模块化多绕组永磁电机系统参数免疫预测控制方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种模块化多绕组永磁电机系统参数免疫预测控制方法及系统，本发明专利技术方法采用级联预测控制且设计了参数免疫定子磁链预测控制器、参数免疫转矩预测控制器以及未知转矩扰动观测器，数免疫定子磁链预测控制器和参数免疫转矩预测控制器构成级联结构，参数免疫定子磁链预测控制器用于计算出控制模块化多绕组永磁电机系统的d、q轴指令电压，参数免疫转矩预测控制器用于计算出下一时刻的d、q轴定子磁链指令值，未知转矩扰动观测器用于观测出外部负载转矩扰动和电机响应转速。对比参数失配下传统模型预测控制方法，本发明专利技术所提的参数免疫预测控制方法在提升定子磁链跟踪精度、抑制转矩/磁链脉动和降低定子电流畸变量等方面具有明显优势。

【技术实现步骤摘要】
模块化多绕组永磁电机系统参数免疫预测控制方法及系统
本专利技术涉及模块化多绕组永磁电机的控制技术，具体涉及一种模块化多绕组永磁电机系统参数免疫预测控制方法及系统。
技术介绍
目前电机在我国装备制造业中的地位和作用越来越显著，我国已成为世界上最大的电动机制造、出口和使用大国。据统计，电机消耗了我国总发电量的60％至70％电量，其中工业领域的耗电量占工业部门总用电量的75％。随着我国制造业发展深度和广度的显著提升，模块化多绕组永磁电机凭借其容错性能强、可靠度高和结构简单等优势，在军事工程装备、先进轨道交通装备、航空航天装备等特殊应用领域中受到了广泛的关注和青睐。目前研究学者对模块化多绕组永磁电机的本体优化设计进行了全面而深入的探索，但控制器仍然采用的是传统比例积分控制器。由于模块化多绕组永磁电机一个参数时变的高阶非线性系统，传统比例积分控制器难以保证电机系统宽转速和高品质运行。模型预测控制器凭借其控制精度高、动态响应快、零稳态误差及无超调等优点，在电机控制领域中已成为先进控制技术工程化应用的代表。然而，模型预测控制器是一种基于电机系统离散数学模型的高性能控制算法，会受制于电机系统实际参数及数学模型的准确度。当模块化多绕组永磁电机参数因自身材质的退化而发生变化时，将会导致预测控制器中的参数与实际电机系统中的参数出现不匹配的现象，致使电机系统无法输出额定转矩，恶劣情况下甚至失控。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种模块化多绕组永磁电机系统参数免疫预测控制方法及系统，本专利技术攻克了模型预测控制器对模块化多绕组永磁电机系统参数失配免疫的科学难题，可消除预测控制器受磁链参数、电感参数失配的影响。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种模块化多绕组永磁电机系统参数免疫预测控制方法，包括：1)根据任意k时刻的转速ωe(k)及q轴电流iqj(k)，通过预设的未知转矩扰动观测器计算负载转矩扰动观测值及转速响应观测值2)根据得到的负载转矩扰动观测值及转速响应观测值通过预设的参数免疫转矩预测控制器进行参数免疫转矩预测控制计算k+2时刻的d轴定子磁链指令值和q轴定子磁链指令值3)根据得到的d轴定子磁链指令值和q轴定子磁链指令值通过预设的参数免疫定子磁链预测控制器进行参数免疫定子磁链预测控制计算k+1时刻的d轴指令电压和q轴指令电压作为驱动模块化多绕组永磁电机工作的控制信号。可选地，步骤1)包括：1.1)建立如式(1)所示的转速运动方程；上式中，ωe为电机转速，N为模块化多绕组永磁电机中的单元电机个数，np为极对数，ψro为转子永磁体磁链，J为转动惯量，iqj为q轴电流，TL为负载转矩，t为时间；1.2)针对转速运动方程设计如式(2)所示的积分终端滑模面；上式中，sω为积分终端滑模面，eω为转速观测值与转速实际值之间的偏差，ωe为电机响应转速，为转速观测值，ωe为转速实际值，λ＞0为待设计的参数，τ为时间；1.3)通过积分终端滑模面对式(3)所示的离散型积分终端滑模观测器观测获得转速响应观测值上式中，为k+1时刻的转速观测值，为k时刻的转速观测值，iqj(k)为k时刻的q轴电流，η和δ为积分终端滑模观测器中待设计的增益，Ts为采样周期；1.4)求解下式得到负载转矩扰动观测值；上式中，为负载转矩扰动观测值。可选地，步骤2)中通过预设的参数免疫转矩预测控制器进行参数免疫转矩预测控制计算k+2时刻的d轴定子磁链指令值和q轴定子磁链指令值的函数表达式为：上式中，和分别为k+2时刻的d轴定子磁链指令值和q轴定子磁链指令值，ψro为转子永磁体磁链，Lo为电感，为k时刻的转速观测值，为转速指令值，为负载转矩扰动观测值，Td为第一采样周期。可选地，第一采样周期Td与采样周期Ts之间满足关系Td＝10Ts。可选地，步骤3)中通过预设的参数免疫定子磁链预测控制器进行参数免疫定子磁链预测控制计算k+1时刻的d轴指令电压和q轴指令电压的函数表达式为：上式中，和分别为k+1时刻的d轴指令电压和q轴指令电压，udj(k)和uqj(k)分别为k时刻的d轴响应电压和q轴响应电压，ψdj(k)和ψqj(k)分别为k时刻的d轴定子磁链响应值和q轴定子磁链响应值，和分别为k+2时刻的d轴定子磁链指令值和q轴定子磁链指令值，idj(k)和iqj(k)分别为k时刻的d轴电流响应值和q轴电流响应值。可选地，步骤3)之后还包括：将d轴指令电压和q轴指令电压经逆Park变换后获得两相静止坐标系下的α相指令电压和β相指令电压将两相静止坐标系下的α相指令电压和β相指令电压经SVPWM模块调制后生成用于驱动模块化多绕组永磁电机工作的PWM脉冲信号。可选地，步骤1)之前还包括：采集模块化多绕组永磁电机k时刻的三相电流iabc，计算出单个模块的电流并经过克拉克变换得到α相电流和β相电流，将α相电流和β相电流通过帕克变换得到q轴电流iqj(k)，并通过对α相电流和β相电流求导得到k时刻的转速ωe(k)。此外，本专利技术还提供一种模块化多绕组永磁电机系统参数免疫预测控制系统，包括：未知转矩扰动观测器，用于根据任意k时刻的转速ωe(k)及q轴电流iqj(k)，计算负载转矩扰动观测值及转速响应观测值参数免疫转矩预测控制器，用于根据得到的负载转矩扰动观测值及转速响应观测值进行参数免疫转矩预测控制计算k+2时刻的d轴定子磁链指令值和q轴定子磁链指令值参数免疫定子磁链预测控制器，用于根据得到的d轴定子磁链指令值和q轴定子磁链指令值进行参数免疫定子磁链预测控制计算k+1时刻的d轴指令电压和q轴指令电压作为驱动模块化多绕组永磁电机工作的控制信号。此外，本专利技术还提供一种模块化多绕组永磁电机系统参数免疫预测控制系统，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模块化多绕组永磁电机系统参数免疫预测控制方法的步骤。此外，本专利技术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被编程或配置以执行所述模块化多绕组永磁电机系统参数免疫预测控制方法的计算机程序。和现有技术相比，本专利技术具有下述优点：1、本专利技术所提的模块化多绕组永磁电机系统参数免疫预测控制方法对电机系统参数免疫，不受电机系统任何参数失配的影响，此外由于对外界负载转矩扰动进行了观测补偿，本专利技术所提的参数免疫预测控制方法可以满足电机系统对转速高品质控制的追求。2、与传统模型预测控制方法相比，本专利技术所提的模块化多绕组永磁电机系统参数免疫预测控制方法在提升定子磁链跟踪精度、抑制转矩/磁链脉动和降低定子电流畸变量等方面具有明显优势。附图说明图1为本专利技术实施例方法的控制原理示意图。图2为本专利技术实施例在电感参数失配的情况下定子磁链控制性能实验示意图。图3为本专利技术实施例在电感参数失配的情况下转矩控制性能实验示本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模块化多绕组永磁电机系统参数免疫预测控制方法，其特征在于，包括：/n1)根据任意k时刻的转速ω

【技术特征摘要】
1.一种模块化多绕组永磁电机系统参数免疫预测控制方法，其特征在于，包括：
1)根据任意k时刻的转速ωe(k)及q轴电流iqj(k)，通过预设的未知转矩扰动观测器计算负载转矩扰动观测值及转速响应观测值
2)根据得到的负载转矩扰动观测值及转速响应观测值通过预设的参数免疫转矩预测控制器进行参数免疫转矩预测控制计算k+2时刻的d轴定子磁链指令值和q轴定子磁链指令值
3)根据得到的d轴定子磁链指令值和q轴定子磁链指令值通过预设的参数免疫定子磁链预测控制器进行参数免疫定子磁链预测控制计算k+1时刻的d轴指令电压和q轴指令电压作为驱动模块化多绕组永磁电机工作的控制信号。


2.根据权利要求1所述的模块化多绕组永磁电机系统参数免疫预测控制方法，其特征在于，步骤1)包括：
1.1)建立如式(1)所示的转速运动方程；



上式中，ωe为电机转速，N为模块化多绕组永磁电机中的单元电机个数，np为极对数，ψro为转子永磁体磁链，J为转动惯量，iqj为q轴电流，TL为负载转矩，t为时间；
1.2)针对转速运动方程设计如式(2)所示的积分终端滑模面；



上式中，sω为积分终端滑模面，eω为转速观测值与转速实际值之间的偏差，ωe为电机响应转速，为转速观测值，ωe为转速实际值，λ＞0为待设计的参数，τ为时间；
1.3)通过积分终端滑模面对式(3)所示的离散型积分终端滑模观测器观测获得转速响应观测值



上式中，为k+1时刻的转速观测值，为k时刻的转速观测值，iqj(k)为k时刻的q轴电流，η和δ为积分终端滑模观测器中待设计的增益，Ts为采样周期；
1.4)求解下式得到负载转矩扰动观测值；



上式中，为负载转矩扰动观测值。


3.根据权利要求2所述的模块化多绕组永磁电机系统参数免疫预测控制方法，其特征在于，步骤2)中通过预设的参数免疫转矩预测控制器进行参数免疫转矩预测控制计算k+2时刻的d轴定子磁链指令值和q轴定子磁链指令值的函数表达式为：



上式中，和分别为k+2时刻的d轴定子磁链指令值和q轴定子磁链指令值，ψro为转子永磁体磁链，Lo为电感，为k时刻的转速观测值，为转速指令值，为负载转矩扰动观测值，Td为第一采样周期。


4.根据权利要求3所述的模块化多绕组永磁电机系统参数免疫预测控制方法，其特征在于，第一采样周期Td与采样周期Ts之间满足关系Td＝10Ts。


5.根据权利要求3所述的模块化多绕组...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄守道，黄晟，汪逸哲，吴公平，吴轩，廖武，黄晓辉，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43