一种永磁同步电机无差拍电流预测控制系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种永磁同步电机无差拍电流预测控制系统及其控制方法，系统包括Clark变换模块、Park变换模块、Park逆变换模块、脉冲宽度调制模块、逆变器模块、位置传感器、无差拍控制器、扰动观测器、第一比较器、第二比较器、PI调节器、第一增益模块、第二增益模块和第三增益模块。本发明专利技术在传统无差拍预测控制的基础上，引入一种负载扰动观测器用于前馈补偿。在扰动观测器的补偿作用下，无差拍电流预测控制系统不仅具有优越的动态性能，且表现出更强的鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】
一种永磁同步电机无差拍电流预测控制系统及其控制方法
本专利技术属于电机控制
，特别涉及一种永磁同步电机无差拍电流预测控制系统及其控制方法。
技术介绍
永磁同步电动机具有高功率密度、高效率、高可靠性及结构简单、体积小、重量轻等优点，同时近年来永磁材料价格降低，使它愈加成为实现电机系统节能的首选。然而，永磁同步电机是一个多变量、高耦合、非线性的高阶系统，我们通常采用矢量控制方案对其进行解耦，但控制系统仍十分复杂。其中电流环控制部分又尤为重要，它的快速性、准确性、稳定性的优劣直接影响着永磁同步电机系统性能。传统的电流环控制方案是使用PI调节器，但其响应速度慢，超调大，且采样电流与参考电流间存在较大误差，控制性能不佳；近年来新出现的模型预测控制利用系统内部模型对系统未来状态进行预测，然后筛选出可以最小化目标函数的开关状态，提高控制精度。然而模型预测控制的缺点是缺少滚动优化和反馈校正的环节，当存在外部扰动时，其控制效果将受到影响。也就是说现有的电流环控制技术始终无法达到最佳的电流响应。
技术实现思路
专利技术目的：针对传统电流无差拍控制系统抗干扰性差的问题，提供一种具有更快、更稳定的电流环性能的永磁同步电机无差拍电流预测控制系统及其控制方法。技术方案：为解决上述技术问题，本专利技术提供一种永磁同步电机无差拍电流预测控制系统，包括Clark变换模块、Park变换模块、Park逆变换模块、脉冲宽度调制模块、逆变器模块、位置传感器、无差拍控制器、扰动观测器、第一比较器、第二比较器、PI调节器即转速调节器、第一增益模块、第二增益模块和第三增益模块；所述Clark变换模块的输入端连接永磁同步电机的三相定子电流输出端，Clark变换模块的输出端连接Park变换模块的输入端；所述Park变换模块的输出端连接无差拍控制器输入端，无差拍控制器的输出端连接Park逆变换模块输入端；所述Park逆变换模块的输出端连接脉冲宽度调制模块的输入端，脉冲宽度调制模块的输出端连接逆变器模块的输入端，逆变器模块的输出端连接永磁同步电机的控制端；所述位置传感器的输入端连接永磁同步电机的输出端，位置传感器的电角速度输出端连接第一增益模块的输入端，第一增益模块的输出端连接第二增益模块的输入端和扰动观测器的转速输入端；所述第二增益模块的输出端连接第一比较器的输入端，第一比较器的输出端通过转速调节器连接第二比较器的输入端和扰动观测器的q轴电流输入端；所述第二比较器的输出端连接无差拍控制器，扰动观测器的输出端通过第三增益模块连接第二比较器的前馈输入端。一种如上所述的永磁同步电机无差拍电流预测控制系统的控制方法，包括如下步骤：(1)采集PMSM的三相定子电流信号ia、ib、ic，经过Clark变换输出等效的两相静止坐标系下的定子电流iα、iβ；(2)根据步骤(1)所得的两相静止坐标系下的定子电流iα、iβ经过Park变换输出等效的两相旋转坐标系下的定子电流id、iq，再将定子电流id、iq输入到无差拍控制器中；(3)位置传感器输出电机的转子电角速度ωe和位置θe，转子速度ωe经第一增益模块和第二增益模块得到转速n与给定转速值nref作差，差值通过转速调节器后输出q轴的参考电流iqref；(4)根据步骤(3)得到的转子电角速度ωe经第一增益模块得到转子机械角ωm，ωm与步骤(3)得到的q轴的参考电流iqref输入扰动观测器，输出负载转矩TL；(5)根据步骤(4)得到的负载转矩TL经第三增益模块得到补偿电流iqc；(6)根据步骤(3)所得的q轴的参考电流iqref与步骤五所得补偿电流iqc相加，得到新的参考电流iqref*；(7)将d轴参考电流设为idref*＝0，根据步骤(6)所得的q轴参考电流iqref*与d轴参考电流idref*输入无差拍控制器中；(8)根据步骤(2)和步骤(7)的无差拍控制器的输入，无差拍控制器输出q轴的参考电压uq和d轴的参考电压ud；(9)将步骤(8)中输出的q、d轴参考电压uq、ud经过Park反变换，输出两相静止坐标系下的控制电压uα、uβ；(11)将步骤(9)中两相控制电压uα、uβ进行空间矢量调制，输出6路PWM波形；(12)将步骤(11)中输出的PWM波形输至三相逆变器中，逆变器向PMSM输入三相电压ua、ub、uc，从而控制永磁同步电机运转，完成PMSMA的无位置传感器的矢量控制。进一步的，所述步骤(1)中采集PMSM的三相定子电流信号ia、ib、ic，经过Clark变换输出等效的两相静止坐标系下的定子电流iα、iβ的具体步骤如下：进一步的，所述步骤(2)中两相静止坐标系下的定子电流iα、iβ经过Park变换输出等效的两相旋转坐标系下的定子电流id、iq的具体步骤如下：其中θe为通过位置传感器得到的PMSM转子位置角度。进一步的，所述步骤(4)中根据转子电角速度ωe经第一增益模块得到转子机械角ωm，ωm与q轴的参考电流iqref输入扰动观测器，输出负载转矩TL的具体步骤如下：首先建立系统状态方程式中：x＝ωm；u＝Te；d＝TL；a＝-B/J；b＝1/J；设计观测器其中：和分别为x和d的估计值；其中为误差变量，k3，k4可由状态反馈控制理论定值；因此得扰动观测器进一步的，所述步骤(8)中无差拍控制器输出q轴的参考电压uq和d轴的参考电压ud的具体步骤如下：首先将dq坐标系下的电流方程离散化离散化后的电流方程为i(k+1)＝Ai(k)+Cu(k)+D(k)其中：Ts为采样周期为了进一步得到预测电压u(k+1),需要多预测一个周期，即i(k+2)＝Ai(k+1)+Cu(k+1)+D(k+1)由无差拍控制原理可知，要求预测到的电流值等于当前电流给定值，即i(k+2)＝i*(k)其中：由此可得下一个周期所需参考电压的表达式u(k+1)＝C-1(i*(k)-A(Ai(k)+Cu(k)+D(k))-D(k+1))。进一步的，所述步骤(9)中输出的q、d轴参考电压uq、ud经过Park反变换，输出两相静止坐标系下的控制电压uα、uβ的具体步骤如下：与现有技术相比，本专利技术的优点在于：(1)本专利技术使用一种扰动观测器实时观测负载转矩的变化，根据观测的转矩值为系统提供前馈补偿量，减小转矩扰动对系统的影响。(2)本专利技术将一种扰动观测器与无差拍电流预测控制系统相结合，与传统的矢量控制系统相比具有更好的动态响应性能以及更强的鲁棒性。附图说明图1为本专利技术的结构示意图；图2为具体实施例中内模控制扰动观测器结构框图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本专利技术。本专利技术描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的其他实施例，都属于本专利技术所保护的范围。结合图1、图2，本专利技术所述的一种永磁同步电机无差拍电流预测控制系统，包括Clark变换模块、Park变换模块、Park逆变换模块、脉冲宽度调制模块、逆变器模块、位置传感器、无差拍控制器、扰动观测器、第一比较器、第二比较器、PI调节器、第一增益模块、第二增益模块和第三增益模块；其中，Clark变换模块的输入端连接永磁同步电机的三相定子电流输出端，Clark变换模块的输出端连接Park变换模块的输入端；Park本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种永磁同步电机无差拍电流预测控制系统，其特征在于，包括Clark变换模块、Park变换模块、Park逆变换模块、脉冲宽度调制模块、逆变器模块、位置传感器、无差拍控制器、扰动观测器、第一比较器、第二比较器、PI调节器、第一增益模块、第二增益模块和第三增益模块；所述Clark变换模块的输入端连接永磁同步电机的三相定子电流输出端，Clark变换模块的输出端连接Park变换模块的输入端；所述Park变换模块的输出端连接无差拍控制器输入端，无差拍控制器的输出端连接Park逆变换模块输入端；所述Park逆变换模块的输出端连接脉冲宽度调制模块的输入端，脉冲宽度调制模块的输出端连接逆变器模块的输入端，逆变器模块的输出端连接永磁同步电机的控制端；所述位置传感器的输入端连接永磁同步电机的输出端，位置传感器的电角速度输出端连接第一增益模块的输入端，第一增益模块的输出端连接第二增益模块的输入端和扰动观测器的转速输入端；所述第二增益模块的输出端连接第一比较器的输入端，第一比较器的输出端通过PI调节器连接第二比较器的输入端和扰动观测器的q轴电流输入端；所述第二比较器的输出端连接无差拍控制器，扰动观测器的输出端通过第三增益模块连接第二比较器的前馈输入端。...

【技术特征摘要】
1.一种永磁同步电机无差拍电流预测控制系统，其特征在于，包括Clark变换模块、Park变换模块、Park逆变换模块、脉冲宽度调制模块、逆变器模块、位置传感器、无差拍控制器、扰动观测器、第一比较器、第二比较器、PI调节器、第一增益模块、第二增益模块和第三增益模块；所述Clark变换模块的输入端连接永磁同步电机的三相定子电流输出端，Clark变换模块的输出端连接Park变换模块的输入端；所述Park变换模块的输出端连接无差拍控制器输入端，无差拍控制器的输出端连接Park逆变换模块输入端；所述Park逆变换模块的输出端连接脉冲宽度调制模块的输入端，脉冲宽度调制模块的输出端连接逆变器模块的输入端，逆变器模块的输出端连接永磁同步电机的控制端；所述位置传感器的输入端连接永磁同步电机的输出端，位置传感器的电角速度输出端连接第一增益模块的输入端，第一增益模块的输出端连接第二增益模块的输入端和扰动观测器的转速输入端；所述第二增益模块的输出端连接第一比较器的输入端，第一比较器的输出端通过PI调节器连接第二比较器的输入端和扰动观测器的q轴电流输入端；所述第二比较器的输出端连接无差拍控制器，扰动观测器的输出端通过第三增益模块连接第二比较器的前馈输入端。2.一种如权利要求1所述的永磁同步电机无差拍电流预测控制系统的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)采集PMSM的三相定子电流信号ia、ib、ic，经过Clark变换输出等效的两相静止坐标系下的定子电流iα、iβ；(2)根据步骤(1)所得的两相静止坐标系下的定子电流iα、iβ经过Park变换输出等效的两相旋转坐标系下的定子电流id、iq，再将定子电流id、iq输入到无差拍控制器中；(3)位置传感器输出电机的转子电角速度ωe和位置θe，转子速度ωe经第一增益模块和第二增益模块得到转速n与给定转速值nref作差，差值通过转速调节器后输出q轴的参考电流iqref；(4)根据步骤(3)得到的转子电角速度ωe经第一增益模块得到转子机械角ωm，ωm与步骤(3)得到的q轴的参考电流iqref输入扰动观测器，输出负载转矩TL；(5)根据步骤(4)得到的负载转矩TL经第三增益模块得到补偿电流iqc；(6)根据步骤(3)所得的q轴的参考电流iqref与步骤五所得补偿电流iqc相加，得到新的参考电流iqref*；(7)将d轴参考电流设为idref*＝0，根据步骤(6)所得的q轴参考电流iqref*与d轴参考电流idref*输入无差拍控制器中；(8)根据步骤(2)和步骤(7)的无差拍控制器的输入，无差拍控制器输出q轴...

【专利技术属性】
技术研发人员：柯伟煌，卜飞飞，钱胜南，张艺，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32