无轴承永磁同步电机预测控制器及构造方法与流程

本发明属于电力传动控制设备的
技术领域：
，涉及一种多变量、非线性、强耦合、的无轴承永磁同步电机，无轴承永磁同步电机在密封泵、高速精密机械加工、航空航天、飞轮储能、生命科学、真空技术等领域均具有广泛的应用，适用于多种无轴承电机的高性能控制，通过对电机转矩和悬浮力进行解耦控制，能够实现电机转子稳定悬浮和运行。
背景技术：
：要实现无轴承永磁同步电机的精确控制，首先要对转矩与悬浮力进行解耦。采用矢量控制策略能够实现转矩与悬浮力的精确解耦，但同时也给控制系统带来大量的复杂的矢量变换计算，不利于控制系统性能的提高。直接转矩控制(DTC)有着算法简单、鲁棒性高等优点，能够弥补矢量控制策略存在的不足，它摒弃了矢量控制中系统过多依赖于电机参数以及矢量坐标变换的复杂性使得实际的控制效果难以达到理论分析的结果的控制思想，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及转矩进行控制，是一种高性能变频调速控制方法，具有对电机模型参数的依赖程度小的优点。传统的直接转矩和直接悬浮力控制策略是：定子磁链与电磁转矩是根据当前采样点的电压与电流值计算得到，并根据DTC策略得到相应的目标电压矢量，理想情况下该电压矢量在采样点k时刻施加，在k+1时刻使转矩与磁链达到给定值，但由于采样及数字计算的延迟，期望电压矢量实际上是在一个采样周期后，即k+l时刻施加，在k+2时刻才使转矩与磁链达到给定值，这使得转矩与磁链的响应始终滞后一个开关周期，降低了电机系统的运行性能。因此，传统的直接转矩和直接悬浮力控制策略中，由于采样和计算的延时，使目标电压矢量只能在下一个采样周期才能作用于系统，这样就使磁链、转矩和悬浮力的响应始终滞后一个周期，造成磁链、转矩和悬浮力的波动变大。技术实现要素：本发明的目的是为了解决无轴承永磁同步电机采用传统的直接转矩和直接悬浮力控制存在的问题，提出一种新的无轴承永磁同步电机预测控制器及该预测控制器的构造方法，预测控制器能预测无轴承永磁同步电机下一时刻的磁链、转矩和悬浮力，减小由于采样和数字计算的延迟造成的控制误差，削弱控制延时造成转矩、磁链和悬浮力的波动。本发明无轴承永磁同步电机预测控制器采用的技术方案是：包含电流传感器和Clack变换器，电流传感器的输出端连接Clark变换器的输入端，Clark变换器的输出端分别连接转矩绕组磁链与转矩初始观测模块以及悬浮力绕组磁链初始观测模块的输入端，悬浮力绕组磁链初始观测模块的输出端连接悬浮力绕组磁链预测模块的输入端，悬浮力绕组磁链预测模块的输出端连接悬浮力观测模块的输入端；所述转矩绕组磁链与转矩初始观测模块的输出端分别连接转矩绕组磁链与转矩预测模块和转矩与电压变换模块的输入端，转矩绕组磁链与转矩预测模块的输出端分别连接悬浮力观测模块、电压变换模块和悬浮力与电压变换模块的输入端，转矩与电压变换模块的输出端依次串接第一SVPWM和第一电压型逆变器；悬浮力与电压变换模块的输出端依次串接第二SVPWM和第二电压型逆变器。进一步地，电流传感器检测到悬浮力绕组上的电流i2a、i2b、i2c和转矩绕组上的电流i1a、i1b、i1c，与第一电压型逆变器的直流电压UDC1和第二电压型逆变器的直流电压UDC2一起输入Clark变换器，Clark变换器输出α-β坐标系下的悬浮力绕组上的电流i2α、i2β、电压u2α、u2β和转矩绕组上的电流i1α、i1β、电压u1α、u1β；电流i2α、i2β和电压u2α、u2β输入悬浮力绕组磁链初始观测模块，悬浮力绕组磁链初始观测模块初始观测下的悬浮力绕组磁链幅值ψs2(k)及相位λ，悬浮力绕组磁链预测模块输出下一时刻的悬浮力绕组磁链幅值ψs2(k+1)及相位λ；电流i1α、i1β和电压u1α、u1β输入到转矩绕组磁链与转矩初始观测模块，转矩绕组磁链与转矩初始观测模块输出初始观测下的初始转矩Te(k)、磁链ψs1(k)和相位角θ，转矩绕组磁链与转矩预测模块输出预测的下一时刻的转矩绕组磁链幅值ψs1(k+1)、转矩绕组合成气隙磁链幅值ψm1(k+1)、相位μ和预测的下一时刻转矩Te(k+1)，转矩绕组磁链幅值ψs1(k+1)输入转矩与电压变换模块，转矩绕组合成气隙磁链幅值ψm1(k+1)及相位μ输入悬浮力观测模块和悬浮力与电压变换模块，悬浮力观测模块输出悬浮力的值Fα(k+1)、Fβ(k+1)。本发明无轴承永磁同步电机预测控制器的构造方法采用的技术方案是：首先构造转矩绕组磁链与转矩初始观测模块，再依次构造转矩绕组磁链与转矩预测模块、转矩与电压变换模块、构造悬浮力与电压变换模块、悬浮力观测器、悬浮力绕组初始磁链观测模块和悬浮力绕组磁链预测模块，最后由所构造的7个模块与第一、第二电压型逆变器、第一、第二SVPWM以及两个PID调节器、两个PI调节器一起共同构成无轴承永磁同步电机预测控制器。本发明采用上述技术方案后的优点在于：1、本发明采用转矩和悬浮力直接控制来实现无轴承永磁同步电机的高性能控制，将无轴承永磁同步电机复杂非线性强耦合系统的转矩和转子径向悬浮力控制问题转化为简单的直接转矩和直接悬浮力控制系统，很容易实现电机转矩和悬浮力之间的直接控制。具有控制结构简单，转速响应快，优良的动静态性能，对电机参数表现出强的鲁棒性等优点，摆脱了传统矢量控制过多依赖于电机参数、复杂的矢量坐标变换、电流跟踪型逆变器开关频率高的缺点。也摆脱了处于开环状态的悬浮力矢量控制对悬浮力控制精度和动态响应性能的限制。2、本发明无轴承永磁同步电机预测控制器采用预测直接转矩和预测直接悬浮力控制策略，能通过当前采样周期的磁链和转矩预测出下一周期磁链、转矩和悬浮力值，利用初始观测的转矩、磁链、悬浮力的值，得出相应的目标电压矢量，在下一周期就能施加合适的电压矢量。避免延时带来的转矩、悬浮力脉动和磁链纹波等问题，有效弥补了时间延时对系统性能的影响。同时也保留了传统SVM调制直接转矩和直接悬浮力控制优良的动态特性，提高了系统性能和鲁棒性。附图说明图1是本发明无轴承永磁同步电机预测控制器的结构框图；图2是图1中的转矩绕组磁链与转矩初始观测模块1的构造原理图；图3是图1中的转矩绕组磁链与转矩预测模块2的构造原理图；图4是图1中的转矩与电压变换模块3的构造原理图；图5是图1中的悬浮力与电压变换模块4的构造原理图；图6是图1中的悬浮力观测模块5的构造原理图；图7是图1中的悬浮力绕组初始磁链观测模块6的构造原理图；图8是图1中的悬浮力绕组磁链预测模块7的构造原理图。图中：1.转矩绕组磁链与转矩初始观测模块；2.转矩绕组磁链与转矩预测模块；3.转矩与电压变换模块；4.悬浮力与电压变换模块；5.悬浮力观测模块；6.悬浮力绕组磁链初始观测模块；7.悬浮力绕组磁链预测模块；8.永磁同步电机预测控制器；9.Clack变换器；10、11.SVPWM；12、13.PI调节器；14、15.PID调节器；16.光电编码器；17、18.电涡流位移传感器；19.电压型逆变器；20.电压型逆变器；21.电流传感器；22.预测直接悬浮力控制器；23.预测直接转矩控制器。具体实施方式参见图1，本发明无轴承永磁同步电机预测控制器8包含电流传感器21、Clack变换器9、预测直接悬浮力控制器22和预测直接转矩控制器23。其中，预测直接悬浮力控制器22由电压型逆变器19、SVPWM11(即空间矢量脉宽调制模块11)、悬浮力与电压变换模块4、悬浮力绕组磁链初始观测模块6、悬浮力绕组磁链预测模块7、悬浮力观测模块5以及PID调节器14和PID调节器15组成。预测直接转矩控制器23由转矩绕组磁链与转矩初始观测模块1、转矩绕组磁链与转矩预测模块2、电压型逆变器20、SVPWM10、转矩与电压变换模块3以及PI调节器12和PI调节器13组成。电流传感器21检测无轴承永磁同步电机的悬浮力绕组上的电流i2a、i2b、i2c和转矩绕组上的电流i1a、i1b、i1c，电流传感器21的输出端连接Clark变换器9的输入端，Clark变换器9的输出端分别连接转矩绕组磁链与转矩初始观测模块1以及悬浮力绕组磁链初始观测模块6的输入端。同时将电压型逆变器20的直流电压UDC1和电压型逆变器19的直流电压UDC2也输入Clark变换器9。Clark变换器9对输入信号进行处理，悬浮力绕组上的电流i2a、i2b、i2c生成α-β坐标系下的电流i2α、i2β、电压u2α、u2β，转矩绕组上的电流i1a、i1b、i1c生成α-β坐标系下的电流i1α、i1β、电压u1α、u1β。Clark变换器9输出电流i2α、i2β、电压u2α、u2β、电流i1α、i1β、电压u1α、u1β信号。其中的电流i2α、i2β、电压u2α、u2β信号输入到悬浮力绕组磁链初始观测模块6，得到初始观测下的悬浮力绕组磁链幅值ψs2(k)及相位λ。悬浮力绕组磁链初始观测模块6的输出端连接悬浮力绕组磁链预测模块7的输入端，悬浮力绕组磁链预测模块7的输出端连接悬浮力观测模块5。浮力绕组磁链幅值ψs2及相位λ经过悬浮力绕组磁链预测模块7，得到观测出的下一时刻的悬浮力绕组磁链幅值ψs2(k+1)及相位λ。将悬浮力绕组磁链幅值ψs2(k+1)及相位λ输入到悬浮力观测模块5，将转矩绕组磁链与转矩预测模块2输出的预测出的转矩绕组合成气隙磁链幅值ψm1(k+1)及相位μ也输入悬浮力观测模块5，悬浮力观测模块5根据输入的悬浮力绕组磁链幅值ψs2(k+1)、相位λ以及转矩绕组合成气隙磁链幅值ψm1(k+1)、相位μ计算出预测实时的悬浮力的值Fα(k+1)和Fβ(k+1)并输出。其中的电流i1α、i1β、、电压u1α、u1β信号输入到转矩绕组磁链与转矩初始观测模块1，转矩绕组磁链与转矩初始观测模块1的输出端分别连接转矩绕组磁链与转矩预测模块2和转矩与电压变换模块3的输入端，转矩绕组磁链与转矩预测模块2的输出端分别连接悬浮力观测模块5、电压变换模块3和悬浮力与电压变换模块4的输入端，电压变换模块3的输出端连接依次串接SVPWM10和电压型逆变器20，电压型逆变器20控制无轴承永磁同步电机的。转矩绕组磁链与转矩初始观测模块1对输入的电流i1α、i1β、、电压u1α、u1β信号进行处理，得到初始观测下的初始转矩Te(k)、磁链ψs1(k)和相位角θ，将初始转矩Te(k)、磁链ψs1(k)与电压u1α、u1β输入到转矩绕组磁链与转矩预测模块2，生成预测的下一时刻的转矩绕组磁链幅值ψs1(k+1)、转矩绕组合成气隙磁链幅值ψm1(k+1)、相位μ和预测的下一时刻转矩Te(k+1)。其中，转矩绕组合成气隙磁链幅值ψm1(k+1)和相位μ分别输入悬浮力观测模块5和悬浮力与电压变换模块4。采用光电编码器16检测无轴承永磁同步电机转子的实际实际转速ω，将实际转速ω与转速指令值ω*的比较得到的转速差值输入到PI调节器12中，调制后生成转矩指令值然后与转矩绕组磁链与转矩预测模块2输出的下一时刻转矩Te(k+1)比较得到差值，将该转矩差值输入到PI调节器13中进行调制得到转矩绕组磁链相位角增量Δδ；将磁链相位角增量Δδ、磁链指令值下一时刻的转矩绕组磁链幅值ψs1(k+1)和相位角θ输入到转矩与电压变换模块3中，电压变换模块3生成两相静止坐标下的控制转矩的电压指令值和将电压指令值和变量输入到空间脉宽调制模块SVPWM10中得到逆变器开关信号S1a、S1b、S1c，再输入给电压型逆变器20，电压型逆变器20控制无轴承永磁同步电机的转矩绕组。其中UDC1为电压型逆变器20的直流电压，也被称为母线电压。采用电涡流位移传感器17和电涡流位移传感器18分别检测无轴承永磁同步电机转子的x轴与y轴的实时径向位移值x、y，将实时径向位移值x、y分别与转子位移指令值x*、y*分别对应地进行比较得到位移差值，将两组位移差值各输入到对应PID调节器中，即x轴位移差值输入到PID调节器14中，y轴位移差值输入到PID调节器15中，PID调节器14调制后生成x轴悬浮力指令值PID调节器15调制后生成y轴悬浮力指令值两个浮力指令值分别与悬浮力观测模块5输出的实时悬浮力Fα(k+1)和Fβ(k+1)进行比较得到对应的力的差值ΔFα和ΔFβ。将力的差值信号ΔFα和ΔFβ以及预测出的转矩绕组合成气隙磁链幅值ψm1(k+1)和相位μ输入到悬浮力与电压变换模块4，最终生成改变气隙平衡磁场的电压指令值和悬浮力与电压变换模块4的输出端依次串接空间脉宽调制模块SVPWM11和电压型逆变器19。然后将电压指令值和变量输入到SVPWM11中得到逆变器开关信号S2a、S2b、S2c，再输入给电压型逆变器19，此电压型逆变器19控制无轴承永磁同步电机的悬浮力绕组。无轴承永磁同步电机预测控制器8的具体构造方案分以下8步：1、如图2所示，首先构造转矩绕组磁链与转矩初始观测模块1。初始观测下的转矩Te(k)、磁链ψs1(k)和相位角θ的产生是由以下几个变量得到的：α-β坐标系下转矩绕组的电流i1α、i1β，电压u1α、u1β、定子绕组电阻Rs、转矩绕组极对数np，根据以下表达式构造转矩绕组磁链与转矩初始观测模块1：ψs1α=∫(u1α-Rsi1α)dtψs1β=∫(u1β-Rsi1β)dt|ψs1(k)|=ψs1α2+ψs1β2θ=arctan(ψs1β/ψs1α).]]>Te(k)＝3np(ψs1ai1β-ψs1βi1α)/22、如图3所示，构造转矩绕组磁链与转矩预测模块2。为了获取预测的下一时刻的转矩Te(k+1)、转矩绕组磁链幅值ψs1(k+1)、转矩绕组合成气隙磁链幅值ψm1(k+1)和相位μ。需要由转矩绕组磁链与转矩初始观测模块1提供的初始观测的转矩Te(k)、磁链ψs1(k)以及α-β坐标系下转矩绕组的电压u1α、u1β，下一时刻的磁链由初始磁链经过一个采样周期Ts推算得到；下一时刻d-q轴的转矩绕组电流i1d(k+1)、i1q(k+1)由初始转矩绕组的电流i1d(k)、i1q(k)、电压u1d、u1q、初始转速ω(k)、绕组电感Ld、Lq、永磁磁链ψf经过一个采样周期Ts推算得到；这样就可以根据磁链和电流的关系，估算出下一时刻的转矩Te(k+1)。其计算过程如下：ψs1α(k+1)=ψs1α(k)+[u1α-Rsi1α(k)]Tsψs1β(k+1)=ψs1β(k)+[u1β-Rsi1β(k)]Ts|ψs1(k+1)|=ψs1α(k+1)2+ψs1β(k+1)2]]>i1d(k+1)=i1d(k)+u1d-Rsiid(k)+ω(k)Lqi1q(k)LdTsi1q(k+1)=i1q(k)+u1q-Rsi1q(k)-ω(k)ψf-ω(k)Ldi1d(k)LqTs,]]>Te(k+1)=32np[ψs1α(k+1)i1β(k+1)-ψs1β(k+1)i1α(k+1)]]]>转矩绕组合成气隙磁链幅值ψm1(k+1)由预测的转矩绕组的磁链减去漏感L1l产生的磁链，由下式可得：ψm1α(k+1)=ψs1α(k+1)-L1li1α(k+1)ψm1β(k+1)=ψs1β(k+1)-L1li1β(k+1)|ψm1(k+1)|=ψm1α2(k+1)+ψm1β2(k+1)μ=arctan(ψm1β(k+1)/ψm1α(k+1)).]]>3、如图4所示，构造转矩与电压变换模块3。转矩与电压变换模块3由转矩绕组预测磁链ψs1(k+1)与相位θ、给定参考磁链和磁链相位角增量Δδ，得到两相静止坐标下的控制转矩的电压指令值和按下式构造转矩与电压变换模块3：usα*=Rsi1α(k+1)+|ψs1*|cos(θ+Δδ)-|ψs1(k+1)|cosθTsusβ*=Rsi1β(k+1)+|ψs1*|sin(θ+Δδ)-|ψs1(k+1)|sinθTs,]]>其中，i1α(k+1)、i1β(k+1)是α-β轴的转矩绕组电流，Rs是定子绕组电阻Rs。4、如图5所示，构造悬浮力与电压变换模块4。悬浮力与电压变换模块4由悬浮力指令值和和预测值Fα(k+1)和Fβ(k+1)的比较差值ΔFα和ΔFβ、转矩绕组合成气隙磁链幅值ψm1(k+1)和相位μ计算得到：u2α*=Rsi2α+KM-1ψm1-1(k+1)(ΔFαcosμ+ΔFβsinμ)u2β*=Rsi2β+KM-1ψm1-1(k+1)(ΔFαsinμ-ΔFβcosμ),]]>其中，i2α、i2β是α-β坐标系下的电流。5、如图6所示，构造悬浮力观测器5。由于输入的磁链均为预测的下一时刻的悬浮力绕组磁链幅值ψs2(k+1)和相位λ、转矩绕组合成气隙磁链幅值ψm1(k+1)和相位μ计算得到，所以该悬浮力的值也为预测的下一时刻的值Fα(k+1)和Fβ(k+1)。这与x轴与y轴位移的指令值与测量值的差经PID调制后得到的悬浮力指令值和进行比较得到差值ΔFα和ΔFβ，采用下式构造出悬浮力观测器5：Fα(k+1)=KMψm1(k+1)ψs2(k+1)cos(λ-μ)Fβ(k+1)=KMψm1(k+1)ψs2(k+1)sin(λ-μ),]]>其中KM的表达式为：式中：p1、p2分别为转矩绕组磁场与悬浮力绕组磁场等效极对数；l为电机转子铁心有效长度；r为转子半径；n1、n2为转矩绕组和悬浮力绕组每相串联的有效匝数；μ0为空气磁导率。6、如图7所示，构造悬浮力绕组初始磁链观测模块6。电流传感器21检测到悬浮力绕组上的电流i2a、i2b、i2c，加上电压型逆变器19的直流电压UDC2，经过Clark变换器9生成α-β坐标系下的电流电压i2α、i2β、u2α、u2β，将这些电流电压信号输入到该模块中，经如下推导：ψs2α(k)=∫(u2α-Rsi2α)dtψs2β(k)=∫(u2β-Rsi2β)dt|ψs2(k)|=ψs2α2(k)+ψs2β2(k)λ=arctan(ψs2β(k)/ψs2α(k)),]]>得到初始观测下的悬浮力绕组磁链幅值ψs2及相位λ。7、如图8所示，构造悬浮力绕组磁链预测模块7。悬浮力绕组初始磁链观测模块6得出的悬浮力绕组磁链幅值ψs2(k)在α-β坐标下的磁链ψs2α(k)和ψs2β(k)及相位λ作为输入量，加上定子绕组电阻Rs、采样周期Ts，可以预测出下一时刻的悬浮力绕组磁链幅值ψs2(k+1)：ψs2α(k+1)=ψs2α(k)+(u2α-Rsi2α)Tsψs2β(k+1)=ψs2β(k)+(u2β-Rsi2β)Ts|ψs2(k+1)|=ψs2α2(k+1)+ψs2β2(k+1).]]>8、最终由上述7个大模块，再与电压型逆变器20、电压型逆变器19、SVPWM10、SVPWM11以及两个PID调节器14、15、两个PI调节器12、13一起共同组成完整的无轴承永磁同步电机预测控制器8，如图1所示，即预测直接转矩和悬浮力直接控制器，可根据不同的控制要求采用不同的硬件或软件来实现。本发明所述的无轴承永磁同步电机预测控制器8对电机控制时，对于转矩部分，采用Clark变换器9实时计算电机的转矩绕组相电流与电压型逆变器直流电压，然后转矩绕组磁链与转矩初始观测模块1检测出磁链和转矩的初始值，经由转矩绕组磁链和转矩预测模块2来获取直接转矩和直接悬浮力控制所需的无轴承永磁同步电机绕组磁链、转矩和悬浮力的相关信息；再将所预测的绕组实时磁链应用于悬浮力观测模块5、转矩与电压变换模块3和悬浮力与电压变换模块4。其次将转速指令值和实时转速进行比较得到转速差值，通过PI调制后生成转矩指令值。然后将转矩指令值与转矩实时预测值进行比较得到转矩差值，通过PI调制后生成转矩绕组磁链相位角增量。再根据磁链幅值指令值、实时绕组转矩分量预测磁链幅值和相位在转矩与电压变换模块3中生成电压静止坐标指令值，将得到两组电压静止坐标指令值通入空间矢量脉宽调制模块SVPWM10调制后得到电压型逆变器开关信号，驱动电压型逆变器实现无轴承永磁同步电机转矩的预测控制。对于悬浮力部分，采用同一个Clark变换器9实时计算悬浮力绕组定子相电流和电压型逆变器直流电压，然后悬浮力绕组磁链初始观测模块6检测出磁链的初始值，通过悬浮力绕组磁链预测模块7获取下一时刻的磁链信息。悬浮力观测模块5将预测悬浮力绕组磁链的幅值和相位，结合预测转矩绕组合成气隙磁链的幅值和相位实时计算出预测悬浮力静止坐标分量的值。其次将转子位置指令值与电涡流位移传感器17、18获得的实际位移值分别进行比较得到位移差值。再经PID调制后生成悬浮力指令值，然后将悬浮力指令值与实时预测到的下一时刻的悬浮力比较得到悬浮力差值通入悬浮力与电压变换模块4生成电压静止坐标指令值。将得到两组电压静止坐标指令值通入空间矢量脉宽调制模块SVPWM11调制后得到电压型逆变器19的开关信号，驱动逆变器实现无轴承永磁同步电机悬浮力的预测控制。该种预测控制的结构简单，响应速度快，确保电机转子悬浮的稳定性和运行的鲁棒性。通过当前采样周期的磁链和转矩值来预测出下一周期磁链和转矩值，得出相应的目标电压矢量，在下一周期就能施加合适的电压矢量，避免延时带来的纹波问题。既可使无轴承永磁同步电机具有优良的动、静态控制性能，抗电机参数变化及抗负载扰动能力强，又能有效地提高无轴承永磁同步电机的各项控制性能指标，如动态响应速度、稳态跟踪精度。当前第1页1 2 3