CN114499312A - 一种双三相永磁同步电机无模型电流预测控制方法及系统 - Google Patents

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CN114499312A CN202111519796.8A CN202111519796A CN114499312A CN 114499312 A CN114499312 A CN 114499312A CN 202111519796 A CN202111519796 A CN 202111519796A CN 114499312 A CN114499312 A CN 114499312A
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廖武
黄晟
龙柳
刘钰
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刘沛
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Abstract

本发明公开了一种双三相永磁同步电机无模型电流预测控制方法及系统，本发明包括采用无模型电流控制器来分别根据d‑q和z1‑z2子平面的电流信号以及电流参考信号以获取对应的电压参考信号，无模型电流控制器分别包括：d轴无模型电流控制器，q轴无模型电流控制器，z1轴无模型电流控制器以及z2轴无模型电流控制器，用于根据各子平面的轴电流信号以及电流参考信号以获取对应的电压参考信号。本发明能在电机参数失配的情况下实现对双三相永磁同步电机的高性能控制，有效解决双三相永磁同步电机模型预测控制中对参数敏感性强的问题，提高系统的鲁棒性与容错性。

Description

一种双三相永磁同步电机无模型电流预测控制方法及系统
技术领域
本发明涉及双三相永磁同步电机(Dual-three phase permanent magnetsynchronous motor, DTP-PMSM)，具体涉及一种双三相永磁同步电机无模型电流预测控制方法及系统。
背景技术
双三相永磁同步电机(Dual-three phase permanent magnet synchronousmotor,DTP-PMSM) 具有转矩脉动低、容错性能强、功率密度高等特点，现已广泛应用于电力机车牵引、风力发 电、电动汽车驱动等领域。由两套独立三相电压源逆变器驱动的双三相永磁同步电机系统框 图如图1所示，双三相永磁同步电机具有两套相差30°的独立三相定子绕组，中性点N1与 N2不相连，其中一套绕组定义为A1B1C1，另一套定义为A2B2C2。为充分发挥双三相永磁同 步电机的优势，学者们在驱动控制层面上开展大量工作，提出一系列高性能电机驱动方案， 如PI(Proportion Integral)控制策略、预测控制策略、滑模控制策略等。模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)因其结构简单，且随着现代微型处理器运算能力的飞速发展和现代 控制理论的完善，其特有的多目标优化能力在处理复杂约束优化问题时优势突出，已成为电 机控制领域的热点。模型预测控制原理简单，动态响应快，具有清晰的物理概念，易于实现， 常用的MPC包括连续控制集模型预测(ContinuousControl Set Model Predictive Control, CCS-MPC)、有限集模型预测控制(FiniteControl Set Model Predictive Control,FCS-MPC)。 但传统的MPC依赖于精确的电机系统模型，在双三相永磁同步电机实际工程应用中，电机参 数如电阻、电感等，随温度、电磁场变化而发生变化时，会导致电机模型失配，从而导致电 机驱动系统出现转矩脉动或者定子绕组过电流等现象，降低MPC的控制性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种双三相永磁同步电机无 模型电流预测控制方法及系统，本发明能在电机参数失配的情况下实现对双三相永磁同步电 机的高性能控制，有效解决双三相永磁同步电机模型预测控制中对参数敏感性强的问题，提 高系统的鲁棒性与容错性。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种双三相永磁同步电机无模型电流预测控制方法，包括采用无模型电流控制器来分别 根据d-q和z1-z2子平面的电流信号以及电流参考信号以获取对应的电压参考信号，所述 无模型电流控制器分别包括：d轴无模型电流控制器，用于根据d轴电流信号id以及d轴电 流参考信号
Figure BDA0003408307810000011
以获取对应的d轴电压参考信号
Figure BDA0003408307810000012
q轴无模型电流控制器，用于根据q轴 电流信号iq以及q轴电流参考信号i* q以获取对应的q轴电压参考信号u* q；z1轴无模型电流控制器，用于根据z1轴电流信号iz1以及z1轴电流参考信号i* z1以获取对应的z1轴电 压参考信号u* z1；z2轴无模型电流控制器，用于根据z2轴电流信号iz2以及z2轴电流参考 信号i* z2以获取对应的z2轴电压参考信号u* z2。
可选地，所述d轴无模型电流控制器的函数表达式为：
Figure BDA0003408307810000021
上式中，m表示第k个控制周期的采样点，n为时间窗口长度，
Figure BDA0003408307810000022
和
Figure BDA0003408307810000023
分别表示第m和第m-1个d轴电流参考信号，Ts为控制周期，id[m]和id[m-1]分别表示第m和 第m-1个d轴电流信号，αd为d轴子平面系统的定子输入电压的比例因子，
Figure BDA0003408307810000024
和
Figure BDA0003408307810000025
分别表示第m和第m-1个d轴电压参考信号，
Figure BDA0003408307810000026
为d轴子平面系统的未知部分估计值，Kdp为d轴子平面系统的比例控制器系数。
可选地，所述q轴无模型电流控制器的函数表达式为：
Figure BDA0003408307810000027
上式中，m表示第k个控制周期的采样点，n为时间窗口长度，
Figure BDA0003408307810000028
和
Figure BDA0003408307810000029
分别表示第m和第m-1个q轴电流参考信号，Ts为控制周期，iq[m]和iq[m-1]分别表示第m和 第m-1个q轴电流信号，αq为q轴子平面系统的定子输入电压的比例因子，
Figure BDA00034083078100000210
和
Figure BDA00034083078100000211
分别表示第m和第m-1个q轴电压参考信号，
Figure BDA00034083078100000212
为q轴子平面系统的未知部分估计值，Kqp为q轴子平面系统的比例控制器系数。
可选地，所述z1轴无模型电流控制器的函数表达式为：
Figure BDA0003408307810000031
上式中，m表示第k个控制周期的采样点，n为时间窗口长度，
Figure BDA0003408307810000032
和
Figure BDA0003408307810000033
分别表示第m和第m-1个z1轴电流参考信号，Ts为控制周期，iz1[m]和iz1[m-1]分别表示第m和 第m-1个z1轴电流信号，αz1为z1轴子平面系统的定子输入电压的比例因子，
Figure BDA0003408307810000034
和
Figure BDA0003408307810000035
分别表示第m和第m-1个z1轴电压参考信号，
Figure BDA0003408307810000036
为z1轴子平面系统的未知部分 估计值，Kz1p为z1轴子平面系统的比例控制器系数。
可选地，所述z2轴无模型电流控制器的函数表达式为：
Figure BDA0003408307810000037
上式中，m表示第k个控制周期的采样点，n为时间窗口长度，
Figure BDA0003408307810000038
和
Figure BDA0003408307810000039
分别表示第m和第m-1个z2轴电流参考信号，Ts为控制周期，iz2[m]和iz2[m-1]分别表示第m和 第m-1个z2轴电流信号，αz2为z2轴子平面系统的定子输入电压的比例因子，
Figure BDA00034083078100000310
和
Figure BDA00034083078100000311
分别表示第m和第m-1个z2轴电压参考信号，
Figure BDA00034083078100000312
为z2轴子平面系统的未知部 分估计值，Kz2p为z2轴子平面系统的比例控制器系数。
可选地，所述采用无模型电流控制器来分别根据d-q和z1-z2子平面的电流信号以及电 流参考信号以获取对应的电压参考信号之前，还包括建立双三相永磁同步电机的电流超局 部模型，然后基于双三相永磁同步电机的电流超局部模型设计不依赖于双三相永磁同步电机 参数模型的无模型电流控制器的步骤：
S1)建立双三相永磁同步电机在d-q和z1-z2子平面的定子电压方程，并考虑参数不确定 性与逆变器非线性，得到考虑参数不确定性与逆变器非线性后的定子电压方程；对于单输入 单输出非线性系统，仅利用非线性系统的输入与输出信号建立超局部模型；
S2)定义双三相永磁同步电机驱动系统的输入为
Figure BDA00034083078100000313
输出为id、iq、iz1、iz2，其中
Figure BDA0003408307810000041
分别为d-q和z1-z2子平面的参考电压信号，id、iq、iz1、iz2分别 为d-q和z1-z2子平面的电流信号，根据考虑参数不确定性与逆变器非线性后的定子电压方程 以及超局部模型，设计双三相永磁同步电机在d-q和z1-z2子平面的超局部模型；
S3)基于代数参数辨识方法，对双三相永磁同步电机在d-q和z1-z2子平面的超局部模型 的未知部分F进行确定，得到未知部分F的估计值
Figure BDA0003408307810000042
时域下的表达式以及离散时域表达式；
S4)根据步骤S1)中建立的超局部模型，设计无模型控制律并建立基于超局部模型的 无模型预测控制器，得到d-q和z1-z2子平面的无模型电流控制器。
可选地，步骤S1)中建立的双三相永磁同步电机在d-q和z1-z2子平面的定子电压方程 为：
Figure BDA0003408307810000043
Figure BDA0003408307810000044
上式中，ud、uq、uz1、uz3分别为d、q、z1、z2子平面的定子电压；id、iq、iz1、iz2分 别是d、q、z1、z2子平面的定子电流；Ld、Lq是d-q坐标系下的电感，Laa1是漏感；R为定 子电阻，ωe是电角速度，ψf是永磁体磁链；
步骤S1)中得到考虑参数不确定性与逆变器非线性后的定子电压方程为：
Figure BDA0003408307810000045
Figure BDA0003408307810000046
上式中，Δud、Δuq、Δuz1、Δuz2分别表示在d、q、z1、z2子平面由参数不确定性和逆变器非线性引起的扰动电压；
步骤S1)中仅利用非线性系统的输入与输出信号建立超局部模型为：
Figure BDA0003408307810000047
上式中，u和y分别表示非线性系统的输入与输出，α表示设计的系统输入比例因子，F 为非线性系统中已知与未知部分；
步骤S2)中设计的双三相永磁同步电机在d-q和z1-z2子平面的超局部模型为：
Figure BDA0003408307810000051
Figure BDA0003408307810000052
上式中，
Figure BDA0003408307810000053
分别为定义的双三相永磁同步电机驱动系统的输入， id,iq,iz1,iz2分别为定义的双三相永磁同步电机驱动系统的输出，Fd,Fq,Fz1,Fz2包括在 d,q,z1,z2子平面系统的已知与未知部分，包含反电动势,定子电阻压降,参数不确定性,逆变器非线性因素扰动，αd,αq,αz1,αz2为在d,q,z1,z2子平面定子输入电压的比例因子；
步骤S3)中得到未知部分F的估计值
Figure BDA0003408307810000054
时域下的表达式为：
Figure BDA0003408307810000055
上式中，数据时间窗口范围为[0,T]，且T＝nTs，n是时间窗口长度，Ts是控制周期，σ为积分时的时间增量，α为表示设计的系统输入比例因子，u(σ)为系统的输入，y(σ)是 系统的输出；
步骤S3)中得到未知部分F的估计值
Figure BDA0003408307810000056
离散时域表达式：
Figure BDA0003408307810000057
上式中，m表示第k个控制周期的采样点；在每一个控制周期Ts内，系统的输入与输出 分别表示为u[0],u[1],…,u[n]和y[0],y[1],…,y[n]。
可选地，步骤S4)包括：
S4.1)根据步骤S1)中建立的超局部模型，设计无模型控制律：
Figure BDA0003408307810000058
上式中，
Figure BDA0003408307810000059
表示F的估计值，y*是输出的参考值，ξ是设计的比例控制器；
S4.2)假设能够实现F的精确估算，使得
Figure BDA00034083078100000510
将无模型的单输入单输出非线性系统可 以描述为：
Figure BDA00034083078100000511
上式中，e＝y*-y是跟踪误差；
S4.3)根据式(14)和式(15)，采用比例控制器，
基于超局部模型的无模型预测控制器描述为：
Figure RE-GDA0003573541850000063
上式中，Kp为比例控制器系数；
S4.4)根据式(16)，将d-q和z1-z2子平面的无模型电流控制器分别设计为：
Figure BDA0003408307810000063
Figure BDA0003408307810000064
上式中，上标“*”表示参数的参考值，Kdp，Kqp，Kz1p，Kz2p分别是在d、q、z1、z2 子平面的比例控制器系数；
S4.5)将式(17)和式(18)电流参考值的微分可以采用一阶差分形式获得，q轴参考电流微分采用下式计算：
Figure BDA0003408307810000065
从而，最终得到d轴无模型电流控制器、q轴无模型电流控制器、z1轴无模型电流控制 器以及z2轴无模型电流控制器的函数表达式。
此外，本发明还提供一种双三相永磁同步电机无模型电流预测控制系统，包括相互连接 的微处理器和存储器，该微处理器被编程或配置以执行所述双三相永磁同步电机无模型电流 预测控制方法的步骤。
此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有用于被 计算机设备执行的计算机程序，且所述计算机程序用于被计算机设备执行以实施所述双三相 永磁同步电机无模型电流预测控制方法的步骤。
和现有技术相比，本发明主要具有下述优点：本发明包括采用无模型电流控制器来分别 根据d-q和z1-z2子平面的电流信号以及电流参考信号以获取对应的电压参考信号，无模 型电流控制器分别包括：d轴无模型电流控制器，q轴无模型电流控制器，z1轴无模型电流 控制器以及z2轴无模型电流控制器，用于根据各子平面的轴电流信号以及电流参考信号以 获取对应的电压参考信号。本发明能在电机参数失配的情况下实现对双三相永磁同步电机的 高性能控制，有效解决双三相永磁同步电机模型预测控制中对参数敏感性强的问题，提高系 统的鲁棒性与容错性。
附图说明
图1为双三相永磁同步电机驱动系统框图。
图2为本发明实施例方法的控制原理示意图。
图3为本发明实施例中四个子平面的无模型电流控制器的结构示意图。
具体实施方式
如图2和图3所示，本实施例双三相永磁同步电机无模型电流预测控制方法包括采用无 模型电流控制器来分别根据d-q和z1-z2子平面的电流信号以及电流参考信号以获取对应 的电压参考信号，所述无模型电流控制器分别包括：d轴无模型电流控制器，用于根据d轴 电流信号id以及d轴电流参考信号
Figure BDA0003408307810000071
以获取对应的d轴电压参考信号
Figure BDA0003408307810000072
q轴无模型电流控制器，用于根据q轴电流信号iq以及q轴电流参考信号i* q以获取对应的q轴电压参 考信号u* q；z1轴无模型电流控制器，用于根据z1轴电流信号iz1以及z1轴电流参考信号 i* z1以获取对应的z1轴电压参考信号u* z1；z2轴无模型电流控制器，用于根据z2轴电流信 号iz2以及z2轴电流参考信号i* z2以获取对应的z2轴电压参考信号u* z2。
本实施例中，d轴无模型电流控制器的函数表达式为：
Figure BDA0003408307810000073
上式中，m表示第k个控制周期的采样点，n为时间窗口长度，
Figure BDA0003408307810000074
和
Figure BDA0003408307810000075
分别表示第m和第m-1个d轴电流参考信号，Ts为控制周期，id[m]和id[m-1]分别表示第m和 第m-1个d轴电流信号，αd为d轴子平面系统的定子输入电压的比例因子，
Figure BDA0003408307810000076
和
Figure BDA0003408307810000077
分别表示第m和第m-1个d轴电压参考信号，
Figure BDA0003408307810000078
为d轴子平面系统的未知部分估计值，Kdp为d轴子平面系统的比例控制器系数。
本实施例中，q轴无模型电流控制器的函数表达式为：
Figure BDA0003408307810000081
上式中，m表示第k个控制周期的采样点，n为时间窗口长度，
Figure BDA0003408307810000082
和
Figure BDA0003408307810000083
分别表示第m和第m-1个q轴电流参考信号，Ts为控制周期，iq[m]和iq[m-1]分别表示第m和 第m-1个q轴电流信号，αq为q轴子平面系统的定子输入电压的比例因子，
Figure BDA0003408307810000084
和
Figure BDA0003408307810000085
分别表示第m和第m-1个q轴电压参考信号，
Figure BDA0003408307810000086
为q轴子平面系统的未知部分估计值，Kqp为q轴子平面系统的比例控制器系数。
本实施例中，z1轴无模型电流控制器的函数表达式为：
Figure BDA0003408307810000087
上式中，m表示第k个控制周期的采样点，n为时间窗口长度，
Figure BDA0003408307810000088
和
Figure BDA0003408307810000089
分别表示第m和第m-1个z1轴电流参考信号，Ts为控制周期，iz1[m]和iz1[m-1]分别表示第m和 第m-1个z1轴电流信号，αz1为z1轴子平面系统的定子输入电压的比例因子，
Figure BDA00034083078100000810
和
Figure BDA00034083078100000811
分别表示第m和第m-1个z1轴电压参考信号，
Figure BDA00034083078100000812
为z1轴子平面系统的未知部分 估计值，Kz1p为z1轴子平面系统的比例控制器系数。
本实施例中，z2轴无模型电流控制器的函数表达式为：
Figure BDA00034083078100000813
上式中，m表示第k个控制周期的采样点，n为时间窗口长度，
Figure BDA00034083078100000814
和
Figure BDA00034083078100000815
分别表示第m和第m-1个z2轴电流参考信号，Ts为控制周期，iz2[m]和iz2[m-1]分别表示第m和 第m-1个z2轴电流信号，αz2为z2轴子平面系统的定子输入电压的比例因子，
Figure BDA0003408307810000091
和
Figure BDA0003408307810000092
分别表示第m和第m-1个z2轴电压参考信号，
Figure BDA0003408307810000093
为z2轴子平面系统的未知部 分估计值，Kz2p为z2轴子平面系统的比例控制器系数。
本实施例中，采用无模型电流控制器来分别根据d-q和z1-z2子平面的电流信号以及电 流参考信号以获取对应的电压参考信号之前，还包括建立双三相永磁同步电机的电流超局 部模型，然后基于双三相永磁同步电机的电流超局部模型设计不依赖于双三相永磁同步电机 参数模型的无模型电流控制器的步骤：
S1)建立双三相永磁同步电机在d-q和z1-z2子平面的定子电压方程，并考虑参数不确定 性与逆变器非线性，得到考虑参数不确定性与逆变器非线性后的定子电压方程；对于单输入 单输出非线性系统，仅利用非线性系统的输入与输出信号建立超局部模型；
S2)定义双三相永磁同步电机驱动系统的输入为
Figure BDA0003408307810000094
输出为id、iq、iz1、 iz2，其中
Figure BDA0003408307810000095
分别为d-q和z1-z2子平面的参考电压信号，id、iq、iz1、iz2分别 为d-q和z1-z2子平面的电流信号，根据考虑参数不确定性与逆变器非线性后的定子电压方程 以及超局部模型，设计双三相永磁同步电机在d-q和z1-z2子平面的超局部模型；
S3)基于代数参数辨识方法，对双三相永磁同步电机在d-q和z1-z2子平面的超局部模型 的未知部分F进行确定，得到未知部分F的估计值
Figure BDA0003408307810000096
时域下的表达式以及离散时域表达式；
S4)根据步骤S1)中建立的超局部模型，设计无模型控制律并建立基于超局部模型的 无模型预测控制器，得到d-q和z1-z2子平面的无模型电流控制器。
步骤S1)中建立的双三相永磁同步电机在d-q和z1-z2子平面的定子电压方程为：
Figure BDA0003408307810000097
Figure BDA0003408307810000098
上式中，ud、uq、uz1、uz2分别为d、q、z1、z2子平面的定子电压；id、iq、iz1、iz2分 别是d、q、z1、z2子平面的定子电流；Ld、Lq是d-q坐标系下的电感，Laa1是漏感；R为定 子电阻，ωe是电角速度，ψf是永磁体磁链；
双三相永磁同步电机由两套相差30°的定子绕组组成，中性点不相连，如图1所示。基 于矢量空间解耦(Vector Space Decomposition,VSD)坐标变换的思想，双三相永磁同步电机 在d-q和z1-z2子平面的定子电压方程分别由式(5)和式(6)表示。考虑参数不确定性与逆 变器非线性后可对式(5)和式(6)进行改写，本实施例步骤S1)中得到考虑参数不确定性 与逆变器非线性后的定子电压方程为：
Figure BDA0003408307810000101
Figure BDA0003408307810000102
上式中，Δud、Δuq、Δuz1、Δuz2分别表示在d、q、z1、z2子平面由参数不确定性和逆变器非线性引起的扰动电压。
对于单输入单输出非线性系统，仅利用非线性系统的输入与输出信号，可以建立超 局部模型。本实施例步骤S1)中仅利用非线性系统的输入与输出信号建立超局部模型为：
Figure BDA0003408307810000103
上式中，u和y分别表示非线性系统的输入与输出，α表示设计的系统输入比例因子，F 为非线性系统中已知与未知部分；
定义双三相永磁同步电机驱动系统的输入为
Figure BDA0003408307810000104
输出为id、iq、iz1、iz2， 根据式(7)、式(8)和式(9)，本实施例步骤S2)中设计的双三相永磁同步电机在d-q和z1-z2子平面的超局部模型为：
Figure BDA0003408307810000105
Figure BDA0003408307810000106
上式中，
Figure BDA0003408307810000107
分别为定义的双三相永磁同步电机驱动系统的输入， id,iq,iz1,iz2分别为定义的双三相永磁同步电机驱动系统的输出，Fd,Fq,Fz1,Fz2包括在 d,q,z1,z2子平面系统的已知与未知部分，包含反电动势,定子电阻压降,参数不确定性,逆变器非线性因素扰动，αd,αq,αz1,αz2为在d,q,z1,z2子平面定子输入电压的比例因子；
本实施例步骤S3)中得到未知部分F的估计值
Figure BDA0003408307810000111
时域下的表达式为：
Figure BDA0003408307810000112
上式中，数据时间窗口范围为[0,T]，且T＝nTs，n是时间窗口长度，Ts是控制周期，σ为积分时的时间增量，α为表示设计的系统输入比例因子，u(σ)为系统的输入，y(σ)是 系统的输出；步骤S3)中得到未知部分F的估计值
Figure BDA0003408307810000113
离散时域表达式：
Figure BDA0003408307810000114
上式中，m表示第k个控制周期的采样点；在每一个控制周期Ts内，系统的输入与输出 分别表示为u[0],u[1],…,u[n]和y[0],y[1],…,y[n]。
本实施例中，步骤S4)包括：
S4.1)根据步骤S1)中建立的超局部模型，设计无模型控制律：
Figure BDA0003408307810000115
上式中，
Figure BDA0003408307810000116
表示F的估计值，y*是输出的参考值，ξ是设计的比例控制器；
S4.2)假设能够实现F的精确估算，使得
Figure BDA0003408307810000117
将无模型的单输入单输出非线性系统可 以描述为：
Figure BDA0003408307810000118
上式中，e＝y*-y是跟踪误差；
S4.3)根据式(14)和式(15)，采用比例控制器，
基于超局部模型的无模型预测控制器描述为：
Figure RE-GDA0003573541850000121
上式中，Kp为比例控制器系数；由式(16)可知，此无模型控制器是渐进稳定的， 通过调整比例控制器系数Kp的值便可以实现系统的跟踪性能。
S4.4)根据式(16)，将d-q和z1-z2子平面的无模型电流控制器分别设计为：
Figure BDA00034083078100001111
Figure BDA0003408307810000121
上式中，上标“*”表示参数的参考值，Kdp，Kqp，Kz1p，Kz2p分别是在d、q、z1、z2 子平面的比例控制器系数；
S4.5)将式(17)和式(18)电流参考值的微分可以采用一阶差分形式获得，q轴参考电流微分采用下式计算：
Figure BDA0003408307810000122
从而，最终得到d轴无模型电流控制器、q轴无模型电流控制器、z1轴无模型电流控制 器以及z2轴无模型电流控制器的函数表达式，即：式(1)～(4)。
综上所述，模型预测控制近年来得到深入研究，具有原理清晰，动态响应快等优点，但 同时也存在着对参数敏感性高的不足，需要精确的系统模型与系统参数才能发挥出其性能。 针对双三相永磁同步电机模型预测控制中对参数敏感性强的问题，本实施例中提出一种基于 超局部模型的双三相永磁同步电机无模型预测控制方法，该方法基于系统的输入与输出的信 息，建立双三相永磁同步电机的电流超局部模型，该超局部模型包括系统的外部扰动量、电 机参数变化量、逆变器非线性和交叉耦合电压等一系列未知量。根据此超局部模型，设计无 模型电流预测控制器，从而能在电机参数失配的情况下，实现对双三相永磁同步电机的高性 能控制，提高了系统的鲁棒性与容错性。
此外，本实施例还提供一种双三相永磁同步电机无模型电流预测控制系统，包括相互连 接的微处理器和存储器，该微处理器被编程或配置以执行前述双三相永磁同步电机无模型电 流预测控制方法的步骤。
此外，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有用于 被计算机设备执行的计算机程序，且所述计算机程序用于被计算机设备执行以实施前述双三 相永磁同步电机无模型电流预测控制方法的步骤。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。 因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的 形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可读存储 介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形 式。本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/ 或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/ 或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令 到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个 机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程 图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。这些计算机 程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读 存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装 置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些 计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编 程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上 执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中 指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡 属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通 技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本 发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种双三相永磁同步电机无模型电流预测控制方法，其特征在于，包括采用无模型电流控制器来分别根据d-q和z1-z2子平面的电流信号以及电流参考信号以获取对应的电压参考信号，所述无模型电流控制器分别包括：d轴无模型电流控制器，用于根据d轴电流信号id以及d轴电流参考信号
Figure FDA0003408307800000011
以获取对应的d轴电压参考信号
Figure FDA0003408307800000012
q轴无模型电流控制器，用于根据q轴电流信号iq以及q轴电流参考信号i* q以获取对应的q轴电压参考信号u* q；z1轴无模型电流控制器，用于根据z1轴电流信号iz1以及z1轴电流参考信号i* z1以获取对应的z1轴电压参考信号u* z1；z2轴无模型电流控制器，用于根据z2轴电流信号iz2以及z2轴电流参考信号i* z2以获取对应的z2轴电压参考信号u* z2。
2.根据权利要求1所述的双三相永磁同步电机无模型电流预测控制方法，其特征在于，所述d轴无模型电流控制器的函数表达式为：
Figure FDA0003408307800000013
上式中，m表示第k个控制周期的采样点，n为时间窗口长度，
Figure FDA0003408307800000014
和
Figure FDA0003408307800000015
分别表示第m和第m-1个d轴电流参考信号，Ts为控制周期，id[m]和id[m-1]分别表示第m和第m-1个d轴电流信号，αd为d轴子平面系统的定子输入电压的比例因子，
Figure FDA0003408307800000016
和
Figure FDA0003408307800000017
分别表示第m和第m-1个d轴电压参考信号，
Figure FDA0003408307800000018
为d轴子平面系统的未知部分估计值，Kdp为d轴子平面系统的比例控制器系数。
3.根据权利要求1所述的双三相永磁同步电机无模型电流预测控制方法，其特征在于，所述q轴无模型电流控制器的函数表达式为：
Figure FDA0003408307800000019
上式中，m表示第k个控制周期的采样点，n为时间窗口长度，
Figure FDA00034083078000000110
和
Figure FDA00034083078000000111
分别表示第m和第m-1个q轴电流参考信号，Ts为控制周期，iq[m]和iq[m-1]分别表示第m和第m-1个q轴电流信号，αq为q轴子平面系统的定子输入电压的比例因子，
Figure FDA0003408307800000021
和
Figure FDA0003408307800000022
分别表示第m和第m-1个q轴电压参考信号，
Figure FDA0003408307800000023
为q轴子平面系统的未知部分估计值，Kqp为q轴子平面系统的比例控制器系数。
4.根据权利要求1所述的双三相永磁同步电机无模型电流预测控制方法，其特征在于，所述z1轴无模型电流控制器的函数表达式为：
Figure FDA0003408307800000024
上式中，m表示第k个控制周期的采样点，n为时间窗口长度，
Figure FDA0003408307800000025
和
Figure FDA0003408307800000026
分别表示第m和第m-1个z1轴电流参考信号，Ts为控制周期，iz1[m]和iz1[m-1]分别表示第m和第m-1个z1轴电流信号，αz1为z1轴子平面系统的定子输入电压的比例因子，
Figure FDA0003408307800000027
和
Figure FDA0003408307800000028
分别表示第m和第m-1个z1轴电压参考信号，
Figure FDA0003408307800000029
为z1轴子平面系统的未知部分估计值，Kz1p为z1轴子平面系统的比例控制器系数。
5.根据权利要求1所述的双三相永磁同步电机无模型电流预测控制方法，其特征在于，所述z2轴无模型电流控制器的函数表达式为：
Figure FDA00034083078000000210
上式中，m表示第k个控制周期的采样点，n为时间窗口长度，
Figure FDA00034083078000000211
和
Figure FDA00034083078000000212
分别表示第m和第m-1个z2轴电流参考信号，Ts为控制周期，iz2[m]和iz2[m-1]分别表示第m和第m-1个z2轴电流信号，αz2为z2轴子平面系统的定子输入电压的比例因子，
Figure FDA00034083078000000213
和
Figure FDA00034083078000000214
分别表示第m和第m-1个z2轴电压参考信号，
Figure FDA00034083078000000215
为z2轴子平面系统的未知部分估计值，Kz2p为z2轴子平面系统的比例控制器系数。
6.根据权利要求5所述的双三相永磁同步电机无模型电流预测控制方法，其特征在于，所述采用无模型电流控制器来分别根据d-q和z1-z2子平面的电流信号以及电流参考信号以获取对应的电压参考信号之前，还包括建立双三相永磁同步电机的电流超局部模型，然后基于双三相永磁同步电机的电流超局部模型设计不依赖于双三相永磁同步电机参数模型的无模型电流控制器的步骤：
S1)建立双三相永磁同步电机在d-q和z1-z2子平面的定子电压方程，并考虑参数不确定性与逆变器非线性，得到考虑参数不确定性与逆变器非线性后的定子电压方程；对于单输入单输出非线性系统，仅利用非线性系统的输入与输出信号建立超局部模型；
S2)定义双三相永磁同步电机驱动系统的输入为
Figure FDA0003408307800000031
输出为id、iq、iz1、iz2，其中
Figure FDA0003408307800000032
分别为d-q和z1-z2子平面的参考电压信号，id、iq、iz1、iz2分别为d-q和z1-z2子平面的电流信号，根据考虑参数不确定性与逆变器非线性后的定子电压方程以及超局部模型，设计双三相永磁同步电机在d-q和z1-z2子平面的超局部模型；
S3)基于代数参数辨识方法，对双三相永磁同步电机在d-q和z1-z2子平面的超局部模型的未知部分F进行确定，得到未知部分F的估计值
Figure FDA0003408307800000033
时域下的表达式以及离散时域表达式；
S4)根据步骤S1)中建立的超局部模型，设计无模型控制律并建立基于超局部模型的无模型预测控制器，得到d-q和z1-z2子平面的无模型电流控制器。
7.根据权利要求6所述的双三相永磁同步电机无模型电流预测控制方法，其特征在于，步骤S1)中建立的双三相永磁同步电机在d-q和z1-z2子平面的定子电压方程为：
Figure FDA0003408307800000034
Figure FDA0003408307800000035
上式中，ud、uq、uz1、uz2分别为d、q、z1、z2子平面的定子电压；id、iq、iz1、iz2分别是d、q、z1、z2子平面的定子电流；Ld、Lq是d-q坐标系下的电感，Laa1是漏感；R为定子电阻，ωe是电角速度，ψf是永磁体磁链；
步骤S1)中得到考虑参数不确定性与逆变器非线性后的定子电压方程为：
Figure FDA0003408307800000036
Figure FDA0003408307800000041
上式中，Δud、Δuq、Δuz1、Δuz2分别表示在d、q、z1、z2子平面由参数不确定性和逆变器非线性引起的扰动电压；
步骤S1)中仅利用非线性系统的输入与输出信号建立超局部模型为：
Figure FDA0003408307800000042
上式中，u和y分别表示非线性系统的输入与输出，α表示设计的系统输入比例因子，F为非线性系统中已知与未知部分；
步骤S2)中设计的双三相永磁同步电机在d-q和z1-z2子平面的超局部模型为：
Figure FDA0003408307800000043
Figure FDA0003408307800000044
上式中，
Figure FDA0003408307800000045
分别为定义的双三相永磁同步电机驱动系统的输入，id,iq,iz1,iz2分别为定义的双三相永磁同步电机驱动系统的输出，Fd,Fq,Fz1,Fz2包括在d,q,z1,z2子平面系统的已知与未知部分，包含反电动势,定子电阻压降,参数不确定性,逆变器非线性因素扰动，αd,αq,αz1,αz2为在d,q,z1,z2子平面定子输入电压的比例因子；
步骤S3)中得到未知部分F的估计值
Figure FDA0003408307800000046
时域下的表达式为：
Figure FDA0003408307800000047
上式中，数据时间窗口范围为[0,T]，且T＝nTs，n是时间窗口长度，Ts是控制周期，σ为积分时的时间增量，α为表示设计的系统输入比例因子，u(σ)为系统的输入，y(σ)是系统的输出；
步骤S3)中得到未知部分F的估计值
Figure FDA0003408307800000048
离散时域表达式：
Figure FDA0003408307800000049
上式中，m表示第k个控制周期的采样点；在每一个控制周期Ts内，系统的输入与输出分别表示为u[0],u[1],…,u[n]和y[0],y[1],…,y[n]。
8.根据权利要求7所述的双三相永磁同步电机无模型电流预测控制方法，其特征在于，步骤S4)包括：
S4.1)根据步骤S1)中建立的超局部模型，设计无模型控制律：
Figure FDA0003408307800000051
上式中，
Figure FDA0003408307800000052
表示F的估计值，y*是输出的参考值，ξ是设计的比例控制器；
S4.2)假设能够实现F的精确估算，使得
Figure FDA0003408307800000053
将无模型的单输入单输出非线性系统可以描述为：
Figure FDA0003408307800000054
上式中，e＝y*-y是跟踪误差；
S4.3)根据式(14)和式(15)，采用比例控制器，基于超局部模型的无模型预测控制器描述为：
Figure DEST_PATH_FDA0003573541840000056
上式中，Kp为比例控制器系数；
S4.4)根据式(16)，将d-q和z1-z2子平面的无模型电流控制器分别设计为：
Figure FDA0003408307800000057
Figure FDA0003408307800000058
上式中，上标“*”表示参数的参考值，Kdp，Kqp，Kz1p，Kz2p分别是在d、q、z1、z2子平面的比例控制器系数；
S4.5)将式(17)和式(18)电流参考值的微分可以采用一阶差分形式获得，q轴参考电流微分采用下式计算：
Figure FDA0003408307800000059
从而，最终得到d轴无模型电流控制器、q轴无模型电流控制器、z1轴无模型电流控制器以及z2轴无模型电流控制器的函数表达式。
9.一种双三相永磁同步电机无模型电流预测控制系统，包括相互连接的微处理器和存储器，其特征在于，该微处理器被编程或配置以执行权利要求1～8中任意一项所述双三相永磁同步电机无模型电流预测控制方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，该计算机可读存储介质中存储有用于被计算机设备执行的计算机程序，且所述计算机程序用于被计算机设备执行以实施权利要求1～8中任意一项所述双三相永磁同步电机无模型电流预测控制方法的步骤。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115765028A (zh) * 2023-01-05 2023-03-07 湖南大学 一种风光水储直流汇集经同步电机并网系统及其应用方法

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