一种永磁同步电机无速度传感器模型预测控制方法

本发明涉及电机控制，具体为一种永磁同步电机无速度传感器模型预测控制方法。

背景技术：

1、永磁同步电机即pmsm具有高效率、高可靠性以及高功率密度等优良特性，广泛应用于高性能伺服控制系统，目前，永磁同步电机高性能控制技术主要为矢量控制和直接转矩控制，矢量控制动态和稳态控制性能良好，其控制性能依赖于pi控制器的参数，存在pi参数整定问题，直接转矩控制动态响应快、无需坐标变换，主要缺点是转矩脉动较大。

2、近年来，电机控制技术不断发展，各种控制方法被应用于电机控制领域，其中模型预测控制即mpc因具有动态响应快、易于实现多目标优化等优点，已经成为电机控制领域的研究热点之一，根据备选控制量集合的不同，mpc可以分为连续控制集mpc和有限控制集mpc即fcs-mpc两类，其中fcs-mpc的基本思想是遍历所有控制量，根据预测数学模型得出不同控制量作用下代价函数的值，以代价函数最小的控制量作为下一时刻的控制量，单矢量mpc在每个控制周期内仅作用一个电压矢量，稳态转矩脉动较大，为了改善电机的稳态转矩控制性能，有学者提出了一类矢量占空比优化的mpc方法，在一个控制周期内，将零矢量与非零矢量组合作用，有效减小了转矩脉动，该方法的主要缺点是备选双电压矢量只采用零矢量和非零矢量组合，未考虑两非零电压矢量组合的情况，为了进一步减小稳态转矩脉动，研究人员提出一类多矢量模型预测控制方法，将电压矢量组合扩展到任意备选电压矢量，该方法备选电压矢量组合数量较多，计算量大。

3、pmsm闭环调速系统需电机转速信息，采用机械式传感器测量转速增加了电机体积和成本，由于在一些恶劣的环境下转速传感器无法正常工作，降低了pmsm调速系统运行的可靠性，限制了pmsm调速系统的应用场合，传统的模型参考自适应mras观测器，转速估计精度较高，但是需要知道电机的准确模型，对电机自身的参数依赖较大，鲁棒性不强，基于此，特提出一种永磁同步电机无速度传感器模型预测控制方法，减少了多矢量mpc中备选电压矢量组合的数量，降低了计算量，同时在传统的模型参考自适应观测器的基础上引入超螺旋控制，设计st-mras观测器，估计精度高、鲁棒性好。

技术实现思路

1、(一)解决的技术问题

2、针对现有技术的不足，本发明提供了一种永磁同步电机无速度传感器模型预测控制方法，解决了上述的问题。

3、(二)技术方案

4、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种永磁同步电机无速度传感器模型预测控制方法，具体包括以下步骤：

5、s1、建立永磁同步电机在d-q坐标系下的数学模型，预先设定电机给定转速；

6、s2、采用双矢量模型预测电流控制，对表贴式永磁同步电机电压方程进行离散化处理，得到电流预测模型，定义d、q轴定子电流偏差平方和为代价函数，采用单矢量模型预测控制获取第一最优电压矢量，计算该电压矢量作用下定子电流预测值与参考值的偏差，确定第二最优电压矢量，计算代价函数最小时最优电压矢量组合的作用时间，并进行过调制处理；

7、s3、设计超螺旋模型参考自适应观测器，将模型参考自适应与超螺旋控制结合，以超螺旋控制替换传统模型参考自适应观测器中导出的自适应律的pi结构，对永磁同步电机的转速和位置进行估计。

8、本发明进一步设置为：s2具体包括以下步骤：

9、s21：在转子磁链d-q同步旋转坐标系中，表贴式永磁同步电机的电压方程为：

10、

11、式中ud、uq、id、iq分别为电机的d、q坐标系下定子电压和定子电流，rs为定子相电阻，ls为定子电感，ωe为转子的电角速度，ψf为转子磁链幅值；

12、将电压方程离散化可得电流预测模型为：

13、

14、式中ud(k)、uq(k)、id(k)、iq(k)分别为k时刻电机d、q轴定子电压和定子电流，id(k+1)、iq(k+1)为k+1时刻电机d、q轴定子电流预测值，ωr(k)为k时刻转子的电角速度，ts为控制周期；

15、定义如下代价函数

16、

17、s22：遍历零矢量和6个有效电压矢量，分别求代价函数值，代价函数最小值对应的电压矢量为每个控制周期所需的第一最优电压矢量；

18、s23：计算第一最优电压矢量作用一个控制周期后d、q电流预测值与参考值的偏差：

19、δi＝(i*-i(k+1))

20、式中i(k+1)＝[id(k+1)iq(k+1)]，i*为电流参考值，δi为电流偏差。

21、确定控制周期内作用的第二个电压矢量ut2的原则为减小δi，由于δi为d-q坐标系的矢量，而备选的6个有效电压矢量位于α-β坐标系，对δi进行反派克变换，得到α-β坐标系下电流偏差δiαβ，以6个有效电压矢量为中心划分6个扇区，通过δiαβ所在扇区确定；

22、确定最优电压矢量组合后，计算代价函数最小值对应的电压矢量作用时间，在单个控制周期内，双电压矢量组合作用时，d、q轴电流的预测公式可表示如下：

23、

24、式中：sd1、sq1、sd2、sq2分别为电压矢量组合ut1和ut2作用时d、q轴电流的斜率。t1为ut1作用时间，ts-t1为ut2作用时间，可得各电压矢量作用时d、q轴电流斜率分别为：

25、

26、式中ud、uq分别为各电压矢量的d、q轴分量，电压矢量不同，则计算的d、q轴电流斜率也不同；

27、将d、q轴电流的预测公式代入代价函数，求得代价函数取极小值时电压矢量作用时间为：

28、

29、式中：m＝(sd1-sd2)2+(sq1-sq2)2

30、若t1小于零或大于ts，采用单矢量控制。

31、本发明进一步设置为：所述s3具体包括以下步骤：

32、s31：令i'd＝id+ψf/ls，i'q＝iq，u'd＝ud+rsψf/ls，u'q＝uq，构造以定子电流为状态变量的参考模型：

33、

34、式中b＝1/ls。

35、构造可调模型为：

36、

37、式中

38、传统的永磁同步电机观测器自适应律采用pi结构，由popov超稳定性理论导出的自适应律如下：

39、

40、式中为转子电角速度估计值；

41、s32：采用超螺旋控制取代传统的永磁同步电机观测器中的比例积分结构，设计st-mras观测器。

42、定义广义电流误差：

43、

44、结合上式和超螺旋控制原理，构造自适应控制律如下：

45、

46、则pmsm位置估计值为：

47、

48、(三)有益效果

49、本发明提供了一种永磁同步电机无速度传感器模型预测控制方法。具备以下有益效果：

50、(1)本发明通过采用双矢量模型预测电流控制，对表贴式永磁同步电机电压方程进行离散化处理，得到电流预测模型，定义d、q轴定子电流偏差平方和为代价函数，采用单矢量模型预测控制获取第一最优电压矢量，计算该电压矢量作用下定子电流预测值与参考值偏差的方式，进行第二最优电压矢量的确定，通过代价函数最小时最优电压矢量组合的作用时间的计算，减少了双矢量模型预测控制中备选电压矢量组合的数量，进而有效降低了计算量。

51、(2)本发明通过将模型参考自适应与超螺旋控制结合，设计超螺旋模型参考自适应观测器，弥补传统的mras观测器鲁棒性不强的缺点的同时，实现电机转速更加精确的估计。