一种背烧永磁电机薄膜电容驱动系统预测控制方法及系统

技术领域

本发明涉及永磁电机控制，具体是涉及一种自动背烧设备中的永磁电机薄膜电容驱动系统预测控制方法及系统。

背景技术

永磁电机驱动系统应用广泛，被广泛应用于各类设备中，例如为了替代船舶人工背烧作业，实现高效率的自动背烧设备研制，通常使用永磁电机作为驱动电机使用，但在自动背烧设备驱动系统中，环境温度和湿度通常较高，工作环境较为恶劣。而驱动系统中的电解电容寿命易受环境影响，在高温潮湿环境下可靠性降低。所以当永磁电机驱动系统长时间处于钢板自动背烧作业时，容易引发驱动系统故障。且据有关统计，电机驱动系统中大约60％的电路故障是由于电解电容故障引发的。电解电容作为驱动系统的直流环节的薄弱环节，对驱动系统的可靠性具有重要影响，为了提升驱动系统的可靠性，降低故障率，薄膜电容驱动系统逐渐受到了变频驱动领域的关注。

薄膜电容驱动系统通常使用低容值薄膜电容取代大容值电解电容，用来提高系统的集成度和降低设备的故障率。但由于薄膜电容的容值通常较低，降低了系统的阻尼，导致直流环节电压会出现振荡，因此需要对振荡电压进行抑制，目前主要的抑制方案是通过阻尼补偿被动的抑制直流环节电压振荡和电流谐波，但过度提升系统阻尼将导致系统响应变慢，主动阻尼的方式也对振荡的抑制效果较差。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提供一种不影响系统响应的、振荡抑制效果好的背烧永磁电机薄膜电容驱动系统预测控制方法及系统。

技术方案：为解决上述问题，本发明采用一种背烧永磁电机薄膜电容驱动系统预测控制方法，包括以下步骤：

(1)采集永磁电机薄膜电容驱动系统的系统参数；

(2)构建预测模型，包括直流环节电压预测方程和永磁电机电流预测方程；所述永磁电机电流预测方程通过建立永磁电机电流超局域模型，并基于扩张状态观测器得到；

(3)基于采集的系统参数通过预测模型预测得到永磁电机d轴电流预测值、永磁电机q轴电流预测值、驱动系统直流环节电压预测值；

(4)根据永磁电机d轴电流预测值、永磁电机q轴电流预测值、驱动系统直流环节电压预测值计算各开关状态下的代价函数，确定开关状态，输出并控制逆变器开关管的导通和关断。

进一步的，所述步骤(2)中永磁电机电流超局域模型为：

其中，i

进一步的，永磁电机电流超局域模型中的I

其中，e为观测误差矩阵，e＝[e

进一步的，所述永磁电机电流预测方程为：

其中，k为当前控制步长，T

进一步的，所述直流环节电压预测方程为：

其中，k为当前控制步长，T

进一步的，通过LC滤波器的全阶状态观测器，观测LC滤波器的电感电流。

进一步的，所述永磁电机薄膜电容驱动系统直流环节电流的计算公式为：

其中，

进一步的，所述代价函数为：

其中，α

进一步的，权重系数α

其中，i

本发明还采用一种永磁电机驱动系统直流环节电压预测控制系统，包括：

采集模块，用于采集永磁电机薄膜电容驱动系统的系统参数；

模型构建模块，用于构建预测模型，包括直流环节电压预测方程和永磁电机电流预测方程；所述永磁电机电流预测方程通过建立永磁电机电流超局域模型，并基于扩张状态观测器得到；

预测模块，用于基于采集的系统参数通过预测模型预测得到永磁电机d轴电流预测值、永磁电机q轴电流预测值、驱动系统直流环节电压预测值；

控制模块，用于根据永磁电机d轴电流预测值、永磁电机q轴电流预测值、驱动系统直流环节电压预测值计算各开关状态下的代价函数，确定开关状态，输出并控制逆变器开关管的导通和关断。

有益效果：本发明相对于现有技术，其显著优点是通过选择最有利于电机系统控制的电压矢量，而不是在电机的控制变量上叠加阻尼信号，在不影响系统响应的同时更有效的控制了直流环节电压；利用扩张状态观测器重构了永磁电机的电流方程，提高了预测环节的鲁棒性；设计了LC滤波器的全阶状态观测器，观测LC滤波器的电感电流，降低了控制方法的硬件成本；设计基于指数函数的动态权重系数设计方法，加快了动态过程中直流环节电压的收敛性能，兼顾了直流环节电压与电机电流的约束性能；实验结果表明，直流环节电压预测控制下的永磁电机薄膜电容驱动控制系统具有较好的直流环节电压振荡抑制性能。

附图说明

图1为本发明中薄膜电容驱动系统硬件拓扑结构图。

图2为本发明中薄膜电容驱动系统特征方程参数与系统功率的关系；图2(a)为特征方程中a

图3为本发明中全阶状态观测器观测实验结果；图3(a)为直流环节电压与其观测值的关系，图3(b)为直流环节电流与其观测值的关系。

图4为本发明中动态权重系数实验结果对比图；图4(a)为归一化固定权重系数的实验结果；图4(b)为基于指数函数的动态权重系数实验结果。

图5为本发明中薄膜电容驱动系统直流环节电压预测控制方法结构图。

图6为本发明中薄膜电容驱动系统额定工况下进行直流环节电压预测约束的实验测试对比图；图6(a)为有无电压预测约束下q轴电流的实验结果对比图，图6(b)为有无电压预测约束下直流环节电压的实验结果对比图。

图7为本发明中薄膜电容驱动系统有无直流环节电压约束的启动实验结果对比图；图7(a)为无直流环节电压约束时的启动实验结果，图7(b)为有直流环节电压约束时的启动实验结果。

图8为本发明中薄膜电容驱动系统有无直流环节电压约束的突加负载实验结果对比图；图8(a)为无直流环节电压约束时的突加负载实验结果，图8(b)为有直流环节电压约束时的突加负载实验结果。

图9为本发明中薄膜电容驱动系统有无扩张状态观测器的实验结果对比图；图9(a)采用扩张状态观测器时直流环节电压的谐波分布情况，图9(b)不采用扩张状态观测器时直流环节电压的谐波分布情况。

具体实施方式

如图5所示，本实施例中一种背烧永磁电机薄膜电容驱动系统预测控制方法，包括以下步骤：

(1)采集永磁电机薄膜电容驱动系统的系统参数；

(2)构建预测模型，包括直流环节电压预测方程和永磁电机电流预测方程；所述永磁电机电流预测方程通过建立永磁电机电流超局域模型，并基于扩张状态观测器得到；

(3)基于采集的系统参数通过预测模型预测得到永磁电机d轴电流预测值、永磁电机q轴电流预测值、驱动系统直流环节电压预测值；

(4)根据永磁电机d轴电流预测值、永磁电机q轴电流预测值、驱动系统直流环节电压预测值计算各开关状态下的代价函数，确定开关状态，输出并控制逆变器开关管的导通和关断。

本实施例中所讨论的驱动系统为一般型直流供电驱动系统，硬件拓扑结构如图1所示，涉及电机为表贴式永磁电机。以某永磁电机薄膜电容驱动系统的样机参数为根据搭建测试样机。样机具体参数为：输入电压为300V，LC滤波器电阻为0.5Ω，LC滤波器电感为4mH，LC滤波器电容为90μF，电机定子电阻为1.616Ω，电机定子电感为11.47mH，额定转矩为8Nm，额定电流为4A，额定转速为1000rpm，极对数为5，转动惯量为0.0024Kg·m2。

根据直流供电的永磁电机驱动系统的数学模型，推导驱动系统的LC滤波器与永磁电机驱动系统直流环节电压的振荡机理方程：

式中，i

根据式(1)的直流环节电压振荡方程，通过小信号分析可以发现，系统的小信号阻抗为负值：

负阻抗会破坏系统的稳定性，可通过对驱动系统直流环节的LC滤波器建模证明，根据薄膜电容驱动系统的拓扑结构，建立逆变桥前端的LC滤波器状态方程，分析稳定性与负阻抗特性的关系，LC滤波器的数学模型为：

式中，L为LC滤波器电感值，v

对LC滤波器的数学模型进行拉普拉斯变换后，推导得到系统的特征方程：

根据劳氏判据可得，当a

为了抑制负阻抗对系统的不利影响，可通过抑制直流环节电压的动态值实现，利用前向欧拉方法对式(3)进行离散化，简单推导后可以得到永磁电机薄膜电容驱动系统直流环节电压预测方程为：

式中，k为当前控制步长，T

为了预测直流环节电压，还需确定电感电流i

式中，

为了求解直流环节电流的准确值，建立永磁电机的电流超局域模型：

式中，i

通过前向欧拉离散方法离散电流超局域模型，简单整理后可得永磁电机电流的预测方程：

式中，

为了降低系统扰动对预测模型的影响，提高预测方程的鲁棒性，根据式(6)建立扩张状态观测器：

式中，e为观测误差矩阵，e＝[e

利用前向欧拉离散方法对扩张状态观测器进行离散：

式中，利用上一时刻输出的电压值

根据扩张状态观测器的离散方程，得到永磁电机的鲁棒电流预测方程：

根据永磁电机的逆变器功率等效原理，忽略逆变器的损耗，利用电机侧状态变量，估计直流环节电流：

式中，

确定直流环节电压的参考值，通过带宽为ω

式中，

预测控制的代价函数为：

式中，α

不同量纲之间的代价约束需要进行权重系数设计，对于基于归一化的权重系数配置方案：

式中，i

为了提高直流环节电压的约束性能，在振荡电压低时(例如10V以内)提供较低的电压约束性能，振荡电压高(例如10V以上)时，提高更快的电压约束能力，提出基于指数函数的直流环节电压约束方案：

动态权重系数的实验结果见图4，当采用动态权重系数约束时，直流环节电压的约束速度明显加快，系统进入稳定的速度加快。另：指数函数的直流环节电压约束方案中“10”这个系数可以根据系统自由选择，例如对于直流母线电压为24V的系统，该值可以选取额定值的10％(例如，3V)来设计系统。

总结永磁电机薄膜电容驱动系统模型预测控制的代价函数：

根据上述描述，提出了如图5所示的永磁电机薄膜电容驱动系统控制结构图，针对本实施例中采用的表贴式永磁电机，采用d轴参考电流为零的控制策略，q轴电流参考值通过转速外环得到，该外环的参数配置及设计方法与目前常见的矢量控制方法一致，在此不再赘述，控制集采用基本电压矢量控制集(即逆变器固定的八种开关状态)。

对薄膜电容驱动系统的直流环节电压约束进行了对比测试，实验结果如图6所示，电机工作在额定工况时，系统功率较大，当加入电压约束时，电压没有出现振荡现象，当撤销电压约束时(配置电压约束权重系数为0)，直流环节电压和电机的q轴电流都出现了不同程度的电压振荡。薄膜电容驱动系统采取必要的直流环节电压稳定控制措施，对系统振荡具有有效抑制作用。

对薄膜电容驱动系统的启动性能进行了对比测试，实验结果如图7所示，当未采用直流环节电压约束控制时，由于启动瞬间系统的功率较大，直流环节电压出现了振荡现象，而随启动过程结束，直流环节电压振荡消失。当加入直流环节电压约束时，电机启动过程平稳，没有振荡现象发生。

对薄膜电容驱动系统的突加负载进行了对比测试，实验结果如图(8)所示。当未加入电压约束时，突加负载，直流环节电压会出现较大的振荡现象，且随功率稳定而持续出现，但当加入直流环节电压约束时，直流环节电压并没有振荡现象，这充分说明了直流环节电压约束的有效性。

验证扩张状态观测器对直流环节电压振荡的影响情况，实验结果如图(9)所示，当未采用扩张状态观测器构建永磁电机电流数学模型时，由于系统中存在未知扰动，对直流环节电流的估测存在偏差，因此直流环节的谐波要偏大，而采用扩张状态观测器后，系统未知扰动得到补偿，直流环节电流的估测准确，直流环节电压的预测值也准确，直流环节电压的纹波抑制能力更强。