电动汽车用永磁同步电机无模型预测转速控制方法及系统与流程
本公开属于同步电机转速控制领域，尤其涉及一种电动汽车用永磁同步电机无模型预测转速控制方法及系统。
背景技术：
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
随着环境污染和能源短缺问题的不断加剧，电动汽车因其污染小、能耗低等优点已成为未来汽车发展的主要趋势。电动汽车系统复杂，涵盖的技术面广阔。其中，电机驱动系统是电动汽车能量转换单元的核心，电动汽车运行中振动剧烈且温度变化大，对驱动系统的可靠性、安全性提出了更高的要求。驱动电机是电驱动系统的主要执行部件，其性能好坏直接关乎整个驱动系统的性能。永磁同步电机因具有效率高、功率密度大等优点已成为目前车用驱动电机的主要发展趋势，但永磁同步电机自身即是一类复杂的多变量非线性系统，且存在参数时变和外部扰动等问题，其优化与控制对提高电动汽车的动力性、舒适性至关重要，传统的比例-积分控制方法已无法满足电动汽车对驱动系统的高性能要求，迫切需要新的理论和方法予以突破。模型预测控制因具有动态响应快、能处理约束、鲁棒性强等优点，已广泛应用于电机驱动和电力电子领域。
发明人发现，模型预测控制仍是一种依赖电机数学模型的控制方法，其控制性能容易受电机参数变化和外部扰动的影响，限制了该方法在实际电机驱动系统中的应用。
技术实现要素：
为了解决上述问题，本公开提供一种电动汽车用永磁同步电机无模型预测转速控制方法及系统，其利用无模型预测控制方法替代传统的比例-积分控制方法，实现电机转速的快速稳定跟踪控制。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
本公开的第一方面提供一种电动汽车用永磁同步电机无模型预测转速控制方法，其包括：
获取永磁同步电动机的定子电流ia和ib，并分别通过坐标变换对应转化为转矩电流反馈量iq和励磁电流反馈量id；
将永磁同步电动机转子的实时转速ω和转速参考值ωref至无模型预测转速控制器
将控制输出
将预设励磁电流
将交轴电压uq和直轴电压ud经过park逆变换生成两相静止坐标系下的两相控制电压uα和uβ，再经svpwm调制输出三相电压ua，ub和uc，进而控制永磁同步电机的运行。
本公开的第二方面提供一种电动汽车用永磁同步电机无模型预测转速控制系统，其包括：
定子电流转换模块，其用于获取永磁同步电动机的定子电流ia和ib，并分别通过坐标变换对应转化为转矩电流反馈量iq和励磁电流反馈量id；
无模型预测转速控制输出模块，其用于将永磁同步电动机转子的实时转速ω和转速参考值ωref至无模型预测转速控制器
交轴电压输出模块，其用于将控制输出
直轴电压输出模块，其用于将预设励磁电流
三相控制电压输出模块，其用于将交轴电压uq和直轴电压ud经过park逆变换生成两相静止坐标系下的两相控制电压uα和uβ，再经svpwm调制输出三相电压ua，ub和uc，进而控制永磁同步电机的运行。
本公开的有益效果是：
(1)本公开的该方法中的无模型预测控制，使设计的转速控制器只依赖系统的i/o实时数据，而不需要电机的数学模型。
(2)本公开的该方法中的转速控制器对干扰及电机参数变化的影响不敏感，在保证永磁同步电机转速控制系统在快速跟踪给定转速的同时，能够抵抗外部干扰的影响，具有很好的鲁棒性。
(3)本公开的该方法中的转速控制器设计方法可以替代传统的pi控制方法，实现电机转速的快速稳定跟踪控制，是一种运用先进算法实现电机转速控制的新方法。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1是本公开实施例提供的电动汽车用永磁同步电机无模型预测转速控制方法示意图；
图2(a)是本公开实施例提供的电机起动过程中的转速跟踪曲线与对比；
图2(b)是本公开实施例提供的电机起动过程中的dq轴电流跟踪曲线；
图3(a)是本公开实施例提供的负载转矩突变时的转速响应曲线与对比；
图3(b)是本公开实施例提供的负载转矩突变时的dq轴电流响应曲线；
图4是本公开实施例提供的参考转速变化时的转速响应曲线；
图5是本公开实施例提供的电机机械参数变化后，电机起动过程的转速跟踪曲线。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例1
本实施例的基本思想为：根据永磁同步电机同步旋转坐标系下的数学模型，得到永磁同步电机转速方程的超局部模型的具体表达式，在考虑采样时间的情况下转化为离散形式。并基于该形式，采用无模型预测控制方法，逐步递推，得到转速控制器的控制律。从而保证电机获得良好的转速控制性能和精度。
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
如图1所示，本实施例的一种电动汽车用永磁同步电机无模型预测转速控制方法，包括：
步骤1：获取永磁同步电动机的定子电流ia和ib，并分别通过坐标变换对应转化为转矩电流反馈量iq和励磁电流反馈量id。
步骤2：将永磁同步电动机转子的实时转速ω和转速参考值ωref至无模型预测转速控制器
在具体实施中，无模型预测转速控制器的构建过程为：
步骤2.1：建立永磁同步电机的转速运动方程，得到不依赖电机模型和参数的超局部模型；
永磁同步电机(pmsm)在dq轴同步旋转坐标系下的转速方程可表示为
因为本实施例中采用的电机为表贴式永磁同步电机，ld＝lq＝l，进而得到简化后的永磁同步电机转速方程为：
式中，ld、lq为dq同步旋转坐标系下的定子电感；iq为dq轴旋转坐标系下的定子电流；np为极对数；ω为永磁同步电动机转子的实时转速；φ为永磁体产生的磁链；tl为负载转矩；ε3为参数扰动和模型不确定性；jm为转动惯量；b为摩擦系数。
简化后的永磁同步电机转速方程式(2)可进一步表示为
其中，α表示交轴参考电流的比例因子；通常被设计为
令
其中，xm＝ω表示永磁同步电动机转子的实时转速；
步骤2.2：对超局部模型进行离散化，采用无模型预测控制方法，得到无模型预测转速控制器的数学模型。
步骤2.2的具体过程为：
取系统采样时间为ts，对转速环超局部模型表达式(4)在k+1时刻进行离散化，同时令ym(k)＝ω(k)，ω(k)为在k时刻的电机转子角速度，进而得到：
令am＝1，bm＝tsα，cm＝1，则在第k个采样周期ts下的电机超局部模型表达式可以写为
在考虑到采样周期达到预设小值时，在两个采样时间间隔下的扰动可以看作是不变的定值，因此f(k)＝f(k-1)。
根据模型式(5)和(6)，可以得到
δxm(k+1)＝amδxm(k)+bmδu(k)(7)
其中，δxm(k+1)＝xm(k+1)-xm(k)，δxm(k)＝xm(k)-xm(k-1)，δu(k)＝u(k)-u(k-1)。
定义输入变量为u(k)，输出变量为y(k)，同时令y(k)＝ym(k)，状态变量x(k)＝[δxm(k)y(k)]t。则系统在k+1时刻的输出y(k+1)可以被表示成
考虑式(7)和(8)，上一步定义的状态变量和输出变量最终可被表示成：
其中，
根据式(9)，设计永磁同步电机无模型预测控制器，具体设计过程包括：
首先定义预测时域和控制时域分别为np和nc。根据预测控制的原理，当i>nc-1时，u(k+i)是相同的值(i＝0,1,…,np-1；nc＝1)，即在一个预测时域内把k时刻的控制输入作为这一个预测时域内的控制输入，表示为:
u(k)＝u(k+1)＝…＝u(k+np-1)(10)
根据式(10)，则有δu(k+1)＝δu(k+2)＝…＝δu(k+np-1)＝0。
在一个预测时域内，预测状态变量x(k+i+1)可以表示为：
同样的，预测输出变量y(k+i+1)为
参考式(11)中的预测状态变量，式(12)中的预测输出变量可重新表示成
令
y＝fx(k)+ψδu(k)(14)
相应的，最终可得永磁同步电机无模型预测转速控制器：
其中，
步骤3：将控制输出
在具体实施中，交轴电流控制器采用pi控制方法来实现。
步骤4：将预设励磁电流
在具体实施中，直轴电流控制器采用pi控制方法来实现。
步骤5：将交轴电压uq和直轴电压ud经过park逆变换生成两相静止坐标系下的两相控制电压uα和uβ，再经svpwm调制输出三相电压ua，ub和uc，进而控制永磁同步电机的运行。
在虚拟环境下对所建立的基于无模型预测控制的电动汽车用永磁同步电机转速控制方法进行仿真，验证所提出的控制方法在永磁同步电机控制系统中的可行性，结果如图2(a)、图2(b)-图5所示。
图2(a)和图2(b)为给定电机转速800rmp，电机空载起动，电机参数和负载不变的情况下，分别采用传统pi控制方法和本实施例所提方法时的转速和电流响应曲线，图2(a)为转速响应曲线与对比，图2(b)为dq轴电流响应曲线，从图2(a)和图2(b)中看出，与传统pi控制方法相比较，本实施例所提方法在电机起动时转速响应更快，超调量更小。
图3(a)和图3(b)为电机稳定运行在800rmp，电机空载，在t＝1s时，负载转矩突变为10n·m时的转速和电流变化曲线，图3(a)为转速变化曲线与对比，图3(b)为dq轴电流变化曲线，从实验结果看出，负载转矩突变时，所提方法与pi控制方法相比较，转速跌落更小，且更快的恢复到稳定值，在此过程中，q轴电流随着负载转矩的突变而增大，d轴电流保持为零。
图4为电机稳定运行在800rmp，参考转速突然增加到1000rmp时的转速变化曲线，从图4中看出，参考转速变化后，电机实际输出转速能快速的跟随参考转速变化。
为了验证本实施例提出的电流控制方法在电机实际参数和控制器参数不匹配时控制器的鲁棒性能，将电机的机械参数(转动惯量，摩擦系数)变为额定值的2倍，重新给定参考转速800rmp，图5为电机起动后的转速响应曲线；从图5中看出，当控制器中的电机参数变化后，对电机的响应性能影响不大，所设计的控制器对参数变化不敏感，仍具有良好的转速响应性能。
本实施例的该方法中的无模型预测控制，使设计的转速控制器只依赖系统的i/o实时数据，而不需要电机的数学模型。
本实施例的该方法中的转速控制器对干扰及电机参数变化的影响不敏感，在保证永磁同步电机转速控制系统在快速跟踪给定转速的同时，能够抵抗外部干扰的影响，具有很好的鲁棒性。
本实施例的该方法中的转速控制器设计方法可以替代传统的pi控制方法，实现电机转速的快速稳定跟踪控制，是一种运用先进算法实现电机转速控制的新方法。
实施例2
本实施例提供了一种电动汽车用永磁同步电机无模型预测转速控制系统，包括：
(1)定子电流转换模块，其用于获取永磁同步电动机的定子电流ia和ib，并分别通过坐标变换对应转化为转矩电流反馈量iq和励磁电流反馈量id；
(2)无模型预测转速控制输出模块，其用于将永磁同步电动机转子的实时转速ω和转速参考值ωref至无模型预测转速控制器
在具体实施中，无模型预测转速控制器的构建过程为：
(2.1)建立永磁同步电机的转速运动方程，得到不依赖电机模型和参数的超局部模型；
永磁同步电机(pmsm)在dq轴同步旋转坐标系下的转速方程可表示为
因为本实施例中采用的电机为表贴式永磁同步电机，ld＝lq＝l，进而得到简化后的永磁同步电机转速方程为：
式中，ld、lq为dq同步旋转坐标系下的定子电感；iq为dq轴旋转坐标系下的定子电流；np为极对数；ω为永磁同步电动机转子的实时转速；φ为永磁体产生的磁链；tl为负载转矩；ε3为参数扰动和模型不确定性；jm为转动惯量；b为摩擦系数。
简化后的永磁同步电机转速方程式(2)可进一步表示为
其中，α表示交轴参考电流的比例因子；通常被设计为
令
其中，xm＝ω表示永磁同步电动机转子的实时转速；
(2.2)对超局部模型进行离散化，采用无模型预测控制方法，得到无模型预测转速控制器的数学模型，其具体过程为：
取系统采样时间为ts，对转速环超局部模型表达式(4)在k+1时刻进行离散化，同时令ym(k)＝ω(k)，ω(k)为在k时刻的电机转子角速度，进而得到：
令am＝1，bm＝tsα，cm＝1，则在第k个采样周期ts下的电机超局部模型表达式可以写为
在考虑到采样周期达到预设小值时，在两个采样时间间隔下的扰动可以看作是不变的定值，因此f(k)＝f(k-1)。
根据模型式(5)和(6)，可以得到
δxm(k+1)＝amδxm(k)+bmδu(k)(7)
其中，δxm(k+1)＝xm(k+1)-xm(k)，δxm(k)＝xm(k)-xm(k-1)，δu(k)＝u(k)-u(k-1)。
定义输入变量为u(k)，输出变量为y(k)，同时令y(k)＝ym(k)，状态变量x(k)＝[δxm(k)y(k)]t。则系统在k+1时刻的输出y(k+1)可以被表示成
考虑式(7)和(8)，上一步定义的状态变量和输出变量最终可被表示成：
其中，
根据式(9)，设计永磁同步电机无模型预测控制器，具体设计过程包括：
首先定义预测时域和控制时域分别为np和nc。根据预测控制的原理，当i>nc-1时，u(k+i)是相同的值(i＝0,1,…,np-1；nc＝1)，即在一个预测时域内把k时刻的控制输入作为这一个预测时域内的控制输入，表示为:
u(k)＝u(k+1)＝…＝u(k+np-1)(10)
根据式(10)，则有δu(k+1)＝δu(k+2)＝…＝δu(k+np-1)＝0。
在一个预测时域内，预测状态变量x(k+i+1)可以表示为：
同样的，预测输出变量y(k+i+1)为
参考式(11)中的预测状态变量，式(12)中的预测输出变量可重新表示成
令
y＝fx(k)+ψδu(k)(14)
相应的，最终可得永磁同步电机无模型预测转速控制器：
其中，
(3)交轴电压输出模块，其用于将控制输出
具体地，在所述交轴电压输出模块中，交轴电流控制器采用pi控制方法来实现。
(4)直轴电压输出模块，其用于将预设励磁电流
具体地，在所述直轴电压输出模块中，直轴电流控制器采用pi控制方法来实现。
(5)三相控制电压输出模块，其用于将交轴电压uq和直轴电压ud经过park逆变换生成两相静止坐标系下的两相控制电压uα和uβ，再经svpwm调制输出三相电压ua，ub和uc，进而控制永磁同步电机的运行。
与传统模型预测控制方法相比，本实施例采用无模型预测控制方法设计的无模型预测转速控制器因为不依赖电机数学模型，可以在保证转速性能的同时，对电机运行过程中的参数变化具有更强的鲁棒性，同时更不容易受外部干扰对电机转速的影响，是一种可以满足高性能电动汽车用永磁同步电机系统应用需求的先进驱动控制算法。
本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-onlymemory，rom)或随机存储记忆体(randomaccessmemory，ram)等。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
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