基于预测误差补偿的鲁棒型双矢量模型预测磁链控制方法

技术领域

本发明涉及永磁同步电机的控制技术领域，尤其涉及一种基于预测误差补偿的鲁棒型双矢量模型预测永磁同步电机磁链控制方法。

背景技术

永磁同步电机由于具有功率密度高、结构简单等明显优势，广泛应用于许多工业和技术领域，如电动汽车、地铁、船舶推进等。目前，模型预测磁链控制作为一种基于电机模型的控制方法，具有结构简单、动态响应速度快、易于多约束优化等优点，已经成功应用于永磁同步电机驱动领域。

模型预测磁链控制高度依赖于电机参数的准确性，然而这些参数受到温度、磁饱和等外界因素的影响会发生变化，使得预测环节的结果存在偏差，进而影响最优电压矢量组合的选取以及最优电压矢量作用时间的计算结果不准确，降低控制系统的性能。为了解决参数摄动对永磁同步电机驱动系统的负面影响，研究人员提出了一些有效的方法，设计了扰动状态观测器对预测误差和参数扰动进行观测和补偿，但观测器的实现增加了系统的计算负担；此外还将参数辨识算法与模型预测控制相结合，利用辨识得到的系统参数替换原模型中的参数，但系统的参数鲁棒性完全取决于辨识参数的效果，抗扰动性能较差。

为提升双矢量模型预测磁链控制算法的参数鲁棒性，本发明提出一种基于预测误差补偿的鲁棒型双矢量模型预测永磁同步电机磁链控制方法。分别建立延迟补偿、磁链预测以及最优电压矢量作用时间计算各环节的预测误差模型以及误差传递关系，通过在线误差补偿建立各环节独立的误差补偿方案，能够更有效地增强系统对参数失配的鲁棒性，同时具有较高的预测磁链精度。

发明内容

本发明的目的旨在提高双矢量模型预测磁链控制对参数失配的鲁棒性，提出基于预测误差补偿的鲁棒型双矢量模型预测永磁同步电机磁链控制方法，从而提高永磁同步电机驱动系统的预测磁链精度。

一种基于预测误差补偿的鲁棒型双矢量模型预测永磁同步电机磁链控制方法，其特征在于，为降低双矢量模型预测磁链控制算法对电机参数的灵敏度，分别建立延迟补偿、磁链预测以及最优电压矢量作用时间计算各环节的预测误差模型以及误差传递关系，将得到的预测误差分别补偿到各环节中，以提升双矢量模型预测磁链控制算法的参数鲁棒性。

其具体特征如下：

定义L与ψ

电机参数为标称值条件下，延迟补偿环节的估算表达式为

式中，

式中，u

参数失配引起的延迟补偿环节定子磁链预测误差为

式中，

电机参数为标称值条件下，磁链预测环节的估算表达式为

式中，(k+1)T

参数失配引起的磁链预测环节定子磁链预测误差为

式中，ψ

设(k+2)T

式中，

参数失配引起的最优电压矢量作用时间估算环节定子磁链预测误差为

式中，

式中，

忽略式(2)和式(3)中数值较小的第一最优电压矢量

忽略式(6)中数值较小的最优电压矢量作用时间项后，磁链预测环节预测误差近似表示为

将估算得到的预测误差补偿到磁链预测环节中可得

式中，ψ

忽略式(7)和式(8)中数值较小的最优电压矢量作用时间项后，最优电压矢量作用时间计算环节预测误差式(9)近似表示为

将估算得到的预测误差补偿到最优电压矢量作用时间计算环节中可得

式中，ψ

通过计算式(10)～(14)，可实现双矢量模型预测磁链控制算法的预测误差补偿，从而提高电机参数失配时的预测磁链精度。

附图说明

图1是基于预测误差补偿的鲁棒型双矢量模型预测磁链控制系统框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明提出的基于预测误差补偿的鲁棒型双矢量模型预测磁链控制方法是在一般的表贴式永磁同步电机数字控制驱动系统所具有的硬件基础上实现的。最基本的硬件包括永磁同步电机、数字信号处理器、绝对位置编码器、无接触式霍尔电流传感器、逆变器和直流电源。系统控制算法是在数字信号处理器中完成的。本发明整体系统框图如图1所示。本发明依靠离散算法实现，通过数字信号处理器完成具体实施。

控制系统中各个轴线之间的关系规定为：ABC三相定子坐标系A相绕组的轴线与αβ两相静止坐标系下的α轴线重合，当以永磁转子永磁磁场定向的dq同步旋转坐标系下的直轴 (d轴)与A相绕组的轴线重合时作为转子位置电角度θ

首先，假设永磁同步电机三相绕组完全对称，不考虑涡流损耗和磁滞损耗。然后，利用无接触式霍尔电流传感器对永磁同步电机ABC三相定子电流i

再将αβ两相静止坐标系下α轴电流i

/>

表贴式永磁同步电机的电压方程和磁链方程为

式中，u

根据式(17)和式(18)得到相应的状态方程

利用采样周期T

式中，ψ

式中，u

由于数字控制系统存在保持和计算环节，存在一拍延时，时滞问题会降低系统的控制性能。故在kT

其中

式中，(k+1)T

设(k+2)T

(k+2)T

式中，ψ

根据无差拍原理，令

由上式(20)～(26)可以看出，模型预测磁链控制高度依赖于电机参数L、R和ψ

定义L与ψ

电机参数为标称值条件下，延迟补偿环节的估算表达式为

式中，

参数失配引起的延迟补偿环节定子磁链预测误差为

式中，

将式(20)和式(27)代入式(30)中，可得

式中，

从式(31)中可以看出，延迟补偿环节预测磁链误差与kT

/>

式中，(k+1)T

参数失配引起的磁链预测环节定子磁链预测误差为

式中，

将式(23)和式(32)代入式(33)中，可得

从式(34)可知，磁链预测误差由参数失配在本环节产生的误差和延迟补偿环节传递的误差两部分组成，从而影响代价函数的评定，不能选取最优电压矢量组合作用于电机。

同样，当参数失配时，最优电压矢量作用时间计算环节本身会产生误差，同时还会受到磁链预测环节传递来的误差。设(k+2)T

式中，

电机参数为标称值条件下的(k+2)T

参数失配引起的最优电压矢量作用时间计算环节定子磁链预测误差为

式中，

将式(26)和式(37)代入式(38)中，可得

其中

在上述基础上，建立各环节独立的误差补偿机制。考虑到模型的采样周期时微秒级，对应的各有效电压矢量作用时间也是微秒级，因此忽略式(28)和式(29)中数值较小的第一最优电压矢量

忽略式(34)中数值较小的最优电压矢量作用时间项后，磁链预测环节预测误差近似表示为

将估算得到的预测误差补偿到磁链预测环节中可得

式中，

忽略式(35)和式(36)中数值较小的最优电压矢量作用时间项后，最优电压矢量作用时间计算环节预测误差式(39)近似表示为

将上述估算得到的预测误差补偿到最优电压矢量作用时间计算环节中可得

/>

式中，

通过计算式(40)～(44)，可实现双矢量模型预测磁链控制算法的预测误差补偿，从而提高电机参数失配时的预测磁链精度。

本发明提出了一种基于预测误差补偿的鲁棒型双矢量模型预测永磁同步电机磁链控制方法。通过对电机参数失配引起双矢量模型预测磁链控制算法性能下降的问题进行研究，分别建立延迟补偿、磁链预测以及最优电压矢量作用时间计算各环节的预测误差模型以及误差传递关系，并建立各环节独立的误差补偿方案，相比于传统双矢量模型预测磁链控制算法能够增强对参数失配的鲁棒性，提高了永磁同步电机控制系统的预测磁链精度。

以上实施例显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。所属领域的普通技术人员应当理解：以上实施例的讨论仅为实例性的。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。