一种永磁同步电机无差拍电流预测控制系统及其控制方法与流程

本发明属于电机控制技术领域，特别涉及一种永磁同步电机无差拍电流预测控制系统及其控制方法。

背景技术：

永磁同步电动机具有高功率密度、高效率、高可靠性及结构简单、体积小、重量轻等优点，同时近年来永磁材料价格降低，使它愈加成为实现电机系统节能的首选。然而，永磁同步电机是一个多变量、高耦合、非线性的高阶系统，我们通常采用矢量控制方案对其进行解耦，但控制系统仍十分复杂。其中电流环控制部分又尤为重要，它的快速性、准确性、稳定性的优劣直接影响着永磁同步电机系统性能。

传统的电流环控制方案是使用pi调节器，但其响应速度慢，超调大，且采样电流与参考电流间存在较大误差，控制性能不佳；近年来新出现的模型预测控制利用系统内部模型对系统未来状态进行预测，然后筛选出可以最小化目标函数的开关状态，提高控制精度。然而模型预测控制的缺点是缺少滚动优化和反馈校正的环节，当存在外部扰动时，其控制效果将受到影响。也就是说现有的电流环控制技术始终无法达到最佳的电流响应。

技术实现要素：

发明目的：针对传统电流无差拍控制系统抗干扰性差的问题，提供一种具有更快、更稳定的电流环性能的永磁同步电机无差拍电流预测控制系统及其控制方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供一种永磁同步电机无差拍电流预测控制系统，包括clark变换模块、park变换模块、park逆变换模块、脉冲宽度调制模块、逆变器模块、位置传感器、无差拍控制器、扰动观测器、第一比较器、第二比较器、pi调节器即转速调节器、第一增益模块、第二增益模块和第三增益模块；所述clark变换模块的输入端连接永磁同步电机的三相定子电流输出端，clark变换模块的输出端连接park变换模块的输入端；所述park变换模块的输出端连接无差拍控制器输入端，无差拍控制器的输出端连接park逆变换模块输入端；所述park逆变换模块的输出端连接脉冲宽度调制模块的输入端，脉冲宽度调制模块的输出端连接逆变器模块的输入端，逆变器模块的输出端连接永磁同步电机的控制端；所述位置传感器的输入端连接永磁同步电机的输出端，位置传感器的电角速度输出端连接第一增益模块的输入端，第一增益模块的输出端连接第二增益模块的输入端和扰动观测器的转速输入端；所述第二增益模块的输出端连接第一比较器的输入端，第一比较器的输出端通过转速调节器连接第二比较器的输入端和扰动观测器的q轴电流输入端；所述第二比较器的输出端连接无差拍控制器，扰动观测器的输出端通过第三增益模块连接第二比较器的前馈输入端。

一种如上所述的永磁同步电机无差拍电流预测控制系统的控制方法，包括如下步骤：

(1)采集pmsm的三相定子电流信号ia、ib、ic，经过clark变换输出等效的两相静止坐标系下的定子电流iα、iβ；

(2)根据步骤(1)所得的两相静止坐标系下的定子电流iα、iβ经过park变换输出等效的两相旋转坐标系下的定子电流id、iq，再将定子电流id、iq输入到无差拍控制器中；

(3)位置传感器输出电机的转子电角速度ωe和位置θe，转子速度ωe经第一增益模块和第二增益模块得到转速n与给定转速值nref作差，差值通过转速调节器后输出q轴的参考电流iqref；

(4)根据步骤(3)得到的转子电角速度ωe经第一增益模块得到转子机械角ωm，ωm与步骤(3)得到的q轴的参考电流iqref输入扰动观测器，输出负载转矩tl；

(5)根据步骤(4)得到的负载转矩tl经第三增益模块得到补偿电流iqc；

(6)根据步骤(3)所得的q轴的参考电流iqref与步骤五所得补偿电流iqc相加，得到新的参考电流iqref*；

(7)将d轴参考电流设为idref*＝0，根据步骤(6)所得的q轴参考电流iqref*与d轴参考电流idref*输入无差拍控制器中；

(8)根据步骤(2)和步骤(7)的无差拍控制器的输入，无差拍控制器输出q轴的参考电压uq和d轴的参考电压ud；

(9)将步骤(8)中输出的q、d轴参考电压uq、ud经过park反变换，输出两相静止坐标系下的控制电压uα、uβ；

(11)将步骤(9)中两相控制电压uα、uβ进行空间矢量调制，输出6路pwm波形；

(12)将步骤(11)中输出的pwm波形输至三相逆变器中，逆变器向pmsm输入三相电压ua、ub、uc，从而控制永磁同步电机运转，完成pmsma的无位置传感器的矢量控制。

进一步的，所述步骤(1)中采集pmsm的三相定子电流信号ia、ib、ic，经过clark变换输出等效的两相静止坐标系下的定子电流iα、iβ的具体步骤如下：

进一步的，所述步骤(2)中两相静止坐标系下的定子电流iα、iβ经过park变换输出等效的两相旋转坐标系下的定子电流id、iq的具体步骤如下：

其中θe为通过位置传感器得到的pmsm转子位置角度。

进一步的，所述步骤(4)中根据转子电角速度ωe经第一增益模块得到转子机械角ωm，ωm与q轴的参考电流iqref输入扰动观测器，输出负载转矩tl的具体步骤如下：

首先建立系统状态方程

式中：x＝ωm；u＝te；d＝tl；a＝-b/j；b＝1/j；

设计观测器

其中：和分别为x和d的估计值；

其中为误差变量，k3，k4可由状态反馈控制理论定值；

因此得扰动观测器

进一步的，所述步骤(8)中无差拍控制器输出q轴的参考电压uq和d轴的参考电压ud的具体步骤如下：

首先将dq坐标系下的电流方程离散化

离散化后的电流方程为

i(k+1)＝ai(k)+cu(k)+d(k)

其中：ts为采样周期

为了进一步得到预测电压u(k+1),需要多预测一个周期，即

i(k+2)＝ai(k+1)+cu(k+1)+d(k+1)

由无差拍控制原理可知，要求预测到的电流值等于当前电流给定值，即

i(k+2)＝i^*(k)

其中：

由此可得下一个周期所需参考电压的表达式

u(k+1)＝c^-1(i^*(k)-a(ai(k)+cu(k)+d(k))-d(k+1))。

进一步的，所述步骤(9)中输出的q、d轴参考电压uq、ud经过park反变换，输出两相静止坐标系下的控制电压uα、uβ的具体步骤如下：

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明使用一种扰动观测器实时观测负载转矩的变化，根据观测的转矩值为系统提供前馈补偿量，减小转矩扰动对系统的影响。

(2)本发明将一种扰动观测器与无差拍电流预测控制系统相结合，与传统的矢量控制系统相比具有更好的动态响应性能以及更强的鲁棒性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为具体实施例中内模控制扰动观测器结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。本发明描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的其他实施例，都属于本发明所保护的范围。

结合图1、图2，本发明所述的一种永磁同步电机无差拍电流预测控制系统，包括clark变换模块、park变换模块、park逆变换模块、脉冲宽度调制模块、逆变器模块、位置传感器、无差拍控制器、扰动观测器、第一比较器、第二比较器、pi调节器、第一增益模块、第二增益模块和第三增益模块；其中，

clark变换模块的输入端连接永磁同步电机的三相定子电流输出端，clark变换模块的输出端连接park变换模块的输入端；

park变换模块的输出端连接无差拍控制器输入端，无差拍控制器的输出端连接park逆变换模块输入端；

park逆变换模块的输出端连接脉冲宽度调制模块的输入端，脉冲宽度调制模块的输出端连接逆变器模块的输入端，逆变器模块的输出端连接永磁同步电机的控制端；

位置传感器的输入端连接永磁同步电机的输出端，位置传感器的电角速度输出端连接第一增益模块的输入端，第一增益模块的输出端连接第二增益模块的输入端和扰动观测器的转速输入端；

第二增益模块的输出端连接第一比较器的输入端，第一比较器的输出端通过转速调节器连接第二比较器的输入端和扰动观测器的q轴电流输入端；

第二比较器的输出端连接无差拍控制器，扰动观测器的输出端通过第三增益模块连接第二比较器的前馈输入端。

为了减小转矩扰动对电流预测控制系统的影响，本发明在无差拍预测控制系统引入一种负载扰动观测器，根据观测值实时补偿控制量，以此减小外部转矩扰动对电流环控制器的影响。本发明提供的基于扰动观测器的pmsm无差拍电流预测控制系统具有更快、更稳定的电流环性能，解决了传统电流无差拍控制系统抗干扰性差的问题。

一种永磁同步电机无差拍电流预测控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤一、采集pmsm的三相定子电流信号ia、ib、ic，经过clark变换输出等效的两相静止坐标系下的定子电流iα、iβ；

步骤二、根据步骤一所得的两相静止坐标系下的定子电流iα、iβ经过park变换输出等效的两相旋转坐标系下的定子电流id、iq，再将定子电流id、iq输入到无差拍控制器中；

步骤三、位置传感器输出电机的转子电角速度ωe和位置θe，转子速度ωe经第一增益模块和第二增益模块得到转速n与给定转速值nref作差，差值通过转速调节器后输出q轴的参考电流iqref；

步骤四、根据步骤三得到的转子电角速度ωe经第一增益模块得到转子机械角ωm，ωm与步骤三得到的q轴的参考电流iqref输入扰动观测器，输出负载转矩tl；

步骤五、根据步骤四得到的负载转矩tl经第三增益模块得到补偿电流iqc；

步骤六、根据步骤三所得的q轴的参考电流iqref与步骤五所得补偿电流iqc相加，得到新的参考电流iqref*；

步骤七、将d轴参考电流设为idref*＝0，根据步骤六所得的q轴参考电流iqref*与d轴参考电流idref*输入无差拍控制器中；

步骤八、根据步骤二和步骤七的无差拍控制器的输入，无差拍控制器输出q轴的参考电压uq和d轴的参考电压ud；

步骤九、将步骤八中输出的q、d轴参考电压uq、ud经过park反变换，输出两相静止坐标系下的控制电压uα、uβ；

步骤十一、将步骤九中两相控制电压uα、uβ进行空间矢量调制，输出6路pwm波形；

步骤十二、将步骤十一中输出的pwm波形输至三相逆变器中，逆变器向pmsm输入三相电

压ua、ub、uc，从而控制永磁同步电机运转，完成pmsma的无位置传感器的矢量控制。

在步骤一中，涉及的换算公式如下：

在步骤二中，涉及的换算公式如下：

其中θe为通过位置传感器得到的pmsm转子位置角度。

在步骤九中，涉及的换算公式如下：

在步骤四中，扰动观测器设计如下：

首先建立系统状态方程

式中：x＝ωm；u＝te；d＝tl；a＝-b/j；b＝1/j。

设计观测器

其中：和分别为x和d的估计值。

其中为误差变量，k3，k4可由状态反馈控制理论定值。

由(5)和(6)得扰动观测器

在步骤八中，无差拍控制器设计如下：

首先将dq坐标系下的电流方程离散化

离散化后的电流方程为

i(k+1)＝ai(k)+cu(k)+d(k)(9)

其中:ts为采样周期

为了进一步得到预测电压u(k+1),需要多预测一个周期，即

i(k+2)＝ai(k+1)+cu(k+1)+d(k+1)(10)

由无差拍控制原理可知，要求预测到的电流值等于当前电流给定值，即

i(k+2)＝i^*(k)(11)

其中：

由(9)、(10)、(11)可得下一个周期所需参考电压的表达式

u(k+1)＝c^-1(i^*(k)-a(ai(k)+cu(k)+d(k))-d(k+1))(12)。