中
Figure BDA0003281072860000045
和
Figure BDA0003281072860000046
为电机系统摩擦系数和转动惯量的估计值；
Figure BDA0003281072860000047
和
Figure BDA0003281072860000048
分别为电机机械转速和电角度的估计值；
Figure BDA0003281072860000049
和
Figure BDA00032810728600000410
分别为电机负载转矩和电磁转矩的估计值；α1,α2,α3为转速观测器的增益值。
其次，为了获得数字控制器的执行算法，上述连续时域下转速观测器需要进行离散化，优选地，本方明选择后向欧拉法进行离散化，则转速观测器的离散形式如下：
Figure BDA00032810728600000411
Figure BDA00032810728600000412
Figure BDA00032810728600000413
其中，Ts为转速观测器的采样周期，k为采样时刻。电角度可以表示为θe＝npθ，
进一步的，步骤二中转速无差拍控制子系统设计和计算方法如下：
首先，选取考虑参数不匹配情况下的电机运动方程如下所示：
Figure BDA0003281072860000051
其中TD为考虑参数不匹配情况下电机系统等效的负载转矩。
然后，转速预测器设计如下：
Figure BDA0003281072860000052
其中，f(x)＝tanh(x)为双曲正切函数，
Figure BDA0003281072860000053
为转速预测值，
Figure BDA0003281072860000054
为电机系统等效负载转矩的估计值,β0,β1为转速观测器的增益值。
负载转矩观测器设计如下：
Figure BDA0003281072860000055
其中
Figure BDA0003281072860000056
Figure BDA0003281072860000057
其中，em为转速预测误差，表达式为：
Figure BDA0003281072860000058
其次，为了获得数字控制器的执行算法，上述连续时域下转速预测器，负载转矩观测器需要进行离散化，优选地，本方明选择后向欧拉法进行离散化。首先，对于考虑参数不匹配情况下的电机运动方程进行离散化可以得到：
Figure BDA0003281072860000059
其中，Tm为转速无差拍控制子系统的控制周期，k为采样时刻。
根据无差拍控制方法，将(k+1)时刻转速参考值代入模型，同时用转速预测值代替k时刻转速实际值，则转速无差拍控制器的转矩参考值具体计算方法如下：
Figure BDA0003281072860000061
转速预测器的离散形式如下：
Figure BDA0003281072860000062
其中，
Figure BDA0003281072860000063
Tm为转速无差拍控制子系统的控制周期，k为采样时刻。
负载转矩观测器的离散形式如下：
Figure BDA0003281072860000064
其中，
Figure BDA0003281072860000065
Tm为转速无差拍控制子系统的控制周期，k为采样时刻。
进一步的，步骤五中电流无差拍控制子系统设计和计算方法如下，为了便于简洁说明，选用三相永磁同步电机作为说明对象
首先，选取同步旋转坐标系下考虑参数不匹配情况的三相永磁同步电机电压方程如下所示：
Figure BDA0003281072860000066
Figure BDA0003281072860000067
其中，ω为电机的电角速度，可以表示为ω＝npωm；ud,uq和id,iq分别为dq轴电压和dq轴电流；
Figure BDA0003281072860000068
为定子电阻，d轴电感，q轴电感的估计值；fd,fq为考虑参数不匹配情况下电机系统的等效扰动。
由于数字控制系统采样时间，执行时间等限制，电压参考值往往会延迟一拍输出，则
Figure BDA0003281072860000069
Figure BDA00032810728600000610
其中，
Figure BDA0003281072860000071
为永磁同步电机系统的电压参考值。
优选地，本方明选择后向欧拉法进行离散化，则电压方程的离散形式如下：
Figure BDA0003281072860000072
Figure BDA0003281072860000073
其中，Tc为电流环的控制周期，k为采样时刻。
根据电压参考值表达式，由无差拍控制算法可得
Figure BDA0003281072860000074
将(k+2)时刻电流参考值代入模型，电流预测器的输出预测结果作为(k+1)时刻电流值，同时结合扰动观测器的输出结果，则电流无差拍控制器如下所示：
Figure BDA0003281072860000075
其中，
Figure BDA0003281072860000076
为电流参考值，
Figure BDA0003281072860000077
为电流预测器的输出预测结果，
Figure BDA0003281072860000078
为扰动观测器的输出结果。
然后，电流预测器设计如下：
Figure BDA0003281072860000079
其中，f(x)＝tanh(x)为双曲正切函数,γ0,γ1为转速观测器的增益值，e(k)为预测误差
Figure BDA00032810728600000710
扰动观测器设计如下：
Figure BDA0003281072860000081
其中xe可以代表d轴扰动
Figure BDA0003281072860000082
也可以为q轴扰动
Figure BDA0003281072860000083
γ＝[γ2,γ3,γ4,…,γn+1]，Q为结构矩阵:
Figure BDA0003281072860000084
其中，e为d轴或q轴电流预测误差，表达式为：
Figure BDA0003281072860000085
优选地，本方明选择后向欧拉法进行离散化。则d轴扰动观测器的离散形式如下：
Figure BDA0003281072860000086
其中，
Figure BDA0003281072860000087
Tc为电流无差拍控制子系统的控制周期，k为采样时刻。
类似的，q轴扰动观测器的离散形式如下：
Figure BDA0003281072860000088
其中，
Figure BDA0003281072860000089
Tm为转速无差拍控制子系统的控制周期，k为采样时刻。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明提出的无差拍级联式预测控制系统包含转速观测，转速无差拍控制子系统，电流无差拍控制子系统等，实现了模型预测控制与转速环、电流环的级联结构结合，在降低系统结构复杂的同时极大改善了系统转速控制带宽。
2、本发明将无差拍模型预测控制和复合型扰动观测器相结合，提出适用于永磁同步电机的无差拍级联式预测控制方法，该方法提高了永磁同步电机预测控制系统的机械参数和电气参数鲁棒性，保证不同运行工况下的系统稳定性。
3、本发明采用了包含滑模控制器，广义比例积分观测器的复合型扰动观测器，一方面，该复合型扰动观测器继承了广义比例积分观测器的优势可以实现对高阶时变扰动的实时观测，另一方面，结合滑模控制器的快速调节能力，该复合型扰动观测可以减弱高阶广义比例积分观测器的超调，改善系统的动态性能。
附图说明
图1是本发明实施例的一种双三相永磁同步电机级联式无差拍控制系统；
图2是本发明实施例的一种双三相永磁同步电机级联式无差拍控制系统工作方法流程；
图3是本发明实施例1提供用于双三相永磁同步电机的电流无差拍控制子系统的实验结果图；
图4是本发明实施例1提供的双三相永磁同步电机级联式无差拍控制系统的实验结果图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
值得注意的是，本实施例选用的双三相交流永磁电机两套三相绕组的中性点是相互隔离的。电机数字控制系统为了保证程序的执行时间，对于PWM占空比采用了一拍延时，当前时刻的电压参考值会下一时刻才会经过变流器调制输出。
如图1所示，一种永磁同步电机级联式无差拍控制系统，包括转速观测器，转速无差拍控制子系统，第一延迟器，电流分配器，电流坐标变换模块，电流无差拍控制子系统，电压坐标变换模块，脉宽调制模块。
所述转速观测器的第一输入端与位置传感器的角度输出相连接，转速观测器的第二输入端与第一延迟器的输出端相连接，转速观测器的转速输出端与转速无差拍控制子系统的第一输入端相连接。
所述的转速无差拍控制子系统的第二输入端为转速参考值，转速无差拍控制子系统的转矩输出不仅与第一延迟器的输出端相连接，也与电流分配器的输入端相连接。
所述的电流分配器的输出端与电流无差拍控制子系统的第一输入端相连接。所述的电流无差拍控制子系统的第二输入端与电流坐标变换模块的输出端相连接，电流无差拍控制子系统的第三输入端与转速观测器的转速输出端相连接，电流无差拍控制子系统的输出端与电压坐标变换模块相连接。
所述的电压坐标变换模块的输出端与脉宽调制模块的输入端相连接，电压坐标变换模块的输出端将功率器件的开关信号与永磁同步电机逆变器系统相连接。
进一步的，所述的转速无差拍控制子系统包括转速无差拍预测控制器，转速预测器，负载转矩观测器，第二延迟器，第三延迟器。所述的转速预测器的第一输入端为转速观测器的转速输出，转速预测器的第二输入端与第二延迟器的输出端相连接，转速预测器的第一输出端与转速无差拍预测控制器的第一输入端相连接，转速预测器的第二输出端与第三延迟的输入端相连接。所述的负载转矩观测器的第一输入端为转速观测器的转速输出，负载转矩观测器的第二输入端与第三延迟器的输出相连接，负载转矩观测器的输出不仅与第二延迟器的输入端相连接，也与转速无差拍预测控制器的第二输入端相连接。所述的转速无差拍预测控制器的第三输入端为转速参考值，转速无差拍预测控制器的输出与电流分配器的输入端相连接。
进一步的，所述的电流无差拍控制子系统包括电流无差拍控制器，电流预测器，扰动观测器，第四延迟器，第五延迟器。所述的电流预测器的第一输入端与电流坐标变换模块的输出端相连接，电流预测器的第二输入端与第四延迟器的输出端相连接，电流预测器的第一输出端与第五延迟器的的输入端相连接，电流预测器的第二输出端与电流无差拍控制器的第一输入端相连接。所述的扰动观测器的第一输入端与电流坐标变换模块的输出端相连接，扰动观测器的第二输入端与第五延迟器的输出端相连接，扰动观测器的输出不仅与第四延迟器的输入端相连接，也与电流无差拍控制器的第二输入端相连接。所述的电流无差拍控制器的第三输入端为电流分配器的输出端，电流无差拍控制器的输出与电压变换模块的输入端相连接。
如图2所示，一种永磁同步电机级联式无差拍控制系统的工作方法，包括以下步骤：
步骤一、采集编码器测量的机械角度信号θ，结合第一延迟器输出的转矩信号Te(k-1)，将这两种信号送入转速观测器，经过转速观测器计算后得到转速测量值
Figure BDA0003281072860000111
其中转速计算公式如下所示：
Figure BDA0003281072860000112
Figure BDA0003281072860000113
Figure BDA0003281072860000114
其中，
Figure BDA0003281072860000115
和
Figure BDA0003281072860000116
为电机系统摩擦系数和转动惯量的估计值；
Figure BDA0003281072860000117
和
Figure BDA0003281072860000118
分别为电机机械转速和电角度的估计值；
Figure BDA0003281072860000119
和
Figure BDA00032810728600001110
分别为电机负载转矩和电磁转矩的估计值；α1,α2,α3为转速观测器的增益值。Ts为转速观测器的采样周期，k为采样时刻。角度误差eθ(k-1)可以表示为：
Figure BDA00032810728600001111
其中电角度可以表示为θe＝npθ，np为电机的极对数。
步骤二、设置转速参考值
Figure BDA00032810728600001112
将转速参考值
Figure BDA00032810728600001113
与步骤一所得的转速测量值
Figure BDA00032810728600001114
输入到转速无差拍控制器子系统。转速无差拍控制子系统根据电机系统运动模型设计得到转速预测器，负载转矩观测器，转速无差拍控制器。转速无差拍控制子系统经过计算得到转矩参考值Te(k)，将转速参考值输入到电流分配器，第一延迟器；本实施例中负载转矩观测器的阶数设定为3。
转速预测器的离散形式如下：
Figure BDA00032810728600001115
其中，
Figure BDA00032810728600001116
Tm为转速无差拍控制子系统的控制周期，k为采样时刻。f(x)＝tanh(x)为双曲正切函数，
Figure BDA00032810728600001117
为转速预测值，
Figure BDA00032810728600001118
为电机系统等效负载转矩的估计值,β0,β1为转速观测器的增益值。
阶数为3的负载转矩观测器的离散形式如下：
Figure BDA0003281072860000121
其中，
Figure BDA0003281072860000122
Tm为转速无差拍控制子系统的控制周期，k为采样时刻。β0,β1,…,β4为转速观测器的增益值。
则转速无差拍控制器的转矩参考值具体计算方法如下：
Figure BDA0003281072860000123
步骤三、结合电机系统的运行工况以及特性，电流分配器根据步骤二所得的转矩参考值Te(k)得到永磁同步电机同步旋转坐标系下的各电流分量参考值
Figure BDA0003281072860000124
Figure BDA0003281072860000125
在没有调磁指令的工作场合，为了控制简便，转矩空间d轴电流参考值一般设置如下：
Figure BDA0003281072860000126
根据双三相电机的转矩公式，则转矩空间q轴电流参考值如下：
Figure BDA0003281072860000127
而谐波空间z1z2轴电流参考值如下：
Figure BDA0003281072860000128
步骤四、采集永磁同步电机的定子电流信号，经过坐标变换得到等效的同步旋转坐标下的定子电流反馈信号，然后送入电流无差拍控制子系统；
其中，坐标变化得到等效的同步旋转坐标下的定子电流反馈信号涉及到的运算如下：
Figure BDA0003281072860000131
Figure BDA0003281072860000132
其中，ABCDEF代表六相静止坐标下的采集电流物理量，αβxy代表经过空间矢量变换后静止坐标下的等效物理量，dqz1z2代表同步旋转坐标下的物理量。
步骤五、电流无差拍控制子系统根据电机系统电气模型设计得到电流预测器，扰动观测器，电流无差拍控制器。电流无差拍控制器根据转速观测器的转速输出，步骤三所得的定子电流参考信号
Figure BDA0003281072860000133
和步骤四所得的定子电流反馈信号(idq，iz1z2)计算得出永磁同步电机的电压参考信号
Figure BDA0003281072860000134
然后送入到电压坐标变换模块。
双三相电机为多相组电机，其电流控制可以分为转矩空间和谐波空间等两个解耦的电流控制。转矩空间的电流无差拍控制如下：
电流预测器的具体计算方法如下：
Figure BDA0003281072860000135
其中，f(x)＝tanh(x)为双曲正切函数,γ0,γ1为电流预测的增益值，e(k)为预测误差，
Figure BDA0003281072860000136
为转矩空间中的参数矩阵，具体表达式如下：
Figure BDA0003281072860000137
Figure BDA0003281072860000141
转矩空间，阶数为3的扰动观测器的具体计算方法如下：
Figure BDA0003281072860000142
Figure BDA0003281072860000143
Figure BDA0003281072860000144
Figure BDA0003281072860000145
Figure BDA0003281072860000146
Figure BDA0003281072860000147
其中，
Figure BDA0003281072860000148
Tc为电流无差拍控制子系统的控制周期，k为采样时刻。γ2,…,γ4为扰动观测器的增益值。
谐波空间的电流无差拍控制器的具体算法如下：
Figure BDA0003281072860000149
其中，
Figure BDA00032810728600001410
为永磁同步电机系统的电压参考值。其中，
Figure BDA00032810728600001411
为电流参考值，
Figure BDA00032810728600001412
为电流预测器的输出预测结果，
Figure BDA00032810728600001413
为扰动观测器的输出结果。
类似的，谐波空间的电流无差拍控制如下：
电流预测器的具体计算方法如下：
Figure BDA00032810728600001414
其中，f(x)＝tanh(x)为双曲正切函数,γ0,γ1为电流预测器的增益值，eh(k)为预测误差，
Figure BDA0003281072860000151
为转矩空间中的参数矩阵，具体表达式如下：
Figure BDA0003281072860000152
Figure BDA0003281072860000153
谐波空间，阶数为3的扰动观测器的具体计算方法如下：
Figure BDA0003281072860000154
Figure BDA0003281072860000155
Figure BDA0003281072860000156
Figure BDA0003281072860000157
Figure BDA0003281072860000158
Figure BDA0003281072860000159
其中，
Figure BDA00032810728600001510
Tc为电流无差拍控制子系统的控制周期，k为采样时刻。
谐波空间的电流无差拍控制器的具体算法如下：
Figure BDA00032810728600001511
其中，
Figure BDA00032810728600001512
为永磁同步电机系统的电压参考值。其中，
Figure BDA00032810728600001513
为电流参考值，
Figure BDA00032810728600001514
为电流预测器的输出预测结果，
Figure BDA00032810728600001515
为扰动观测器的输出结果。
步骤六、电压坐标变换模块根据步骤五所得的电压参考信号
Figure BDA00032810728600001516
和
Figure BDA00032810728600001517
计算得到静止坐标下的电压参考信号
Figure BDA00032810728600001518
和
Figure BDA00032810728600001519
脉宽调制模块根据静止坐标下的电压参考信号得到永磁同步电机逆变器系统功率器件的开关信号。其中涉及的坐标变换计算方法如下：
Figure BDA0003281072860000161
实施例1
本发明实施例1基于双三相电机永磁同步电机驱动平台，将上述双三相永磁同步电机的无差拍级联预测控制系统以及控制方法的实验结果进行阐述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
采用的双三相永磁同步电机驱动系统参数如下表所示：
Figure BDA0003281072860000162
如图3所示，实验中电机转速为750rpm.图3(a)中控制器的电气参数与双三相永磁同步电机系统实际参数相匹配
Figure BDA0003281072860000163
直轴电流参考值从0A阶跃到2A，当参数完全匹配时，从图3(a)中的细节放大图可以看出来，电流无差拍控制子系统实现了两拍延时跟踪，这与系统存在一拍延时下无差拍控制方法的理想追踪效果保持一致。同时，在直轴电流阶跃变化过程中，交轴电流，谐波空间的z1z2轴电流保持不变，没有受到影响。相电流波形相位的快速改变再一次说明了本发明实施例1中无差拍控制子系统的电流跟踪优秀的动态性能。同时，图3(b)展示了双三相永磁同步电机控制系统参数不匹配情况下的实验结果
Figure BDA0003281072860000164
值得注意的是，与参数完全匹配下图3(a)的实验结果，参数不匹配情况下电流动态跟踪性能相比下降了。由于本发明的转速预测器，扰动观测器等模块，当出现严重的参数不匹配，系统仍然保持稳定且稳态时电流跟踪误差为0。图3说明了本发明的一种永磁同步电机级联式无差拍控制系统及其控制方法的电气参数鲁棒性。
图4为双三相永磁同步电机级联式无差拍控制系统的实验图。如图4(a)所示，当系统机械参数相匹配时，电机转速参考值从0阶跃到400rpm，电机系统在加速阶段交轴电流始终保持在变流器系统最大设定值电流20A，整个调节时间为120ms。从交轴电流波形上可以看出，转速无差拍控制系统具有良好的动态调节能力。图4(b)和图4(c)比较了传统级联式无差拍预测控制系统与本发明的级联式无差拍预测控制系统在转动惯量变化情况下系统稳定性。可以看出，当转动惯量从0.5J变为2J，传统级联式无差拍预测控制系统的转速和交轴电流出现震荡，逐渐失去稳定性。而当转动惯量从0.5J变为4J，本发明的级联式无差拍预测控制系统的转速和交轴电流依然保持不变。图4说明了本发明的一种永磁同步电机级联式无差拍控制系统及其控制方法的机械参数鲁棒性。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种永磁同步电机级联式无差拍控制的方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
步骤一：将机械角度信号和转矩信号送入转速观测器，经过转速观测器计算后得到转速测量值；
步骤二：通过转速参考值与步骤一所得的转速测量计算得到转矩参考值；
步骤三：结合电机系统的运行工况以及特性，电流分配器根据步骤二所得的转矩参考值得到永磁同步电机同步旋转坐标系下的各电流分量参考值；
步骤四：采集永磁同步电机的定子电流信号，经过坐标变换得到等效的同步旋转坐标下的定子电流反馈信号，然后送入电流无差拍控制子系统；
步骤五：根据转速观测器的转速输出，步骤三所得的定子电流参考信号和步骤四所得的定子电流反馈信号计算得出永磁同步电机的电压参考信号；
步骤六：根据步骤五所得的电压参考信号，计算得到静止坐标下的电压参考信号。
2.一种永磁同步电机级联式无差拍控制系统，其特征在于，所述控制系统包括转速观测器，转速无差拍控制子系统，第一延迟器，电流分配器，电流坐标变换模块，电流无差拍控制子系统，电压坐标变换模块，脉宽调制模块，所述转速观测器的第一输入端与位置传感器的角度输出相连接，转速观测器的第二输入端与第一延迟器的输出端相连接，转速观测器的转速输出端与转速无差拍控制子系统的第一输入端相连接，所述转速无差拍控制子系统的第二输入端为转速参考值，转速无差拍控制子系统的转矩输出不仅与第一延迟器的输出端相连接，也与电流分配器的输入端相连接，所述电流分配器的输出端与电流无差拍控制子系统的第一输入端相连接，所述电流无差拍控制子系统的第二输入端与电流坐标变换模块的输出端相连接，电流无差拍控制子系统的第三输入端与转速观测器的转速输出端相连接，电流无差拍控制子系统的输出端与电压坐标变换模块相连接，所述电压坐标变换模块的输出端与脉宽调制模块的输入端相连接，电压坐标变换模块的输出端将功率器件的开关信号与永磁同步电机逆变器系统相连接。
3.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机级联式无差拍控制的方法，其特征在于，所述转速测量值经过转速观测器计算后得到，所述转速观测器的离散形式如下：
Figure FDA0003281072850000021
Figure FDA0003281072850000022
Figure FDA0003281072850000023
其中，Ts为转速观测器的采样周期，k为采样时刻，电角度可以表示为θe＝npθ，
Figure FDA0003281072850000024
和
Figure FDA0003281072850000025
为电机系统摩擦系数和转动惯量的估计值；
Figure FDA0003281072850000026
和
Figure FDA0003281072850000027
分别为电机机械转速和电角度的估计值；
Figure FDA0003281072850000028
和
Figure FDA0003281072850000029
分别为电机负载转矩和电磁转矩的估计值；α1,α2,α3为转速观测器的增益值。
4.根据权利要求2所述的一种永磁同步电机级联式无差拍控系统，其特征在于，所述的转速无差拍控制子系统包括转速无差拍预测控制器，转速预测器，负载转矩观测器，第二延迟器，第三延迟器；所述转速无差拍预测控制器的第三输入端为转速参考值，转速无差拍预测控制器的输出与电流分配器的输入端相连接。
5.根据权利要求3所述的一种永磁同步电机级联式无差拍控系统，其特征在于，所述转速预测器的第一输入端为转速观测器的转速输出，转速预测器的第二输入端与第二延迟器的输出端相连接，转速预测器的第一输出端与转速无差拍预测控制器的第一输入端相连接，转速预测器的第二输出端与第三延迟的输入端相连接。
6.根据权利要求3所述的一种永磁同步电机级联式无差拍控系统，其特征在于，所述负载转矩观测器的第一输入端为转速观测器的转速输出，负载转矩观测器的第二输入端与第三延迟器的输出相连接，负载转矩观测器的输出不仅与第二延迟器的输入端相连接，也与转速无差拍预测控制器的第二输入端相连接。
7.根据权利要求2所述的一种永磁同步电机级联式无差拍控系统，其特征在于，所述电流无差拍控制子系统包括电流无差拍控制器，电流预测器，扰动观测器，第四延迟器，第五延迟器；所述电流预测器的第一输入端与电流坐标变换模块的输出端相连接，电流预测器的第二输入端与第四延迟器的输出端相连接，电流预测器的第一输出端与第五延迟器的的输入端相连接，电流预测器的第二输出端与电流无差拍控制器的第一输入端相连接。
8.根据权利要求7所述的一种永磁同步电机级联式无差拍控系统，其特征在于，所述扰动观测器的第一输入端与电流坐标变换模块的输出端相连接，扰动观测器的第二输入端与第五延迟器的输出端相连接，扰动观测器的输出不仅与第四延迟器的输入端相连接，也与电流无差拍控制器的第二输入端相连接。
9.根据权利要求7所述的一种永磁同步电机级联式无差拍控系统，其特征在于，所述扰动观测器包含滑模控制器和广义比例积分观测器。
10.一种计算执行装置，其特征在于，所述计算执行装置用于计算权利要求1所述的一种永磁同步电机级联式无差拍控制的方法。
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