一种永磁同步电机的级联无模型预测控制方法技术

本发明专利技术涉及永磁同步电机控制技术领域，特别涉及一种永磁同步电机的级联无模型预测控制方法；本发明专利技术分别对速度环和电流环控制器进行设计，并利用超局部模型，在保证速度环响应速度的同时，提高电流环的参数鲁棒性。提高电流环的参数鲁棒性。提高电流环的参数鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】
一种永磁同步电机的级联无模型预测控制方法


[0001]本专利技术涉及永磁同步电机控制
，特别涉及一种永磁同步电机的级联无模型预测控制方法。

技术介绍

[0002]级联结构是永磁同步电机控制系统中最常见的控制结构，在永磁同步电机的磁场定向矢量控制技术中，级联结构通常包括速度外环和电流内环，速度外环的主要作用是跟踪参考速度以及响应控制系统中速度和负载的变化，从而产生电流内环所需要的参考电流；电流内环的主要作用是在同步旋转坐标系中对定子电流进行调节，保证参考电流跟踪精度的同时，输出稳定的转矩。
[0003]为了保证控制系统的性能，速度外环需要具有优异的动态性能，快速响应速度和转矩的变化，保证输出电流的准确性；电流内环需要在保证电流跟踪精度的同时，提高对参数失配和未知扰动的鲁棒性。
[0004]然而，由于永磁同步电机控制系统属于非线性系统，系统内部参数的失配和外部未知的扰动会影响控制器的性能，甚至使得控制器失效，因此，在级联控制结构中，需要保证速度外环和电流内环的控制器具有优异的动态性能和对干扰的鲁棒性。

技术实现思路

[0005]本专利技术主要解决的技术问题是提供一种永磁同步电机的级联无模型预测控制方法，分别对速度环和电流环控制器进行设计，并利用超局部模型，在保证速度环响应速度的同时，提高电流环的参数鲁棒性。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术采用的一个技术方案是：提供一种永磁同步电机的级联无模型预测控制方法，其中，包括如下步骤：
[0007]步骤S1、建立超局部模型的永磁同步电机的模型；
[0008]步骤S2、在模型内设计永磁同步电机控制系统中级联结构的电流内环无模型预测控制器；
[0009]步骤S3、在模型内设计永磁同步电机控制系统中级联结构的速度外环无模型预测控制器；
[0010]其中，在步骤S2内，对永磁同步电机的定子电压方程进行零阶保持器离散化。
[0011]作为本专利技术的一种改进，在步骤S1内，在同步旋转坐标(dq轴)中，永磁同步电机的定子电压数学模型表示为：
[0012][0013]其中，u
d
和u
q
分别为永磁同步电机d、q轴的定子电压；i
d
和i
q
分别为永磁同步电机d、q轴的定子电流；L
d
和L
q
分别为永磁同步电机d、q轴的电感；R
s
和y
f
分别为永磁同步电机的标称电阻和标称磁链；w
e
为永磁同步电机的电角速度。
[0014]作为本专利技术的进一步改进，在步骤S1内，永磁同步电机的运动平衡方程表示为：
[0015][0016]其中，J为永磁同步电机的转动惯量；B为永磁同步电机的摩擦系数；T
L
为永磁同步电机控制系统的外部转矩；T
e
为永磁同步电机的电磁转矩。
[0017]作为本专利技术的更进一步改进，在步骤S1内，永磁同步电机的电磁转矩方程表示为：
[0018][0019]其中，n
p
为永磁同步电机的极对数；
[0020]而且电磁转矩方程可简化为：
[0021][0022]作为本专利技术的更进一步改进，在步骤S2内，永磁同步电机的定子电压方程(1)改写为：
[0023][0024]其中，定义：
[0025][0026][0027][0028][0029]作为本专利技术的更进一步改进，在步骤S2内，对定子电压方程进行离散化，通过零阶保持器离散化，公式(5)离散为：
[0030][0031]其中，X
c
[k]＝[i
d
[k] i
q
[k]]T
为第k个采样周期d、q轴定子电流矩阵；U
c
[k]＝[u
d
[k] u
q
[k]]T
为第k个采样周期d、q轴定子电压矩阵；C
c
＝E为2阶单位矩阵；
[0032]T
cs
为级联结构中电流内环的电流采样频率；
[0033]θ
c
F
c
[k]为集总扰动矩阵。
[0034]作为本专利技术的更进一步改进，对第k+2个采样周期的电流进行预测，基于公式(6)，第k+2个采样周期的电流预测为：
[0035][0036]其中，j＝0，
…
，7为三相两电平逆变器的输出电压数量。
[0037]作为本专利技术的更进一步改进，在步骤S2内，电流内环的代价函数为：
[0038][0039]其中，为d、q轴定子电流矩阵X
c
的参考值，该参考值来源于速度外环的输出。
[0040]作为本专利技术的更进一步改进，在步骤S3内，将速度外环与电流内环相连接，永磁同步电机的运动平衡方程为：
[0041][0042]作为本专利技术的更进一步改进，在速度外环控制器内，在频域内，有如下关系：
[0043][0044]其中，为速度外环控制器输出的参考电流；T
oi
为等效一阶惯性环节的时间常数。
[0045]本专利技术的有益效果是：与现有技术相比，本专利技术分别对速度环和电流环控制器进行设计，并利用超局部模型，在保证速度环响应速度的同时，提高电流环的参数鲁棒性。
附图说明
[0046]图1为本专利技术的步骤框图；
[0047]图2为本专利技术的级联结构预测控制方框图；
[0048]图3为本专利技术的速度连续阶跃条件下速度外环跟踪性能对比图；
[0049]图4为本专利技术的速度阶跃和负载阶跃条件下速度外环响应时间对比图；
[0050]图5a为PI+MBPC的参数失配下电流内环跟踪性能对比图；
[0051]图5b为PI+MFPC的参数失配下电流内环跟踪性能对比图；
[0052]图5c为级联MFPC的参数失配下电流内环跟踪性能对比图。
具体实施方式
[0053]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0054]请参照图1至图5c，本专利技术的一种永磁同步电机的级联无模型预测控制方法，包括如下步骤：
[0055]步骤S1、建立超局部模型的永磁同步电机的模型；
[0056]步骤S2、在模型内设计永磁同步电机控制系统中级联结构的电流内环无模型预测控制器；
[0057]步骤S3、在模型内设计永磁同步电机控制系统中级联结构的速度外环无模型预测控制器；
[0058]其中，在步骤S2内，对永磁同步电机的定子电压方程进行零阶保持器离散化。
[0059]本专利技术分别对速度环和电流环控制器进行设计，并利用超局部模型，在保证速度环响应速度的同时，提高电流环的参数鲁棒性。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种永磁同步电机的级联无模型预测控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1、建立超局部模型的永磁同步电机的模型；步骤S2、在模型内设计永磁同步电机控制系统中级联结构的电流内环无模型预测控制器；步骤S3、在模型内设计永磁同步电机控制系统中级联结构的速度外环无模型预测控制器；其中，在步骤S2内，对永磁同步电机的定子电压方程进行零阶保持器离散化。2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机的级联无模型预测控制方法，其特征在于，在步骤S1内，在同步旋转坐标(dq轴)中，永磁同步电机的定子电压数学模型表示为：其中，u
d
和u
q
分别为永磁同步电机d、q轴的定子电压；i
d
和i
q
分别为永磁同步电机d、q轴的定子电流；L
d
和L
q
分别为永磁同步电机d、q轴的电感；R
s
和y
f
分别为永磁同步电机的标称电阻和标称磁链；w
e
为永磁同步电机的电角速度。3.根据权利要求2所述的一种永磁同步电机的级联无模型预测控制方法，其特征在于，在步骤S1内，永磁同步电机的运动平衡方程表示为：其中，J为永磁同步电机的转动惯量；B为永磁同步电机的摩擦系数；T
L
为永磁同步电机控制系统的外部转矩；T
e
为永磁同步电机的电磁转矩。4.根据权利要求3所述的一种永磁同步电机的级联无模型预测控制方法，其特征在于，在步骤S1内，永磁同步电机的电磁转矩方程表示为：其中，n
p
为永磁同步电机的极对数；而且电磁转矩方程可简化为：5.根据权利要求4所述的一种永磁同步电机的级联无模型预测控制方法，其特征在于，在步骤S2内，永磁同步电机的定子电压方程(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓永停，孙征，王建立，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：