一种鲁棒的永磁同步电机无模型预测控制方法及系统

本发明属于永磁同步电机电流控制，具体涉及一种鲁棒的永磁同步电机无模型预测控制方法及系统。

背景技术：

1、目前，表贴式永磁同步电机(spmsm)因其功率密度大、调速范围宽等优点被广泛应用于工业传动领域。其中，在永磁同步电机的驱动中，位于控制结构的电流环起着非常重要的作用，直接影响电机驱动系统的动态和稳态性能。目前，预测控制是一种响应迅速、概念简单、算法容易实现的控制方法，且逐渐成为永磁同步电机控制的主流方式。

2、然而，预测控制的动态和稳态性能严重依赖于永磁同步电机数学模型的准确性，在永磁同步电机实际工程应用中，电机参数如电阻、电感等，随温度、电磁场变化而发生变化时，会导致电机模型参数失配，继而造成电流环出现跟踪静差、控制性能下降，甚至导致系统不稳定。

3、无模型预测控制方法是一种不需要电机参数，能够较高效地提高系统鲁棒性的方法。如今，无模型预测控制主要有电流差值和超局部模型两种类型的方法。电流差值法是利用存储的每个电压下的电流差值进行预测，该方法存在电流尖峰以及电流更新迟滞的问题。超局部模型法利用超局部模型替代传统的电机模型，通过得到的集中扰动进行下一个周期的预测，该方法的控制性能与集中扰动观测值计算的准确精度有关。

4、并且随着无模型预测控制的发展，由于预测控制的等效高增益和功率转换器电压驱动的限制，预测的参考电压将在响应负载冲击时进入过调制区域，此时大部分研究所采用的svm在过调制区域的控制效果表现不佳，然而对于过调制下的控制性能下降的问题，在基于超局部模型的无模型预测控制中鲜少被讨论。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术的不足，即大部分现有研究所采用的svm在过调制区域的控制效果表现不佳的技术问题，提供一种鲁棒的永磁同步电机无模型预测控制方法及系统。该方法采用滑模观测器快速低抖振地观测出扰动值，较好地提高了系统的鲁棒性；且采用改进的调制输出方式，在不影响稳态性能的基础上改善了系统在过调制下的动态性能。

2、本发明技术方案提供的一种鲁棒的永磁同步电机无模型预测控制方法，其无模型预测部分包括超局部模型和滑模观测器；调制输出部分是一种基于垂直优化的过调制策略的调制输出方法。

3、第一方面，本发明技术方案提供的所述永磁同步电机无模型预测控制方法包括：

4、步骤1：在采样周期内对永磁同步电机的三相电流和电压分别进行采样，并进行坐标变换得到两相dq坐标系下d轴、q轴的采样电流id(k)、iq(k)和采样电压ud(k)、uq(k)；

5、步骤2：将所述d轴、q轴的采样电流id(k)、iq(k)和d轴、q轴的所述采样电压ud(k)、uq(k)输入基于超局部模型构建的滑模观测器，观测得到下一时刻dq坐标系下的定子电流值和集中扰动；

6、步骤3：将所述定子电流值和所述集中扰动代入欧拉离散化后的超局部模型得到d轴、q轴的参考电压值

7、步骤4：利用所述d轴、q轴的参考电压值识别参考电压矢量所处空间电压矢量六边形中的扇区，再基于带垂直优化的过调制策略，利用所处扇区的两个相邻电压矢量和零矢量的占空比，得到逆变器的开关控制信号，以实现对永磁同步电机的控制。

8、本发明技术方案提供的永磁同步电机无模型预测控制方法，用超局部模型代替永磁同步电机的传统数学模型来实现预测电流控制，并利用滑模观测器来估计参数扰动并进行反馈补偿，然后在调制输出的过程中，考虑到过调制的优化问题，在基于svm的基础上提出带垂直优化的过调制策略，以简单的计算实现参考电压的优化调制输出，提高了在过调制区域的动态控制性能。

9、进一步可选地，所述带垂直优化过调制策略的内容包括：

10、利用所述两个相邻电压矢量和零矢量的占空比，识别参考电压矢量所在的调制区域，其中，将空间电压矢量区域分为线性调制区、过调制ⅰ区和过调制ⅱ区；

11、若所述参考电压矢量位于所述线性调制区，利用所述两个相邻电压矢量和零矢量的占空比调制产生开关控制信号；

12、若所述参考电压矢量位于所述过调制ⅰ区，利用垂直法在空间电压矢量边界线上确定由两个相邻电压矢量合成的新参考电压矢量，再更新占空比及调制产生开关控制信号；

13、若所述参考电压矢量位于所述过调制ⅱ区，将所述两个相邻电压矢量中距离最近的一个电压矢量作为新参考电压矢量，再更新占空比及调制产生开关控制信号。

14、进一步可选地，所述将空间电压矢量区域分为线性调制区、过调制ⅰ区和过调制ⅱ区时，对应的划分规则为：

15、若d1+d2≤1，所述参考电压矢量位于线性调制区；

16、若d1+d2＞1且|d1-d2|＜1，所述参考电压矢量位于过调制ⅰ区；

17、若d1+d2＞1且|d1-d2|＞1，所述参考电压矢量位于过调制ⅱ区；

18、式中，d1、d2分别表示更新后的所述两个相邻电压矢量的占空比。

19、进一步可选地，若所述参考电压矢量位于所述过调制ⅰ区，根据如下公式更新占空比：

20、

21、若所述参考电压矢量位于所述过调制ⅱ区，根据如下公式更新占空比：

22、

23、式中，d1、d2分别表示所述两个相邻电压矢量的占空比，表示参考电压矢量，u1、u2为所述两个相邻电压矢量。

24、进一步可选地，所述滑模观测器为基于自适应指数趋近率的滑模观测器，所述滑模观测器中的控制律为：

25、

26、式中，udsmo和uqsmo表示滑模控制律，为自适应系数，k、δ均为大于0的系数，ε为大于0且小于1的系数，λ为设置的比例因子；s为滑模面，包括dq轴方向对应的滑模参数sd、sq，且定义为dq轴下的定子电流观测值与定子电流采样值之间的误差，具体表示为：

27、

28、其中，是dq轴的定子电流观测值，id、iq是dq轴的定子电流采样值，ed、eq分别表示为dq轴下的定子电流观测值与定子电流采样值之间的误差，z(e)为饱和函数，满足：

29、

30、进一步可选地，所述滑模观测器的观测公式表示为：

31、

32、其中，ts表示采样周期，udsmo和uqsmo表示滑模观测器的滑模控制律，gd和gq均为控制律的增益系数，为正实数；

33、是下一时刻dq坐标系下d轴、q轴的定子电流值；是下一时刻dq坐标系下d轴、q轴的集中扰动。

34、其中，本发明选择根据lyapunov函数设计参数k、λ和g，而该设计是已经存在的滑模观测器参数设计的理论，记载于诸多现有论文中，因此，本发明对此不进行具体的限定。g指代gd和gq系数。

35、进一步可选地，所述对超局部模型进行欧拉离散化得到离散化模型对应的参考电压值的公式如下：

36、

37、其中，ts表示采样周期，分别表示q轴、d轴的电流参考值；α为模型输入增益。

38、第二方面，本发明提供一种基于所述永磁同步电机无模型预测控制方法的控制系统，其至少包括：

39、采样模块，用于在采样周期内对永磁同步电机的三相电流和电压分别进行采样，并进行坐标变换得到两相dq坐标系下d轴、q轴的采样电流id(k)、iq(k)和采样电压ud(k)、uq(k)；

40、滑模观测器模块，用于利用所述d轴、q轴的采样电流id(k)、iq(k)和d轴、q轴的所述采样电压ud(k)、uq(k)观测得到下一时刻dq坐标系下的定子电流值和集中扰动；

41、超局部模型预测模块，用于将所述定子电流值和所述集中扰动代入进行欧拉离散化后超局部模型得到d轴、q轴的参考电压值

42、空间矢量调制模块，用于利用所述d轴、q轴的参考电压值识别参考电压矢量所处空间电压矢量六边形中的扇区，再基于带垂直优化的过调制策略，利用所处扇区的两个相邻电压矢量和零矢量的占空比得到逆变器的开关控制信号，以实现对永磁同步电机的控制。

43、第三方面，本发明提供一种基于所述永磁同步电机无模型预测控制方法的系统，其包括永磁同步电机以及控制子系统，所述控制子系统采用所述永磁同步电机无模型预测控制方法生成逆变器的开关控制信号，进而控制所述永磁同步电机。

44、第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其存储了计算机程序，所述计算机程序被处理器调用以实现：

45、在采样周期内对永磁同步电机的三相电流和电压分别进行采样，并进行坐标变换得到两相dq坐标系下d轴、q轴的采样电流id(k)、iq(k)和采样电压ud(k)、uq(k)；

46、将所述采样d轴、q轴的电流id(k)、iq(k)和d轴、q轴的所述采样电压ud(k)、uq(k)输入基于超局部模型构建的滑模观测器，观测得到下一时刻dq坐标系下的定子电流值和集中扰动；

47、将所述定子电流值和所述集中扰动代入进行欧拉离散化后的超局部模型得d轴、q轴的到参考电压值

48、利用所述d轴、q轴的参考电压值识别参考电压矢量所处空间电压矢量六边形中的扇区，再基于带垂直优化的过调制策略，利用所处扇区的两个相邻电压矢量和零矢量的占空比得到逆变器的开关控制信号，以供对永磁同步电机的控制。

49、有益效果

50、本发明公开的一种鲁棒的永磁同步电机无模型预测控制方法，其使用超局部模型代替永磁同步电机的传统数学模型来实现预测电流控制，并利用滑模观测器来估计参数扰动及进行反馈补偿，且最后在调制输出的过程中，考虑到过调制的优化问题，在基于svm的基础上提出带垂直优化的过调制策略，以简单的计算实现参考电压的优化调制输出。可见，本发明技术方案提供的所述方法与现有技术相比，至少具备以下有益效果：

51、(1)所述永磁同步电机无模型预测控制方法采用不使用任何电机参数的超局部模型代替永磁同步电机数学模型，提高了系统的鲁棒性，延续了无模型预测控制方法的优势，同时提供了另一种技术思路来实现无模型预测控制方法。

52、(2)所述永磁同步电机无模型预测控制方法提出了基于svm原理的带垂直优化的过调制策略，将空间电压矢量区域分为线性调制区、过调制ⅰ区和过调制ⅱ区，进而若参考电压矢量位于过调制ⅰ区，利用垂直法在边界线上确定由两个相邻电压矢量合成的新参考电压矢量，进行调制输出。若参考电压矢量位于过调制ⅱ区，将两个相邻电压矢量中距离最近的一个电压矢量为新参考电压矢量，进行调制输出。通过简单的计算，本发明技术方案提高了在过调制区域的动态控制性能，解决了现有svm在过调制区域的控制效果表现不佳，控制性能下降的问题。

53、(3)本发明进一步的优选方案中，提出了基于自适应指数趋近率的滑模观测器，用于观测参数扰动并进行补偿，在自适应指数趋近率的作用下，抑制了滑模控制器的扰动并提高了滑模控制器的跟踪速度，从而提高了预测控制的精度和参数扰动抑制能力，增加了系统的鲁棒性。