一种无轴承永磁同步发电机鲁棒模型预测控制系统技术方案

本发明专利技术公开一种无轴承永磁同步发电机鲁棒模型预测控制系统，由悬浮力绕组预测控制器和发电绕组预测控制器组成，发电绕组预测控制器包括第二延迟补偿器、第二磁链观测器、磁链和转矩预测模块、代价函数计算模块、代价函数在线寻优模块、预测误差补偿模块和整流器，将直接转矩控制与模型预测控制相融合，通过计算k+1时刻所有电压矢量下的转矩预测误差和定子磁链预测误差，在k+2时刻补偿到预测模型中，电机参数受外界环境影响发生改变从而产生预测误差，在考虑转矩预测误差和定子磁链预测误差后，将代价函数进行改写，解决了传统模型预测控制误差更新和补偿不准确的问题。控制误差更新和补偿不准确的问题。控制误差更新和补偿不准确的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种无轴承永磁同步发电机鲁棒模型预测控制系统


[0001]本专利技术属于无轴承电机控制领域，涉及一种多变量、非线性、强耦合的无轴承永磁同步发电机模型预测控制系统，适用于对无轴承永磁同步发电机的高性能控制。

技术介绍

[0002]无轴承永磁同步发电机是一种集合了永磁发电机和磁轴承特性的新型电机，它不仅具有效率高、过载能力强、无齿槽转矩、转子损耗低等优点，还具有磁轴承无需润滑、无摩擦和免维护等特点，可实现高速或超高速运行，在化学化工、生命科学、能源交通、航空航天及机器人领域具有潜在应用前景。但由于无轴承永磁电机本身是多变量、非线性、强耦合的被控对象，使得传统悬浮力控制算法难以满足高精、高速场合的需求，限制了其发展。
[0003]传统的无轴承电机悬浮力控制采用矢量控制策略，通过控制悬浮力绕组电流来控制悬浮力绕组磁场从而间接控制所需悬浮力的大小和方向。这种悬浮力的开环控制，限制了悬浮力控制的精度，同时存在鲁棒性低的缺点。
[0004]中国专利公开号为CN205509912U的文献公开了单绕组无轴承电机转矩和悬浮力直接控制器，通过借鉴永磁电机直接转矩控制的思想和方法，构建了一种基于转子位移和悬浮力双闭环的直接悬浮力控制器，摒弃了矢量控制中系统过多依赖电机参数和存在大量矢量坐标变换的缺陷，采用定子磁链定向和瞬时空间矢量理论，直接对电机定子磁链和悬浮力进行控制。但由于采样及数字计算的延迟，使得目标电压矢量总是滞后一个采样周期，造成了磁链及悬浮力的脉动变大。中国专利公开号为CN115037214A的文献公开了一种永磁同步电机预测控制器及构造方法，存在单个控制周期只能计算一次，将这一电压扇区对应的误差值补偿给下一个控制周期，未知作用电压扇区对应的预测过程中无法实现准确补偿，会严重影响最优矢量的判断，导致错误的转矩与定子磁链误差补偿，从而使预测误差进一步增大，降低系统控制性能。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是为了解决现有无轴承永磁同步发电机预测控制中存在的鲁棒性较差、控制性能低的问题，提出了一种新型的无轴承永磁同步发电机鲁棒模型预测控制系统，减小因系统采样和数字计算延迟造成的控制误差，提高控制精度，同时又能有效地提高无轴承永磁同步发电机的各项控制性能指标，如动态响应速度、稳态跟踪精度。
[0006]本专利技术所述的一种无轴承永磁同步发电机鲁棒模型预测控制系统采用的技术方案是：其由悬浮力绕组预测控制器和发电绕组预测控制器组成，其所述的发电绕组预测控制器包括第二延迟补偿器、第二磁链观测器、磁链和转矩预测模块、代价函数计算模块、代价函数在线寻优模块、预测误差补偿模块和整流器；发电绕组电流i
1d
(k)、i
1q
(k)与电压u
1d
(k)、u
1q
(k)经第二延迟补偿器处理得到k+1时刻的发电绕组电流i
1d
(k+1)、i
1q
(k+1)与电压u
1d
(k+1)、u
1q
(k+1)；所述的发电绕组电流i
1d
(k+1)、i
1q
(k+1)输入到预测误差补偿模块中；第二磁链观测器对发电绕组电流i
1d
(k+1)、i
1q
(k+1)与电压u
1d
(k+1)、u
1q
(k+1)实时观测后经离
散化得到k+1时刻的发电绕组磁链ψ1(k+1)，发电绕组磁链ψ1(k+1)与发电绕组电流i
1d
(k+1)、i
1q
(k+1)和电压u
1d
(k+1)、u
1q
(k+1)一起输入到磁链和转矩预测控制器中得到转矩预测值T
e
(k+2)、转矩磁链预测值ψ1(k+2)、发电绕组气隙磁链ψ
m
(k+2)及其相位角μ(k+2)；所述的发电绕组气隙磁链ψ
m
(k+2)及其相位角μ(k+2)分别输入至悬浮力估算模块和参考磁链生成模块中，所述的转矩预测值T
e
(k+2)和转矩磁链预测值ψ1(k+2)输入至代价函数计算模块中；发电绕组电感参数不确定分量
△
L1、永磁体磁链参数不确定分量
△
ψ
f
输入预测误差补偿模块中得到转矩误差
△
T
e
(k+1)和转矩磁链误差
△
ψ1(k+1)，转矩误差
△
T
e
(k+1)和转矩磁链误差
△
ψ1(k+1)输出至代价函数计算模块中；转矩指令值和转矩磁链指令值输入代价函数计算模块中，代价函数计算模块产生八个函数值，代价函数在线寻优模块选取8个函数值中的最小值并产生与之相对的整流器的开关状态。
[0007]进一步地，预测误差补偿模块根据式得到转矩误差
△
T
e
(k+1)，根据式得到转矩磁链误差
△
ψ1(k+1)，P1为发电绕组极对数；
△
i
1q
(k+1)为k+1时刻发电绕组电流变化量，α为电感的变化系数，ω
e
是电角速度，L1是发电机电感，T
s
是采样周期。
[0008]更进一步地，代价函数计算模块根据式计算出8个代价函数值，
[0009]本专利技术采用上述技术方案后的优点在于：
[0010]1、本专利技术采用一种转矩和定子磁链模型预测控制预测误差补偿的方法，通过计算k+1时刻所有电压矢量下的转矩预测误差和定子磁链预测误差，在k+2时刻补偿到预测模型中，对无轴承永磁同步发电机电感及永磁磁链参数的误差均有很好的参数鲁棒性，该方法误差信息预测准确，提升参数鲁棒性的同时保证了系统的控制性能。
[0011]2、本专利技术对代价函数进行重写，电机参数受外界环境影响发生改变从而产生预测误差，在考虑转矩预测误差和定子磁链预测误差后，将代价函数进行改写，解决了传统模型预测控制误差更新和补偿不准确的问题。
[0012]3、本专利技术在原来预测k+1时刻的基础上，预测磁链、转矩和悬浮力在k+2时刻的值，由此得出k+1时刻的最有效驱动，弥补了算法计算的时间延迟，实现了时间的一致性，该方法使模型失配、畸变、扰动等引起的不确定性及时得到弥补，从而得到较好的动态控制性能。
[0013]4、本专利技术将直接转矩控制(DTC)与模型预测控制(MPC)相融合，不仅具有直接转矩控制结构简单，对电机参数的依赖性较低的优点，同时具有了模型预测控制转矩响应快和控制精度高的特点，从而获得更好的动态性能、鲁棒性，提高了电机调速和悬浮性能。
附图说明
[0014]图1是本专利技术所述的一种无轴承永磁同步发电机鲁棒模型预测控制系统的结构框图；
[0015]图中：1.第一PID模块；2.第二PID模块；3.参考磁链生成模块；4.参考电压生成模块；5.SVP本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
(k+1)，R1为发电绕组定子电阻；ψ
1d
(k+1)、ψ
1q
(k+1)为k+1时刻时d
‑
q轴坐标系的发电绕组磁链幅值。4.根据权利要求1所述的一种无轴承永磁同步发电机鲁棒模型预测控制系统，其特征是：磁链和转矩预测控制器(19)根据式得到发电绕组气隙磁链ψ
m
(k+2)及其相位角μ(k+2)，根据式得到发转矩预测值T
e
(k+2)和转矩磁链预测值ψ1(k+2)，L
1δ
为发电绕组漏感；P1为发电绕组极对数。5.根据权利要求1所述的一种无轴承永磁同步发电机鲁棒模型预测控制系统，其特征是：预测误差补偿模块(18)根据式得到转矩误差
△
T
e
(k+1)，根据式得到转矩磁链误差
△
ψ1(k+1)，P1为发电绕组极对数；
△
i
1q
(k+1)为k+1时刻发电绕组电流变化量，α为电感的变化系数，ω
e
是电角速度，L1是发电机电感，T
s
是采样周期。6.根据权利要求5所述的一种无轴承永磁同步发电机鲁棒模型预测控制系统，其特征是：代价函数计算模块(15)根据式计算出8个代价函数值，7.根据权利要求2所述的一种无轴承永磁同步发电机鲁棒模型预测控制系统，其特征是：第一磁链观测器(10)根据式得...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱熀秋，庄帅，刁小燕，潘伟，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：