CN113992098A - 一种永磁同步电机稳态性能的提升方法、系统 - Google Patents

一种永磁同步电机稳态性能的提升方法、系统 Download PDF

Info

Publication number
CN113992098A
CN113992098A CN202111292953.6A CN202111292953A CN113992098A CN 113992098 A CN113992098 A CN 113992098A CN 202111292953 A CN202111292953 A CN 202111292953A CN 113992098 A CN113992098 A CN 113992098A
Authority
CN
China
Prior art keywords
current
permanent magnet
axis
magnet synchronous
synchronous motor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202111292953.6A
Other languages
English (en)
Inventor
沈伟
杨艺
王军政
赵江波
马立玲
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing Institute of Technology BIT
Original Assignee
Beijing Institute of Technology BIT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing Institute of Technology BIT filed Critical Beijing Institute of Technology BIT
Priority to CN202111292953.6A priority Critical patent/CN113992098A/zh
Publication of CN113992098A publication Critical patent/CN113992098A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/22—Current control, e.g. using a current control loop
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/14—Estimation or adaptation of machine parameters, e.g. flux, current or voltage
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/28—Arrangements for controlling current
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/34—Modelling or simulation for control purposes
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P2207/00—Indexing scheme relating to controlling arrangements characterised by the type of motor
    • H02P2207/05—Synchronous machines, e.g. with permanent magnets or DC excitation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Ac Motors In General (AREA)

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机稳态性能的提升方法、系统，将稳态电流值与预测电流值的差作为电流预测误差，并补偿到模型预测控制环节的价值函数中，根据改进的价值函数决定永磁同步电机的电压矢量和开关状态，获得永磁同步电机实时的运行参数并反馈至电流预测误差计算过程中，进而实现永磁同步电机稳态性能的持续提升。上述方法相比于传统的采用给定电流和预测电流的差的方法，提高了电流预测误差的准确度，更符合电机的实际运行工况，并且将电流预测误差补偿至价值函数中，避免了电机的实际工况变化导致参数变化进而导致控制精度和控制效果降低的问题，提高了永磁同步电机稳态性能的补偿精度。

Description

一种永磁同步电机稳态性能的提升方法、系统
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，具体涉及一种永磁同步电机稳态性能的提升方法、系统。
背景技术
高功率密度、高效率等优点，让永磁同步电机(permanent magnet synchronousmachine，PMSM)近年来在工业控制领域得到了普遍应用。同时，随着永磁同步电机相关产业、技术的提升，永磁同步电机能够更充分的发挥高精度、高可靠性的优势，故在工控界炙手可热，其伺服系统的控制性能成为了我国重点研究内容。
先进的控制系统常需具有快速响应、超调量小、稳态误差小以及多种工况下的鲁棒性强的特性。高效的软件程序控制算法能够弥补电机自身无法避免的问题，进而使伺服系统表现出良好控制性能。电机系统具有多变量、非线性、强耦合等特点，而有限控制集模型预测控制(Finite-Control-Set Model Predictive Control,FCS-MPC)具有简洁直观、无需调制器、多目标可协同、非线性目标容易实现等优点，因此，其在PMSM控制中获得了较多的关注，尤其是16年至今，相关研究呈现上升趋势。
传统的模型预测控制依赖于电机准确数学模型，在遇不同程度的工况变化时，系统控制精度定会受到影响，导致控制效果下降，其具有步数冗长、计算量大与控制效果矛盾的问题。传统的模型预测控制为提升模型预测电流控制在控制系统中的效果，减小稳态误差，将上一时刻电流误差，补偿在对下一时刻的电流预测步骤中。然而，利用上一时刻的电流误差补偿获得的下一时刻的预测电流仍然存在较大误差，实时性与精准度低。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于模型预测控制的永磁同步电机稳态性能的提升方法，能够解决现有模型预测控制中因变量预测误差而引起的稳态误差较大的问题，提高了永磁同步电机模型预测控制性能。
本发明的具体技术方案如下：
一种永磁同步电机稳态性能的提升方法，将电流预测误差补偿到模型预测控制环节的价值函数中，得到改进的价值函数，根据价值函数决定永磁同步电机的电压矢量和开关状态，控制永磁同步电机的运行，进而获得永磁同步电机实时的运行参数；将所述实时的运行参数反馈至电流预测误差计算过程中，实现永磁同步电机稳态性能的持续提升；
所述电流预测误差为稳态电流值即实际电流值与预测电流值的差。
进一步地，所述将电流预测误差补偿到模型预测控制环节的原始价值函数中，得到改进价值函数为：将电流预测误差加到原始价值函数中得到改进价值函数；
所述原始价值函数为：
Figure BDA0003335310470000021
其中，g为成本函数即价值函数，
Figure BDA0003335310470000022
为永磁同步电机在动态旋转坐标系下d轴的给定电流值，
Figure BDA0003335310470000023
为永磁同步电机动态旋转坐标系下q轴的给定电流值，λq为q轴电流的权重系数，k表示第k时刻，k为正整数，n为预测步数，n为正整数，即
Figure BDA0003335310470000024
分别表示在第k时刻，预测n步后d轴和q轴的预测电流值，
Figure BDA0003335310470000025
为用于保证电流不超过逆变器和电机允许的最大电流的限幅非线性函数，
Figure BDA0003335310470000031
其中，imax表示逆变器和电机允许的最大电流；
所述改进价值函数为：
Figure BDA0003335310470000032
其中，λa为根据电机实际工况进行实时调整的电流预测误差补偿系数，Δid(kn)为d轴的电流预测误差，Δiq(kn)为q轴的电流预测误差。
进一步地，所述根据价值函数决定永磁同步电机的电压矢量和开关状态为：选择价值函数的最小值对应的电压矢量，通过所述对应的电压矢量控制开关状态。
进一步地，第k+1时刻，所述稳态电流值即实际电流值等于第k时刻的稳态电流值；
所述第k+1时刻的预测电流值等于在第k时刻的电流值预测n步之后的预测电流值，即
Figure BDA0003335310470000033
其中，
Figure BDA0003335310470000034
分别表示在k+1时刻的永磁同步电机在动态旋转坐标系下的d轴和q轴的预测电流值，
Figure BDA0003335310470000035
分别表示在第k时刻预测n步后d轴和q轴的预测电流值；
所述电流预测误差为稳态电流值即实际电流值与预测电流值的差，在第k时刻，1步预测后的电流预测误差用公式表示为：
Figure BDA0003335310470000036
其中，
Figure BDA0003335310470000037
和
Figure BDA0003335310470000038
分别表示下一时刻即k+1时刻的d轴和q轴的实际电流值，
Figure BDA0003335310470000039
和
Figure BDA00033353104700000310
分别表示1步预测后d轴和q轴的电流预测误差；
Figure BDA00033353104700000311
Figure BDA00033353104700000312
分别表示在第k时刻的电流值预测1步之后的d轴和q轴的预测电流值；Ts表示采样周期，Ld、Lq分别为d轴和q轴等效的电感分量，ud(k)和uq(k)分别表示k时刻的d轴和q轴的电压，Rs为定子电阻，ωe为转子的电角速度，
Figure BDA0003335310470000041
为转子永磁体产生的磁链；
根据所述1步预测后的电流预测误差，通过归纳推理得到预测n步后的电流预测误差用公式表示为：
Figure BDA0003335310470000042
其中，Δid(kn)和Δiq(kn)分别表示预测n步后的d轴和q轴的电流预测误差；
Figure BDA0003335310470000043
表示n-1步预测后，第j个电压矢量对应的d轴的电压，
Figure BDA0003335310470000044
表示预测n-1步后，第j个电压矢量对应的q轴的电压，j为正整数，表示电压矢量的序数。
进一步地，通过建立永磁同步电机在动态旋转坐标系下的数学模型获得所述运行参数，所述数学模型包括电压方程、电磁转矩方程和运动方程；
所述电压方程为在永磁同步电机原始电压方程的基础上增加电流预测误差导致的电压不确定量，用公式表示为：
Figure BDA0003335310470000045
其中，
Figure BDA0003335310470000046
分别表示预测n步后，d轴和q轴的预测电流值，Ld、Lq分别为d轴和q轴等效的电感分量，ud和uq分别表示下一时刻即k+1时刻的d轴和q轴的电压，Rs为定子电阻，ωe为转子的电角速度，
Figure BDA0003335310470000047
为转子永磁体产生的磁链，Δud(kn)、Δuq(kn)分别为考虑电流预测n步后，电机在d、q轴对应的电压不确定量，用公式表示为：
Figure BDA0003335310470000051
所述电磁转矩方程为在永磁同步电机原始电磁转矩方程的基础上增加电流预测误差导致的电磁转矩不确定量，用公式表示为：
Figure BDA0003335310470000052
其中，Te为考虑电磁转矩不确定量之后的电磁转矩，Pn为极对子数；ΔTe(kn)为考虑n步电流预测误差后对应的电磁转矩不确定量，
Figure BDA0003335310470000053
所述运动方程为在永磁同步电机原始运动方程的基础上增加电流预测误差导致的电磁转矩不确定量，用公式表示为：
Figure BDA0003335310470000054
其中，ωm为转子的机械角速度ωe＝Pnωm；J为转动惯量；B为阻尼系数；TL为负载转矩，
Figure BDA0003335310470000055
为n步电流预测后得到的没有考虑电磁转矩不确定量的电磁转矩，
Figure BDA0003335310470000056
所述永磁同步电机的运行参数包括电压、电磁转矩和电机机械角速度；所述电压可由电压方程直接获得，所述电磁转矩可由电磁转矩方程直接获得，所述电机机械角速度通过对运动方程进行前向欧拉离散得到。
一种永磁同步电机稳态性能控制系统，包括预测电流控制模块、电流预测误差计算模块、改进价值函数模块和开关状态选择模块；
所述预测电流控制模块用于计算n步预测后的永磁同步电机在动态旋转坐标系下d轴和q轴的预测电流值；其中，n为预测步数，n为正整数；
所述电流预测误差计算模块用于根据所述预测电流控制模块的预测电流值和系统采集的实际电流值计算所述电流预测误差，并发送至改进价值函数模块；
所述改进价值函数模块用于根据所述电流预测误差构建改进价值函数，决定电压矢量的选择；
所述开关状态选择模块用于根据所述改进价值函数模块的电压矢量，选择最优的电压矢量及对应的开关状态，控制永磁同步电机的运行，并将实时的运行参数反馈至电流预测误差计算过程中，实现永磁同步电机稳态性能的持续提升；
所述电流预测误差为稳态电流值即实际电流值与预测电流值的差。
进一步地，所述改进价值函数模块根据所述电流预测误差构建改进价值函数为：将电流预测误差加到原始价值函数中得到改进价值函数；
所述开关状态选择模块选择最优的电压矢量及对应的开关状态为：选择价值函数的最小值对应的电压矢量，通过所述对应的电压矢量控制开关状态。
进一步地，在所述预测电流控制模块中计算n步预测后的永磁同步电机在动态旋转坐标系下d轴和q轴的预测电流值具体为：先计算第k+1时刻的电流预测误差，再通过归纳推理得到k+n时刻的电流预测误差。
有益效果：
(1)本发明提供的一种永磁同步电机稳态性能的提升方法，通过将电流预测误差补偿到模型预测控制环节的价值函数中，根据改进的价值函数决定电压矢量和开关状态，进而获得永磁同步电机的运行参数；其中，电流预测误差采用稳态电流值即实际电流值与预测电流值的差，相比于传统的采用给定电流和预测电流的差的方法，提高了电流预测误差的准确度，更符合电机的实际运行工况，提高了永磁同步电机稳态性能的补偿精度；将电流预测误差补偿至价值函数中，相较于传统的补偿到数学模型或者电流预测步骤中的做法，避免了电机的实际工况变化导致电压等参数变化进而导致控制精度和控制效果降低的问题，同时也降低了运算量；通过补偿后的价值函数对电机进行控制，进而获得电机的运行参数，可以直接获得高稳态性能状态下的运行参数。
(2)将电流预测误差乘以一定的误差补偿系数补偿到价值函数中，并根据电机的实际工况对误差补偿系数进行调整，可以更加精准的控制电机运行状态，提升电机的稳态性能。
(3)使用k时刻的稳态电流值表示k+1时刻的稳态电流值，在降低运算量的同时，保证了在电流预测误差计算过程中电流采样值的实时性，提高了电流预测误差计算的准确度，使得电流预测误差更加符合实际电流误差，进一步提高了稳态过程中实际电流误差的价值。
附图说明
图1为本发明的永磁同步电机稳态性能控制系统的控制结构示意图；
图2为本发明的永磁同步电机控制方法的流程示意图；
图3是本发明的永磁同步电机稳态性能控制系统的系统模块构成示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种永磁同步电机稳态性能的提升方法、系统，通过将电流预测误差补偿到模型预测控制环节的价值函数中，获得改进的价值函数，根据改进的价值函数决定电压矢量和开关状态，控制电机运行，进而获得永磁同步电机稳态情况下的运行参数；其中，电流预测误差采用稳态电流值即实际电流值与预测电流值的差，相比于传统的采用给定电流和预测电流的差的方法，提高了电流预测误差的准确度，更符合电机的实际运行工况，提高了永磁同步电机稳态性能的补偿精度；将电流预测误差补偿至价值函数中，相较于传统的补偿到数学模型或者电流预测步骤中的做法，避免了电机的实际工况变化导致电压等参数变化进而导致控制精度和控制效果降低的问题，同时也降低了运算量；通过补偿后的价值函数对电机进行控制，进而获得电机的运行参数，可以直接获得高稳态性能状态下的运行参数。将所述实时的运行参数反馈至电流预测误差计算过程中，实现永磁同步电机稳态性能的持续提升。
获得实时的稳态的运行参数之后，主要是电流矢量值和电压矢量值，就可以反馈到电流预测误差计算的过程中，从而保证电流预测误差计算的实时性和准确性。
在进行电流预测误差之前，需要将永磁同步电机的三相静止坐标系经过Park变换和Clark变换得到两相的动态旋转坐标系，得到d轴和q轴的电流矢量值和电压矢量值。
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
如图1所示，一种基于模型预测控制的永磁同步电机稳态性能的提升方法通过传感器采集永磁同步电机在三相静止坐标系下的电流变量值，先经过Clark、Park变换为两相旋转坐标系下的电流id、iq；接着，速度环PI控制器得到q轴给定电流
Figure BDA0003335310470000081
基于MTPA原则，本发明实施例采用
Figure BDA0003335310470000082
控制；然后，将给定的d、q轴电流及当前时刻的ud、uq等变量作为模型预测电流控制模块的输入。
在本发明实施例中，选择三相表贴式永磁同步电机作为研究对象，并有以下假设：
(1)忽略转子磁路的饱和与流的影响；
(2)忽略高次谐波，假定感应电动势是正弦波；
(3)假定磁路呈线性，能够应用叠加原理；
(4)假定三相绕组对称，气隙分布均匀。
如图2所示，展示了本发明的永磁同步电机稳态性能提升方法的具体流程：
首先，采集当前永磁同步电机经过Park、Clark变换后的动态旋转坐标系下d、q轴电流、电压等矢量。
之后，计算电流预测误差，电流预测误差为稳态电流值即实际电流值与预测电流值的差。
预测电流值：
需要先对永磁同步电机在动态旋转坐标系下的电压方程进行前向欧拉离散得到当前时刻即k时刻预测1步之后的永磁同步电机在动态旋转坐标系下的d轴和q轴的预测电流值，如下所示：
Figure BDA0003335310470000091
其中，
Figure BDA0003335310470000092
分别表示在k时刻，1步预测后永磁同步电机在动态旋转坐标系下的d轴和q轴的预测电流值，k表示第k时刻，k为正整数，id(k)和iq(k)分别表示k时刻的d轴和q轴的稳态电流值，Ts表示采样周期，Ld、Lq分别为d轴和q轴等效的电感分量，ud(k)和uq(k)分别表示k时刻的d轴和q轴的电压，Rs为定子电阻，ωe为转子的电角速度，
Figure BDA0003335310470000093
为转子永磁体产生的磁链。
稳态电流值即实际电流值：
考虑id＝0的永磁同步电机矢量控制方法，当永磁同步电机控制系统处在稳定状态中，即外力负载恒定，永磁同步电机以固定的速度运行时，由于采样时间Ts极短，此时的q轴电流亦是一个定值，则实际k+1时刻的电流值应有
Figure BDA0003335310470000094
前面说到的，将电机实时的运行参数反馈至电流预测误差计算过程中，实现永磁同步电机稳态性能的持续提升。就是上述通过控制电机的运行之后，可以获得实时的稳态电流值和电压值，从而预测电流的计算也因实时电压的采集而更加准确。
电流预测误差：
在k时刻，1步预测后的电流预测误差用公式表示为：
Figure BDA0003335310470000101
其中，
Figure BDA0003335310470000102
和
Figure BDA0003335310470000103
分别表示下一时刻即k+1时刻的d轴和q轴的实际电流值，Δid(k1)和Δiq(k1)分别表示1步预测后d轴和q轴的电流预测误差；
Figure BDA0003335310470000104
Figure BDA0003335310470000105
分别表示在第k时刻的电流值预测1步之后的d轴和q轴的预测电流值；Ts表示采样周期，Ld、Lq分别为d轴和q轴等效的电感分量，ud(k)和uq(k)分别表示k时刻的d轴和q轴的电压，Rs为定子电阻，ωe为转子的电角速度，
Figure BDA0003335310470000106
为转子永磁体产生的磁链。
三相两电平逆变器电路驱动永磁同步电机，即有8组开关状态，其中2组为零矢量。根据逆变器的数学模型，计算得到所有可能的各电压矢量对应下的d、q轴电压，即第j个电压矢量对应电压为
Figure BDA0003335310470000107
j为正整数，表示电压矢量的序数。
采用模型预测电流控制，根据上述步骤结果，计算在k时刻，第2步预测电流为：
Figure BDA0003335310470000108
根据得到的d、q轴上单步预测的电流预测误差Δid(k1)、Δiq(k1)，可以得到第2步的电流预测误差Δid(k2)、Δiq(k2)，如下所示：
Figure BDA0003335310470000111
Figure BDA0003335310470000112
其中，针对本发明研究的表贴式永磁同步电机d、q轴上电感分量相等，即Ls＝Ld＝Lq。
从上式可知，第2步的电流预测误差显然包含了第1步的电流预测误差，电流预测误差随着预测步数的增加也在不断的累积。
因此，根据两步预测后，下一时刻的电流预测误差，通过归纳推理得到经过n步预测后的电流预测误差用公式表示为：
Figure BDA0003335310470000113
其中，Δid(kn)和Δiq(kn)分别表示预测n步后的d轴和q轴的电流预测误差；
Figure BDA0003335310470000114
表示n-1步预测后，第j个电压矢量对应的d轴的电压，
Figure BDA0003335310470000115
表示预测n-1步后，第j个电压矢量对应的q轴的电压，j为正整数，表示电压矢量的序数。第k+1时刻的预测电流值等于在第k时刻的电流值预测n步之后的预测电流值，即
Figure BDA0003335310470000116
其中，
Figure BDA0003335310470000117
分别表示在k+1时刻的永磁同步电机在动态旋转坐标系下的d轴和q轴的预测电流值，
Figure BDA0003335310470000118
分别表示在第k时刻预测n步后d轴和q轴的预测电流值。
由上式可知，第k+1步的电流预测误差显然包含了第k步的电流预测误差，电流预测误差随着预测步数地增加也在不断地累积。
之后，将电流预测误差补偿到模型预测控制环节的原始价值函数中，得到改进价值函数即将电流预测误差加到原始价值函数中得到改进价值函数。
原始价值函数为：
Figure BDA0003335310470000121
其中，g为成本函数即价值函数，成本函数g是用于最佳控制系统的性能测量工具。在电动机控制中，成本函数的组成部分中，需要强调跟踪成本、与变量及其引用之间的误差等，
Figure BDA0003335310470000122
为永磁同步电机在动态旋转坐标系下d轴的给定电流值，
Figure BDA0003335310470000123
为永磁同步电机动态旋转坐标系下q轴的给定电流值，λq为q轴电流的权重系数，k表示第k时刻，k为正整数，n为预测步数，n为正整数，即
Figure BDA0003335310470000124
Figure BDA0003335310470000125
分别表示在第k时刻，预测n步后d轴和q轴的预测电流值，
Figure BDA0003335310470000126
为用于保证电流不超过逆变器和电机允许的最大电流的限幅非线性函数，，
Figure BDA0003335310470000127
其中，imax表示逆变器和电机允许的最大电流。
改进价值函数为：
Figure BDA0003335310470000128
其中，λa为根据电机实际工况进行实时调整的电流预测误差补偿系数，id(kn)为d轴的电流预测误差，Δiq(kn)为q轴的电流预测误差。
价值函数还可以设计为二阶欧几里得范数形式，如下式所示，两者效果近似。
Figure BDA0003335310470000129
根据价值函数的值决定永磁同步电机的电压矢量和开关状态，即选择价值函数的最小值对应的电压矢量，通过对应的电压矢量控制开关状态，进而控制电机运行，获得稳态状态下的电机运行参数。
通过建立永磁同步电机在动态旋转坐标系下的数学模型获得所述运行参数，所述数学模型包括电压方程、电磁转矩方程和运动方程。永磁同步电机的运行参数包括电压、电磁转矩和电机机械角速度；电压可由电压方程直接获得，电磁转矩可由电磁转矩方程直接获得，电机机械角速度通过对运动方程进行前向欧拉离散得到。
根据获取得到的当前定子电压、电流及电机电角速度等矢量等，考虑稳态过程中的电流预测误差，构建永磁同步电机在两相旋转坐标系d轴和q轴下的数学模型。
电压方程(已包括磁链方程)为在永磁同步电机原始电压方程的基础上增加电流预测误差导致的电压不确定量，用公式表示为：
Figure BDA0003335310470000131
其中，
Figure BDA0003335310470000132
分别为n步预测后，d、q轴对应的模型预测电流分量；ud、uq为d、q轴对应电压分量；ωe为转子的电角速度；Rs为定子电阻；Ld、Lq分别为d、q轴上等效的电感分量；ψf为转子永磁体产生的磁链；Δud(kn)、Δuq(kn)分别为n步电流预测后，电机在d、q轴对应的电压不确定量，如下所示：
Figure BDA0003335310470000133
其中，Δud(kn)、Δuq(kn)分别为n步电流预测后，d、q轴上的电流预测误差。
同样的，电磁转矩方程为在永磁同步电机原始电磁转矩方程的基础上增加电流预测误差导致的电磁转矩不确定量，用公式表示为：
Figure BDA0003335310470000141
其中，Te为考虑电磁转矩不确定量之后的电磁转矩，Pn为极对子数；ΔTe(kn)为考虑n步电流预测误差后对应的电磁转矩不确定量，
Figure BDA0003335310470000142
运动方程在永磁同步电机原始运动方程的基础上增加电流预测误差导致的电磁转矩不确定量，用公式表示为：
Figure BDA0003335310470000143
式中，ωm为转子的机械角速度ωe＝Pnωm；J为转动惯量；B为阻尼系数；TL为负载转矩，
Figure BDA0003335310470000144
为n步电流预测后得到的没有考虑电磁转矩不确定量的电磁转矩，
Figure BDA0003335310470000145
采用前向欧拉离散法，对永磁同步电机的运动方程进行整理，考虑电流预测误差，可以得到下一时刻的电机机械角速度，如下所示：
Figure BDA0003335310470000146
因此，分析得1步预测后带电机转速误差就可达：
Figure BDA0003335310470000147
式中，nr为电机转速，单位rpm。
当电机转速较大，比如处于稳态过程中时，转速的误差值也将较大程度的变大，其对稳态误差的影响愈发显著。
鉴于上述一种永磁同步电机的稳态性能的提升方法，本发明还提供了一种永磁同步电机稳态性能控制系统，该系统的模块组成如图3所示，预测电流模块利用本发明提供的改进价值函数滚动寻优选择最佳电压矢量对应的开关状态输出到逆变器，进而控制永磁同步电机的运行。之后将所述实时的运行参数反馈至电流预测误差计算过程中，实现永磁同步电机稳态性能的持续提升。
该系统通过将电流预测误差补偿到模型预测控制环节的价值函数中，得到改进的价值函数，根据价值函数决定永磁同步电机的电压矢量和开关状态，控制永磁同步电机的运行。其中，电流预测误差为稳态电流值即实际电流值与预测电流值的差。
将电流预测误差补偿到模型预测控制环节的原始价值函数中，得到改进价值函数为：将电流预测误差加到原始价值函数中得到改进价值函数。根据价值函数决定永磁同步电机的电压矢量和开关状态为：选择价值函数的最小值对应的电压矢量，通过所述对应的电压矢量控制开关状态。
本发明提供的永磁同步电机稳态性能控制系统，包括预测电流控制模块、电流预测误差计算模块、改进价值函数模块和开关状态选择模块。
预测电流控制模块用于计算n步预测后的永磁同步电机在动态旋转坐标系下d轴和q轴的预测电流值，并提供给电流预测误差计算模块和改进价值函数模块；其中，n为预测步数，n为正整数；电流预测误差计算模块用于根据预测电流控制模块的预测电流值和系统采集的实际电流值计算所述电流预测误差，并发送至改进价值函数模块；改进价值函数模块用于根据电流预测误差构建改进价值函数，决定电压矢量的选择；开关状态选择模块用于根据改进价值函数模块的电压矢量，选择最优的电压矢量及对应的开关状态。
预测电流控制模块用于计算n步预测后的永磁同步电机在动态旋转坐标系下d轴和q轴的预测电流值具体为：先计算第1步预测后的电流预测误差，再通过归纳推理得到第n步预测后电流预测误差。具体计算方式在永磁同步电机稳态性能提升方法中已经记载，这里不再赘述。
本发明提供的永磁同步电机稳态性能提升方法考虑了电流预测误差的影响，提高了永磁同步电机控制系统的稳态性能，增强了模型预测控制方法的鲁棒性。将电流预测误差设计在价值函数中，避免了对其他改进算法、延迟补偿等方法的应用效果，具有较强的延伸性、可持续发展性、兼容性。
以上的具体实施例仅描述了本发明的设计原理，该描述中的部件形状，名称可以不同，不受限制。所以，本发明领域的技术人员可以对前述实施例记载的技术方案进行修改或等同替换；而这些修改和替换未脱离本发明创造宗旨和技术方案，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种永磁同步电机稳态性能的提升方法，其特征在于，将电流预测误差补偿到模型预测控制环节的价值函数中，得到改进的价值函数，根据价值函数决定永磁同步电机的电压矢量和开关状态，控制永磁同步电机的运行，进而获得永磁同步电机实时的运行参数；将所述实时的运行参数反馈至电流预测误差计算过程中，实现永磁同步电机稳态性能的持续提升；
所述电流预测误差为稳态电流值即实际电流值与预测电流值的差。
2.如权利要求1所述的永磁同步电机稳态性能的提升方法，其特征在于，所述将电流预测误差补偿到模型预测控制环节的原始价值函数中，得到改进价值函数为：将电流预测误差加到原始价值函数中得到改进价值函数；
所述原始价值函数为：
Figure FDA0003335310460000011
其中，g为成本函数即价值函数，
Figure FDA0003335310460000012
为永磁同步电机在动态旋转坐标系下d轴的给定电流值，
Figure FDA0003335310460000013
为永磁同步电机动态旋转坐标系下q轴的给定电流值，λq为q轴电流的权重系数，k表示第k时刻，k为正整数，n为预测步数，n为正整数，即
Figure FDA0003335310460000014
分别表示在第k时刻，预测n步后d轴和q轴的预测电流值，
Figure FDA0003335310460000015
为用于保证电流不超过逆变器和电机允许的最大电流的限幅非线性函数，
Figure FDA0003335310460000016
其中，imax表示逆变器和电机允许的最大电流；
所述改进价值函数为：
Figure FDA0003335310460000017
其中，λa为根据电机实际工况进行实时调整的电流预测误差补偿系数，Δid(kn)为d轴的电流预测误差，Δiq(kn)为q轴的电流预测误差。
3.如权利要求1所述的永磁同步电机稳态性能的提升方法，其特征在于，所述根据价值函数决定永磁同步电机的电压矢量和开关状态为：选择价值函数的最小值对应的电压矢量，通过所述对应的电压矢量控制开关状态。
4.如权利要求1所述的永磁同步电机稳态性能的提升方法，其特征在于，第k+1时刻，所述稳态电流值即实际电流值等于第k时刻的稳态电流值；
所述第k+1时刻的预测电流值等于在第k时刻的电流值预测n步之后的预测电流值，即
Figure FDA0003335310460000021
其中，
Figure FDA0003335310460000022
分别表示在k+1时刻的永磁同步电机在动态旋转坐标系下的d轴和q轴的预测电流值，
Figure FDA0003335310460000023
分别表示在第k时刻预测n步后d轴和q轴的预测电流值；
所述电流预测误差为稳态电流值即实际电流值与预测电流值的差，在第k时刻，1步预测后的电流预测误差用公式表示为：
Figure FDA0003335310460000024
其中，
Figure FDA0003335310460000025
和
Figure FDA0003335310460000026
分别表示下一时刻即k+1时刻的d轴和q轴的实际电流值，Δid(k1)和Δiq(k1)分别表示1步预测后d轴和q轴的电流预测误差；
Figure FDA0003335310460000027
Figure FDA0003335310460000028
分别表示在第k时刻的电流值预测1步之后的d轴和q轴的预测电流值；Ts表示采样周期，Ld、Lq分别为d轴和q轴等效的电感分量，ud(k)和uq(k)分别表示k时刻的d轴和q轴的电压，Rs为定子电阻，ωe为转子的电角速度，
Figure FDA0003335310460000029
为转子永磁体产生的磁链；
根据所述1步预测后的电流预测误差，通过归纳推理得到预测n步后的电流预测误差用公式表示为：
Figure FDA0003335310460000031
其中，Δid(kn)和Δiq(kn)分别表示预测n步后的d轴和q轴的电流预测误差；
Figure FDA0003335310460000032
表示n-1步预测后，第j个电压矢量对应的d轴的电压，
Figure FDA0003335310460000033
表示预测n-1步后，第j个电压矢量对应的q轴的电压，j为正整数，表示电压矢量的序数。
5.如权利要求1所述的永磁同步电机稳态性能的提升方法，其特征在于，通过建立永磁同步电机在动态旋转坐标系下的数学模型获得所述运行参数，所述数学模型包括电压方程、电磁转矩方程和运动方程；
所述电压方程为在永磁同步电机原始电压方程的基础上增加电流预测误差导致的电压不确定量，用公式表示为：
Figure FDA0003335310460000034
其中，
Figure FDA0003335310460000035
分别表示预测n步后，d轴和q轴的预测电流值，Ld、Lq分别为d轴和q轴等效的电感分量，ud和uq分别表示下一时刻即k+1时刻的d轴和q轴的电压，Rs为定子电阻，ωe为转子的电角速度，
Figure FDA0003335310460000038
为转子永磁体产生的磁链，Δud(kn)、Δuq(kn)分别为考虑电流预测n步后，电机在d、q轴对应的电压不确定量，用公式表示为：
Figure FDA0003335310460000036
所述电磁转矩方程为在永磁同步电机原始电磁转矩方程的基础上增加电流预测误差导致的电磁转矩不确定量，用公式表示为：
Figure FDA0003335310460000037
其中，Te为考虑电磁转矩不确定量之后的电磁转矩，Pn为极对子数；ΔTe(kn)为考虑n步电流预测误差后对应的电磁转矩不确定量，
Figure FDA0003335310460000041
所述运动方程为在永磁同步电机原始运动方程的基础上增加电流预测误差导致的电磁转矩不确定量，用公式表示为：
Figure FDA0003335310460000042
其中，ωm为转子的机械角速度ωe＝Pnωm；J为转动惯量；B为阻尼系数；TL为负载转矩，
Figure FDA0003335310460000043
为n步电流预测后得到的没有考虑电磁转矩不确定量的电磁转矩，
Figure FDA0003335310460000044
所述永磁同步电机的运行参数包括电压、电磁转矩和电机机械角速度；所述电压可由电压方程直接获得，所述电磁转矩可由电磁转矩方程直接获得，所述电机机械角速度通过对运动方程进行前向欧拉离散得到。
6.一种如权利要求1-5任一所述的永磁同步电机稳态性能的提升方法的永磁同步电机稳态性能控制系统，其特征在于，包括预测电流控制模块、电流预测误差计算模块、改进价值函数模块和开关状态选择模块；
所述预测电流控制模块用于计算n步预测后的永磁同步电机在动态旋转坐标系下d轴和q轴的预测电流值；其中，n为预测步数，n为正整数；
所述电流预测误差计算模块用于根据所述预测电流控制模块的预测电流值和系统采集的实际电流值计算所述电流预测误差，并发送至改进价值函数模块；
所述改进价值函数模块用于根据所述电流预测误差构建改进价值函数，决定电压矢量的选择；
所述开关状态选择模块用于根据所述改进价值函数模块的电压矢量，选择最优的电压矢量及对应的开关状态，控制永磁同步电机的运行，并将实时的运行参数反馈至电流预测误差计算过程中，实现永磁同步电机稳态性能的持续提升；
所述电流预测误差为稳态电流值即实际电流值与预测电流值的差。
7.如权利要求6所述的永磁同步电机稳态性能控制系统，其特征在于，所述改进价值函数模块根据所述电流预测误差构建改进价值函数为：将电流预测误差加到原始价值函数中得到改进价值函数；
所述开关状态选择模块选择最优的电压矢量及对应的开关状态为：选择价值函数的最小值对应的电压矢量，通过所述对应的电压矢量控制开关状态。
8.如权利要求6所述的永磁同步电机稳态性能控制系统，其特征在于，在所述预测电流控制模块中计算n步预测后的永磁同步电机在动态旋转坐标系下d轴和q轴的预测电流值具体为：先计算第k+1时刻的电流预测误差，再通过归纳推理得到k+n时刻的电流预测误差。
CN202111292953.6A 2021-11-03 2021-11-03 一种永磁同步电机稳态性能的提升方法、系统 Pending CN113992098A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111292953.6A CN113992098A (zh) 2021-11-03 2021-11-03 一种永磁同步电机稳态性能的提升方法、系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111292953.6A CN113992098A (zh) 2021-11-03 2021-11-03 一种永磁同步电机稳态性能的提升方法、系统

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN113992098A true CN113992098A (zh) 2022-01-28

Family

ID=79746092

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111292953.6A Pending CN113992098A (zh) 2021-11-03 2021-11-03 一种永磁同步电机稳态性能的提升方法、系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113992098A (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114915226A (zh) * 2022-05-26 2022-08-16 北京理工大学 一种超局部模型的永磁同步电机预测控制方法及系统
CN117544033A (zh) * 2023-11-14 2024-02-09 江南大学 一种基于bfoa的pmsm预测控制系统参数补偿方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114915226A (zh) * 2022-05-26 2022-08-16 北京理工大学 一种超局部模型的永磁同步电机预测控制方法及系统
CN117544033A (zh) * 2023-11-14 2024-02-09 江南大学 一种基于bfoa的pmsm预测控制系统参数补偿方法
CN117544033B (zh) * 2023-11-14 2024-05-14 江南大学 一种基于bfoa的pmsm预测控制系统参数补偿方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Khalilzadeh et al. Model-free predictive control of motor drives and power converters: A review
Ni et al. A new position and speed estimation scheme for position control of PMSM drives using low-resolution position sensors
Peresada et al. Indirect stator flux-oriented output feedback control of a doubly fed induction machine
CN112701968B (zh) 一种永磁同步电机模型预测控制鲁棒性能提升方法
CN111555680A (zh) 一种永磁同步电机无差拍预测电流控制方法
CN113992098A (zh) 一种永磁同步电机稳态性能的提升方法、系统
CN108336935B (zh) 一种反步控制协同eso的直线电机控制方法
CN110165953B (zh) 一种基于趋近律的pmsm调速控制方法
CN114679095A (zh) 基于扰动补偿的永磁电机有限集模型预测电流控制方法
CN111293947B (zh) 一种改良永磁同步电机无速度传感器控制方法
Janiszewski Extended Kalman filter based speed sensorless PMSM control with load reconstruction
CN111835251A (zh) 一种基于无速度传感的永磁同步电机高性能控制方法
Mbukani et al. Evaluation of an STSMO<? show [AQ ID= Q1]?>‐based estimator for power control of rotor‐tied DFIG systems
CN114294461B (zh) 一种智能阀门电动执行机构的控制系统构建方法
CN114157193B (zh) 一种寻优插值式同步电机转矩脉动抑制控制方法及系统
Feifei et al. Sensorless speed control of permanent magnet synchronous motor based on RBF neural network
Seki et al. Robust positioning control using α-β stationary frame current controller and disturbance torque hybrid observer
CN111181462B (zh) 基于变步长神经网络的表贴式永磁同步电机参数辨识方法
Ni et al. Analysis and design of position and velocity estimation scheme for PM servo motor drive with binary hall sensors
Altuna et al. Deadbeat controller applied to induction motor direct torque control with low-speed operation
CN111082711A (zh) 一种无刷直流电机反步法控制方法及系统
Liu et al. Encoderless predictive flux control of three-level NPC converter-fed induction motor with SMO
Yao et al. Online modeling for switched reluctance motors using adaptive network based fuzzy inference system
CN109586632B (zh) 一种用于永磁同步电机的模型预测控制方法、装置及设备
Zawarczyński et al. Parametric identification of PMSM mathematical model

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination