CN114531082B - 一种基于aeso的永磁同步电机无差拍电流预测模糊控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于AESO的永磁同步电机无差拍电流预测模糊控制方法，在传统基于扩张状态观测器的方法中结合了模糊控制器，根据不同的电流工况切换增益参数的大小，既加快了电流的响应速度，又减小了电流阶跃时的超调与振荡，保证了电流跟随稳定性。通过观测参数失配所带来的扰动，对控制电压进行前馈值补偿，并将预测电流对控制电压方程中的采样电流进行替换，改善了一步延迟误差以及参数失配所带来的扰动，提高电机控制对于各种工况复杂参数失配下的鲁棒性。该方法有效解决了传统电流预测控制对于电机模型的敏感性问题，对电机模型依赖性大大减小。

Description

一种基于AESO的永磁同步电机无差拍电流预测模糊控制方法

技术领域

本发明属于永磁同步电机电流预测控制技术领域，尤其涉及一种基于模糊控制与新型自适应扩张状态观测器(AESO)的永磁同步电机无差拍电流预测控制方法。

背景技术

永磁同步电机是一种典型的强耦合、多变量非线性系统，其控制性能与采用的控制策略直接相关。合理的控制策略不但要保证系统具有较快的动态特性和较高的动、静态精度，同时要不依赖于系统模型。因此，在复杂环境下应用的永磁同步电机调速系统中，扰动是影响其控制性能的关键因素，其中内部参数摄动与外部负载扰动显得尤为突出。若不采用合理的系统控制策略对扰动进行有效抑制，其不但会影响系统的工作性能，严重情况下甚至会导致整个系统的不稳定。而在电机驱动中，电流环对电机驱动系统的瞬态以及稳态性能有着非常重要的作用。近年来，电流预测控制逐渐成为了研究热点，电流预测控制相比于传统PI控制方法，具有动态性能更好、谐波分量更小的特点。但预测控制需要精确的对象模型才能输出准确的控制行为。电机在运行过程中，电机的参数会随内部与外部的干扰而发生变化，从而影响模型准确度，这会导致电流预测控制的性能恶化、对参数敏感、鲁棒性差等，计算出的参考控制电压与所需电压有所偏差，使电机的运行性能变差。

发明内容

针对上述本领域中存在的技术问题，本发明提供了一种基于AESO的永磁同步电机无差拍电流预测模糊控制方法，具体包括以下步骤：

步骤1、针对表贴式永磁同步电机建立等效数学模型；

步骤2、对所建立的等效数学模型进行离散化处理，并建立无差拍电流预测控制模型；

步骤3、构建含有系统参数扰动的离散化电机电压方程；

步骤4、对系统除参考控制电压外的内部与外部扰动扩张为状态变量，引入扩张观测器对所述扰动进行观测，并选取d-q轴电流以及系统扰动作为系统的状态变量构建状态方程：

式中，e₁和e₂为d轴和q轴预测电流与采样电流之间的误差，β₁、β₂、η₁、η₂为扩张状态观测器中的增益系数，u_d、i_d和u_q、i_q分别表示d轴和q轴的电压和电流，R_s、L_s、ψ_f分别为定子电阻、定子电感以及转子永磁体磁链，ω_e表示电机的电气角速度，T_s为控制周期，f_d和f_q表示d轴和q轴上电机内外部未知量所引起的扰动，如参数失配引起或外部环境因素等，k为某时刻，上标pre表示对应参数的观测值；

步骤5、利用模糊控制规则对各所述增益系数进行修正，使其根据d轴和q轴预测电流与采样电流的误差以及误差变化率进行自适应调整，从而使所述扩张观测器成为AESO即自适应扩张观测器；通过所述AESO观测得到下一时刻即k+1时刻的d轴和q轴预测电流及相应的扰动值；

步骤6、将所述d轴和q轴预测电流及相应的扰动值代入步骤3所建立的电机电压方程，用于对参考电压实现前馈补偿。

进一步地，步骤1中所建立的等效数学模型，具体采用以下形式：

式中，ψ_d和ψ_q代表了d轴和q轴的磁通量；L_d和L_q是d轴和q轴的电感，由于在表贴式永磁同步电机中L_d＝L_q，因此统一用L₀表示；R₀、L₀、ψ_f0是电机的额定参数，分别表示定子电阻、定子电感、转子永磁体磁链。

进一步地，步骤2中建立无差拍电流预测控制模型具体采用以下形式：

式中，上标ref表示相应参数的参考值。

进一步地，步骤3中所建立含有系统参数扰动的电机电压方程具有以下形式：

进一步地，步骤5中所述具体采用以下形式的模糊控制规则：

式中，e_d、e_q和e_cd、e_cq分别为d轴和q轴预测电流与采样电流的误差以及误差变化率，k_c为通过模糊控制表输出的修正系数，用于修正扩张状态观测器中的增益参数，为AESO的自适应参数，由β₁、β₂、η₁、η₂实时修正得到；e_d、e_q、e_cd、e_cq、k_c均采用模糊语言集{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB},它们的隶属度函数均满足正态分布，根据系统稳定性条件选择合适的论域，即可进行模糊推理；

由此所形成的AESO具体形式为：

式中，为利用AESO观测计算得到的k+1时刻的d轴和q轴预测电流及相应的扰动值。

进一步地，步骤6中将预测得到的电流值与扰动值代入所述离散化电机电压方程后，参考控制电压具体形式如下：

式中，和/>为得到的k+1时刻d轴和q轴参考控制电压。

上述本发明所提供的基于AESO的永磁同步电机无差拍电流预测模糊控制方法，在传统基于扩张状态观测器的方法中结合了模糊控制器，根据不同的电流工况切换增益参数的大小，既加快了电流的响应速度，又减小了电流阶跃时的超调与振荡，保证了电流跟随稳定性。通过观测参数失配所带来的扰动，对控制电压进行前馈值补偿，并将预测电流对控制电压方程中的采样电流进行替换，改善了一步延迟误差以及参数失配所带来的扰动，提高电机控制对于各种工况复杂参数失配下的鲁棒性。该方法有效解决了传统电流预测控制对于电机模型的敏感性问题，对电机模型依赖性大大减小。

附图说明

图1为本发明所提供方法的总体流程示意图；

图2为本发明与现有技术在参数失配条件下实施时的dq轴电流对比图。

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。

本发明所提供的一种基于AESO的永磁同步电机无差拍电流预测模糊控制方法，如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤1、针对表贴式永磁同步电机建立等效数学模型；

步骤2、对所建立的等效数学模型进行离散化处理，并建立无差拍电流预测控制模型；

步骤3、构建含有系统参数扰动的离散化电机电压方程；

步骤4、对系统除参考控制电压外的内部与外部扰动扩张为状态变量，引入扩张观测器对所述扰动进行观测，并选取d-q轴电流以及系统扰动作为系统的状态变量构建状态方程：

式中，e₁和e₂为d轴和q轴预测电流与采样电流之间的误差，β₁、β₂、η₁、η₂为扩张状态观测器中的增益系数，u_d、i_d和u_q、i_q分别表示d轴和q轴的电压和电流，R_s、L_s、ψ_f分别为定子电阻、定子电感以及转子永磁体磁链，ω_e表示电机的电气角速度，T_s为控制周期，f_d和f_q表示d轴和q轴上电机内外部未知量所引起的扰动，如参数失配引起或外部环境因素等，k为某时刻，上标pre表示对应参数的观测值；

步骤5、利用模糊控制规则对各所述增益系数进行修正，使其根据d轴和q轴预测电流与采样电流的误差以及误差变化率进行自适应调整，从而使所述扩张观测器成为AESO即自适应扩张观测器；通过所述AESO观测得到下一时刻即k+1时刻的d轴和q轴预测电流及相应的扰动值；

步骤6、将所述d轴和q轴预测电流及相应的扰动值代入步骤3所建立的电机电压方程，用于对参考电压实现前馈补偿。

在本发明的一个优选实施方式中，步骤1中所建立的等效数学模型，具体采用以下形式：

式中，ψ_d和ψ_q代表了d轴和q轴的磁通量；L_d和L_q是d轴和q轴的电感，由于在表贴式永磁同步电机中L_d＝L_q，因此统一用L₀表示；R₀、L₀、ψ_f0是电机的额定参数，分别表示定子电阻、定子电感、转子永磁体磁链。

在本发明的一个优选实施方式中，步骤2中建立无差拍电流预测控制模型具体采用以下形式：

式中，上标ref表示相应参数的参考值。

在本发明的一个优选实施方式中，步骤3中所建立含有系统参数扰动的电机电压方程具有以下形式：

在本发明的一个优选实施方式中，步骤5中所述具体采用以下形式的模糊控制规则：

式中，e_d、e_q和e_cd、e_cq分别为d轴和q轴预测电流与采样电流的误差以及误差变化率，k_c为通过模糊控制表输出的修正系数，用于修正扩张状态观测器中的增益参数，为AESO的自适应参数，由β₁、β₂、η₁、η₂实时修正得到；e_d、e_q、e_cd、e_cq、k_c均采用模糊语言集{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB},它们的隶属度函数均满足正态分布，根据系统稳定性条件选择合适的论域，即可进行模糊推理，模糊控制规则表具体如下表所示：

表1模糊控制规则表

由此所形成的AESO具体形式为：

式中，为利用AESO观测计算得到的k+1时刻的d轴和q轴预测电流及相应的扰动值。

在本发明的一个优选实施方式中，步骤6中将预测得到的电流值与扰动值代入所述离散化电机电压方程后，参考控制电压具体形式如下：

式中，和/>为得到的k+1时刻d轴和q轴参考控制电压。

图2给出了在相同采样频率20kHz下传统无差拍电流预测控制、基于原始扩张状态观测器的无差拍电流预测控制、基于采用模糊控制的新型自适应扩张状态观测器的无差拍电流预测控制这三种方法在参数失配时的dq轴电流跟随实验结果对比图。在图中从上到下依次是：传统无差拍电流预测控制(DPCC)、基于原始扩张状态观测器的无差拍电流预测控制(DPCC+ESO)、基于采用模糊控制的新型自适应扩张状态观测器的无差拍电流预测控制(DPCC+AESO)。实验工况设定为电机在R_s＝0.1R₀,L_s＝0.5L₀,ψ_f＝0.8ψ_f0的参数失配状况时，在600rpm的转速下，负载转矩从2Nm突变到6Nm，再突变到4Nm。图中所示的第一和第二通道显示为d轴的实际和参考电流，第三和第四通道显示为q轴的实际和参考电流。实验结果表明，传统的无差拍电流预测控制对模型的扰动非常敏感，当参数发生扰动时，无差拍电流预测控制的性能变差，电流无法准确跟随参考电流值，有相当明显的稳态误差，电机的运行性能恶化；而提出的原始扩张状态观测器和自适应扩张状态观测器则具有很好的电流跟随性能，抑制了参数失配带来的扰动，消除了电流的稳态误差，大大增强了无差拍电流预测控制对于参数失配的鲁棒性；而基于原始扩张状态观测器的无差拍电流预测控制仍表现出一定的不足，尽管抑制了模型的扰动，但其在电流阶跃时会出现超调和振荡现象，本发明提出的基于采用模糊控制的新型自适应扩张状态观测器的无差拍电流预测控制则完美地解决了这一问题，针对DPCC提升了对模型扰动的鲁棒性，在既保证电流趋近速度的同时，也保证了电流跟随的稳定性，避免了超调与振荡，实现了快速性与稳定性的统一。

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 (3)

1.一种基于AESO的永磁同步电机无差拍电流预测模糊控制方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

步骤1、针对表贴式永磁同步电机建立等效数学模型，具体采用以下形式：

式中，u_d、i_d和u_q、i_q分别表示d轴和q轴的电压和电流，ψ_d和ψ_q代表了d轴和q轴的磁通量；L_d和L_q是d轴和q轴的电感，可统一用L₀表示；R₀、L₀、ψ_f0分别表示额定定子电阻、额定定子电感、额定转子永磁体磁链，ω_e表示电机的电气角速度；

步骤2、对所建立的等效数学模型进行离散化处理，并建立无差拍电流预测控制模型；

步骤3、构建含有系统参数扰动的离散化电机电压方程，具有以下形式：

f_d和f_q表示d轴和q轴上电机内外部未知量所引起的扰动；

步骤4、对系统除参考控制电压外的内部与外部扰动扩张为状态变量，引入扩张观测器对所述扰动进行观测，并选取d-q轴电流以及系统扰动作为系统的状态变量构建状态方程：

式中，e₁和e₂为d轴和q轴预测电流与采样电流之间的误差，β₁、β₂、η₁、η₂为扩张状态观测器中的增益系数，R_s、L_s、ψ_f分别为定子电阻、定子电感以及转子永磁体磁链，T_s为控制周期，k为某时刻，上标pre表示对应参数的观测值；

步骤5、利用模糊控制规则对各所述增益系数进行修正，使其根据d轴和q轴预测电流与采样电流的误差以及误差变化率进行自适应调整，从而使所述扩张观测器成为AESO；通过所述AESO观测得到下一时刻即k+1时刻的d轴和q轴预测电流及相应的扰动值；具体过程包括：

采用以下形式的模糊控制规则：

式中，e_d、e_q和e_cd、e_cq分别为d轴和q轴预测电流与采样电流的误差以及误差变化率，k_c为通过模糊控制表输出的修正系数，用于修正扩张状态观测器中的增益参数，为AESO的自适应参数，由β₁、β₂、η₁、η₂实时修正得到；e_d、e_q、e_cd、e_cq、k_c均采用模糊语言集{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}根据系统稳定性条件选择合适的论域，用于进行模糊推理；

由此所形成的AESO具体形式为：

式中，为利用AESO观测计算得到的k+1时刻的d轴和q轴预测电流及相应的扰动值；

步骤6、将所述d轴和q轴预测电流及相应的扰动值代入步骤3所建立的电机电压方程，用于对参考电压实现前馈补偿。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2中建立无差拍电流预测控制模型具体采用以下形式：

式中，上标ref表示相应参数的参考值。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤6中将预测得到的电流值与扰动值代入所述离散化电机电压方程后，参考控制电压具体形式如下：

式中，和/>为得到的k+1时刻d轴和q轴参考控制电压。