一种永磁同步电机快速双矢量无模型预测控制方法

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机控制方法，具体是一种永磁同步电机快速双矢量无模型电流预测控制方法。

背景技术

永磁同步电机(Permanet-Magnet Synchronous Motor,PMSM)具有体积小、效率高、过载能力强等优势，在中小功率、高精度、宽调速范围伺服控制系统以及高性能专业驱动领域获得了较为广泛的关注和研究。

目前，PMSM驱动系统的常用算法是矢量控制和直接转矩控制。矢量控制将定子电流分解为励磁电流分量和转矩分量分别控制，具有较好的稳态运行能力，但其动态性能容易受到电流内环的影响。直接转矩控制将电机和逆变器视为一个整体，对电机的电磁转矩和磁链进行直接控制，避免了矢量控制中复杂的坐标变换和电流环，具有较好的鲁棒性和响应速度，但通常具有较大的转矩脉动。近年来，模型预测控制(Moedl PredictiveControl，MPC)因其在处理非线性系统复杂约束优化方面表现出极大的优势，故在电力电子和电机驱动领域正逐步受到关注。MPC诞生于上世纪六十年代，随着微控制器的高速发展近年来在电力电子中的应用成为研究热点。MPC技术应用于永磁同步电机控制系统，能够提供高速动态响应和优异的稳态性能，MPC应用于PMSM控制系统的研究具有重要的应用价值。

然而，传统的MPC非常依赖机器参数的准确性。实际上，机器参数可能会随着操作点和环境而发生变化；例如，温度变化时会影响到电机的定子电阻以及定子电感，如果不考虑到参数的变化，MPC的性能会发生较为显著的恶化，可能会出现电机运行期间噪声增加，电流会产生稳态误差等一系列问题。

发明内容

针对上述现有技术的改进需求，本发明提供了一种PMSM快速双矢量无模型电流预测控制方法。该控制方法仅需使用系统的输入和输出，不需考虑电机参数，同时在一个控制周期内作用了两个电压矢量，并且运用了快速矢量选择的方法对参考电压矢量定位。相比与传统控制方法，抗参数变化的鲁棒性得到了提升、同时兼顾了受控系统的稳态控制精度和算法快速性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种PMSM快速双矢量无模型电流预测控制方法，具体包括：

步骤一：基于PMSM系统的输入和输出，建立PMSM驱动系统的电流超局部模型，之后基于超局部模型设计PMSM系统的无模型电流预测方程。

步骤二：将快速矢量选择方法与双矢量预测控制方法相结合，通过步骤一所述的无模型预测方程推导得出参考电压矢量U

进一步地，所述步骤一具体包括：根据PMSM系统的输入和输出，建立PMSM驱动系统的电流超局部模型，其中未知项F是基于扩张状态观测器进行设计，之后利用一阶欧拉离散方法建立出PMSM的无模型电流预测方程。

进一步地，所述步骤二具体包括：

a.将快速矢量选择方法与双矢量预测控制方法相结合，通过式(4)计算参考电压矢量U

b.设参考电压矢量U

①若u

②若u

③若u

令中间值M

c.根据价值函数式(6)，选出第一电压矢量V

d.将第一电压矢量V

e.将第一电压矢量V

对比现有的技术，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要有以下优点：

(1)传统的预测控制方法非常依赖机器参数的准确性，当机器参数不准确时，可能会出现电机运行期间噪声增加，电流产生稳态误差等问题。而本专利所提出的永磁同步电机无模型预测控制方法仅使用系统的输入和输出，不需考虑电机参数，具有更好的抗干扰性能。

(2)本方法将快速矢量选择和双矢量预测控制相结合，在提高了系统稳态控制精度的同时优化了算法耗时，提升了系统的控制性能。

(3)本方法结构简单、计算量小、易于实现，运用于PMSM控制系统当中，电机的动态响应速度快，定子电流纹波和畸变较小，开关频率较低，系统的动态和稳态性能较为优异。

附图说明

图1是本发明一种永磁同步电机快速双矢量无模型预测控制方法结构示意图；

图2是两电平逆变器输出的基本电压矢量分布图；

图3是快速矢量选择原理图；

图4是本发明的控制流程图；

图5为本发明的主电路拓扑示意图；

图6是本发明的转速变化曲线示意图；

图7是本发明的电磁转矩变化曲线示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及具体的实施例，对本发明进行进一步的详细说明。根据权利要求书和下面具体实施方式，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，此处进行的具体的实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

图1是本发明实施例公开的一种永磁同步电机快速双矢量无模型预测控制方法结构示意图，采用i

首先，基于PMSM系统的输入和输出，建立PMSM系统的超局部模型，其表达式为

其中：α

采用一阶欧拉离散法将上式离散化可得PMSM系统的无模型电流预测方程

式中：

式中：

图2是两电平逆变器输出的基本电压矢量分布，从图中可以看出共有8个待选的电压矢量。快速矢量选择的扇区划分如图3所示，运用快速矢量选择方法对参考电压矢量定位，用以降低控制算法的复杂度和计算量，快速矢量选择方法具体如下：

基于PMSM的超局部模型获得的定子电流预测公式已由式(2)给出，若想要在下一采样时刻达到定子电流指令，将i

设参考电压矢量U

如图3所示，将参考电压矢量U

定义M

④若u

⑤若u

⑥若u

令中间值M

最后，采用双矢量预测控制的方式用以提高受控系统的稳态精度，根据之前的快速矢量选择策略可知，在定位U

在进行第一最优电压矢量选取时，将中心电压矢量和零矢量对应的价值函数进行比较，选取得出第一最优电压矢量，即确定为第一电压矢量V

u

u

式中，t

两个矢量的作用时间是通过q轴电流无差拍的方式来计算，即在一个采样周期中，通过分配两个矢量的作用时间使得i

根据上式可得第一个以及第二个电压矢量的作用时间

式中，k

如图4：一种永磁同步电机快速双矢量无模型预测控制方法的流程示意图所示，本方法包括以下步骤：

1.1、根据PMSM系统的输入和输出，建立PMSM驱动系统的电流超局部模型式(1)，其中未知项F是基于扩张状态观测器进行设计；

1.2、利用一阶欧拉离散方法建立出PMSM的无模型电流预测方程式(2)。

2.1、将快速矢量选择方法与双矢量预测控制方法相结合，通过式(4)计算参考电压矢量U

2.2、设参考电压矢量U

⑦若u

⑧若u

⑨若u

令中间值M

2.3、根据价值函数式(6)，选出第一电压矢量V

2.4、将第一电压矢量V

2.5、将第一电压矢量V

图5为本发明一种永磁同步电机快速双矢量无模型预测控制方法的主电路拓扑。从图中可以看出，整个主电路共有6个开关管，可以产生8组基本电压矢量，其中有效电压矢量一共有7组。

图6为本发明的转速变化曲线示意图，从效果示意图中可以看出，当电机从0上升至参考转速时，响应速度较快，在t＝0.3s时突加了负载转矩，电机很快的恢复到给定的参考转速，具有较好的动态性能。

图7为本发明的电磁转矩变化曲线示意图，从示意图中可看出，电磁转矩稳态下波动较低，稳态性能较好。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。