本发明涉及直线永磁游标电机领域，具体是一种基于参数辨识的永磁游标直线电机的预测电流控制，有利于改善直线电机的控制性能。
背景技术
伴随城市化的发展，城市轨道交通正在经历突飞猛进的变化,随之而来的是电机牵引系统研究的兴起。近年来，轨道交通系统尤其是其驱动电机在向着重量更轻、体积更小、速度更快、运行更稳定、安全更可靠的模式发展。因此能够稳定、可靠地控制符合这一特点的直线永磁游标电机成为了保证驱动系统可靠性的关键。
永磁同步电机控制时所需调用的电阻、电感和磁链等电机参数，虽然可以从电机的铭牌或手册中获得，但是电机经过长期运行后出厂数据会发生变化，可能导致部分电机参数偏差较大。虽然通过离线辨识可以获取相关的初始参数，但是因为工作时温升和磁饱和等因素又会导致电机参数实时变化，使实际参数与离线辨识结果产生一定的偏差。因此有必要对永磁同步电机的相关参数进行在线辨识研究。
在线辨识是电机一边在控制策略控制下正常运行，一边对电机相关参数实时辨识。其特点是要求在一个采样周期内完成辨识的全部运算，利用采集到的新数据不断更新辨识结果。在线辨识最大优点是辨识的过程不影响电机的正常运行，能够获得电机真实工作时的参数，而且一般也不需外接测量电路。因此利用在线辨识可以依据电机的实时参数来对控制器的参数及时修正，使电机系统达到更好的控制性能。常见的辨识算法有频率响应法、模型参考自适应法、最小二乘法、扩展卡尔曼滤波算法、人工智能算法等，这些算法在参数辨识方面均有各自的优缺点，有待更深的研究。
技术实现要素：
本发明的目的在于通过辨识算法获得永磁直线电机的相关参数，消除永磁直线电机的边端效应影响，以达到对直线电机有更好的控制。为了更准确的获得永磁直线电机的参数，以达到更好的控制，本发明通过模型参考自适应算法来获得永磁直线电机的辨识参数。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
基于参数辨识的永磁直线电机的预测电流控制方法，包括以下几个步骤：
步骤1：首先推导旋转坐标系下永磁直线电机的数学模型和永磁直线电机离散化的预测控制模型；
步骤2：其次推导预测两矢量预测电流控制算法，应用于永磁直线电机模型中，实现对永磁直线电机的两矢量预测电流控制；
步骤3：采用模型参考自适应的方法对电机电感和磁链进行在线辨识，推导电机电感和磁链的参数自适应律，对直线电机的电感参数进行在线辨识，当辨识参数收敛，获得辨识的电感参数；
步骤4：将辨识算法辨识得到的电感参数，应用到两矢量预测电流控制模型当中去，实现电机参数的实时更新，将模型参考自适应辨识算法和两矢量预测电流控制算法相结合，实现闭环控制，消除电机参数变化导致的影响，以达到永磁直线电机更好的控制性能。
首先，永磁直线电机的数学模型和离散化的预测控制模型推导如下：
隐极式永磁直线电机满足ld＝lq＝ls，因此永磁直线电机在dq旋转坐标系下的电压方程为：
式中，ud,uq为定子dq轴电压(v)；id,iq为定子dq轴电压(a)；r为定子相电阻(ω)；ld,lq,ls分别为定子d轴电感，定子q轴电感，定子电感(h)；ψf为电机永磁体磁链(wb)。ωe为电机的电角速度。
将电机电流选为状态变量，永磁直线电机的状态方程可以表示为：
由于采样周期ts足够小，可以采用一阶泰勒公式对电流状态方程进行离散化，即近似认为：
通过变换能够得到离散化后的永磁直线电机预测电流模型如下所示：
式中，系数矩阵
进一步，两矢量预测电流控制算法的基本原理如下：
传统预测电流控制在一个控制周期内仅作用一个电压矢量，两矢量预测电流控制是在一个控制周期作用一个非零电压矢量和一个零电压矢量，进而分配两个矢量的作用时间，实现更好的控制性能。由于零电压矢量的确定，仅需要选择一个最优的非零电压矢量，最优非零电压矢量的选择依据是距离参考电压矢量的距离最小，总结来说是参考电压矢量所在扇区的角平分线上的基本电压矢量为最优非零电压矢量。参考电压矢量可以表示为：
式中
假设选择的非零电压矢量为uopt，其作用时间为ti。定义根据参考电压矢量与非零电压矢量之间的误差矢量为
根据余弦的定义可知：
进而，非零电压矢量的作用时间可以表示为：
进一步，步骤3中直线电机参数自适应律设计规则如下：
电机状态空间模型为：
式中，ud,uq为定子dq轴电压(v)；id,iq为定子dq轴电压(a)；r为定子相电阻(ω)；l为定子电感(h)；ψf为电机永磁体磁链(wb)；ωe为电机的电角速度；
令1/l＝m，ψf/l＝n,将上式化简为：
pi＝ai+bu+c
式中，电流状态矢量i＝[idiq]t，电压状态矢量u＝[uduq]t，系数矩阵
可调模型为：
式中，电流状态矢量
式中，
pe＝ae-iw
将pmsm模型参考自适应参数辨识系统转换为标准的非线性反馈系统，保证线性定常前向方块严格正实，非线性反馈回路满足popov积分不等式，popov积分不等式如下：
η(t0-t1)为积分函数，式中，
参数自适应律的设计原则是通过对可调模型的参数进行在线调节使得控制系统的广义误差e逐渐趋向于零，为了使得广义误差e为零时调节作用仍然有效，常常采用比例积分的方式来对参数的自适应律进行设计，根据popov超稳态定律，要想模型参考自适应控制系统超稳定，不仅要满足线性定常前向通道严格正实，而且非线性反馈回路满足popov积分不等式，省略一系列的推导过程，可以得到电机电感参数辨识相关参数
式中，
本发明的有益效果是：
1、本发明通过模型参考自适应算法获得直线电机的辨识参数，消除了温度、磁饱和等因素导致电机参数发生变化的影响，并且预测电流控制是一种依赖电机模型的控制算法，获得准确的电机参数将对控制性能有很大的改善。
2、两矢量预测电流控制在电机控制上能够获得较好的动态性能和较小的电流波动，应用于永磁直线电机能够获得较好的控制性能，但是预测控制是基于电机数学模型的控制方法，对电机参数的准确性有着较高要求。因此本发明将模型参考自适应算法和两矢量预测电流控制相结合，能够将准确的电机参数应用于两矢量预测电流控制中，永磁直线电机控制性能将获得较好的改善。
3、本发明所提出的一种基于参数辨识的永磁直线电机预测电流控制算法，可以满足城市轨道交通领域高精度运行的要求，提高直线永磁游标电机在轨道交通领域的地位。
附图说明
图1为基于参数辨识的永磁直线电机的测电流控制框图；
图2为模型参考自适应算法原理图；
图3为永磁直线电机的参数自适应律设计框图；
图4为辨识得到的电机电感参数值；
图5为未采用参数辨识的预测电流控制三相电流谐波含量；
图6为采用参数辨识的预测电流控制三相电流谐波含量。
具体实现方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1结构框图所示，本发明是基于参数辨识的永磁直线电机的预测电流控制，主要包括模型参考自适应算法和预测电流控制。其中模型参考自适应算法的原理和参数自适应律设计原理如图2、图3所示。将辨识得到的电机参数应用于预测电流控制中，以改善控制性能。
本发明以永磁直线电机为控制对象，对其进行基于参数辨识的预测电流控制，其具体措施如下：
1、首先推导永磁直线电机的电机模型和永磁直线电机的预测电流模型，实现对直线电机的预测电流控制。在研究直线永磁游标电机前，先作如下假设：
(1)忽略磁路饱和现象，认为各相绕组的电感是恒定的。
(2)气隙分布均匀、气隙磁阻恒定。
(3)不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。
(4)转子磁链在气隙中呈正弦分布。
(5)本发明的控制对象属于隐极式电机，ld＝lq＝280mh。
由于控制对象永磁直线电机属于隐极式电机，满足ls＝ld＝lq，当电机处于稳态时的数学模型为：
从电机的数学模型中可以看出，电机的主要参数有电阻、电感、磁链三个参数，由于电机电阻对预测控制系统性能影响很小，可以忽略不计，本发明主要针对直线电机电感进行在线辨识。预测电流控制的结构框图如图1所示，预测电流控制的基本原理就不多做描述。
2、步骤2：采用模型参考自适应的方法对电机电感和磁链进行在线辨识，推导电机电感和磁链的参数自适应律，对直线电机的电感参数进行在线辨识，这是本发明核心的部分，当辨识参数收敛，获得辨识的电感参数。
电机状态空间模型为：
式中，ud,uq为定子dq轴电压(v)；id,iq为定子dq轴电压(a)；r为定子相电阻(ω)；l为定子电感(h)；ψf为电机永磁体磁链(wb)
令1/l＝m，ψf/l＝n,将上式化简为：
pi＝ai+bu+c
式中，电流状态矢量i＝[idiq]t，电压状态矢量u＝[uduq]t，系数矩阵
可调模型为：
式中，
pe＝ae-iw
将pmsm模型参考自适应参数辨识系统转换为标准的非线性反馈系统，保证线性定常前向方块严格正实，非线性反馈回路满足popov积分不等式，popov积分不等式如下：
式中，
参数自适应律的设计原则是通过对可调模型的参数进行在线调节使得控制系统的广义误差e逐渐趋向于零，为了使得广义误差e为零时调节作用仍然有效，常常采用比例积分的方式来对参数的自适应律进行设计，根据popov超稳态定律，要想模型参考自适应控制系统超稳定，不仅要满足线性定常前向通道严格正实，而且非线性反馈回路满足popov积分不等式，省略一系列的推导过程，可以得到电机电感参数辨识相关参数
式中，
3、步骤3：将辨识得到的电感参数，应用到预测电流控制模型当中去，实现电机参数的实时更新，消除电机参数变化的影响，以达到更好的控制性能。
在simulink中构建如图1框图中的控制系统，对本发明的基于参数辨识的预测电流方法进行验证。如图5所示，0.2s之前没有将辨识得到的电机参数反馈到预测电流控制去，电机电感波动较大，0.2s后电机电感基本收敛于0.28h。从控制性能角度来看，如图5、图6所示，未采用参数辨识的预测电流控制的三相电流谐波含量为2.11％，采用参数辨识的预测电流控制的三相电流谐波含量为1.10％。说明基于参数辨识的预测电流控制能够消除电机参数变化带来的影响，以改善控制性能。
综上，本发明提出的一种基于参数辨识的永磁直线电机的预测电流控制方法，可以概括为以下步骤：
步骤1：首先推导旋转坐标系下永磁直线电机的数学模型和永磁直线电机离散化的预测控制模型；
步骤2：其次推导预测两矢量预测电流控制算法，应用于永磁直线电机模型中，实现对永磁直线电机的两矢量预测电流控制；
步骤3：采用模型参考自适应的方法对电机电感和磁链进行在线辨识，推导电机电感和磁链的参数自适应律，对直线电机的电感参数进行在线辨识，当辨识参数收敛，获得辨识的电感参数；
步骤4：将辨识算法辨识得到的电感参数，应用到两矢量预测电流控制模型当中去，实现电机参数的实时更新，将模型参考自适应辨识算法和两矢量预测电流控制算法相结合，实现闭环控制，消除电机参数变化导致的影响，以达到永磁直线电机更好的控制性能。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。