基于参考电压预测模型的永磁同步电机控制方法及系统

本发明属于永磁同步电机预测控制领域，具体涉及一种基于参考电压预测模型的永磁同步电机控制方法及系统。

背景技术：

1、图1为基于pi速度控制器的传统模型预测控制方法的控制图，其控制流程如下：首先测量永磁同步电机的电流信号和位置信号，经过计算得到转速信号，将转速误差输入到pi控制器得到转矩参考值，并采用最大转矩电流比控制策略得到定子磁链参考值；以及将k时刻电流信号输入到全阶观测器得到k时刻定子磁链的测量值，根据电机电压和电流等信号，模型预测控制器对k+1时刻的转矩和定子磁链值进行预测。预测结束后，将预测结果输入到最小化成本函数中，得到最佳开关状态序列。

2、除了上述传统预测控制方法，探索其他可行方法实现模型预测控制是本发明的目的之一。

技术实现思路

1、区别于传统控制流程，本发明的目的是探索其他控制思路，提供其他可行方法实现模型预测控制，进而提供一种基于参考电压预测模型的永磁同步电机控制方法及系统。其中，本发明所述方法构建参考电压预测模型预测下一时刻α轴、β轴的定子参考电压，以及构建与下一时刻α轴、β轴的定子参考电压相关的成本函数j，通过最小化成本函数来获得最佳开关状态序列，实现永磁同步电机的模型预测控制，提供了一种全新的控制思路/控制手段。

2、为此，实现上述目的的本发明技术方案如下：

3、一方面，提供一种基于参考电压预测模型的永磁同步电机控制方法，包括以下步骤：

4、步骤1：对永磁同步电机进行实时采样，得到αβ坐标系下α轴、β轴的定子电流采样值、定子电压采样值以及电机转速采样值；

5、步骤2：基于电机转速给定值和电机转速采样值计算得到αβ坐标系下α轴、β轴的定子磁链参考值；

6、步骤3：将α轴、β轴的定子磁链参考值和定子电压采样值输入构建的参考电压预测模型预测下一时刻α轴、β轴的定子参考电压；

7、步骤4：构建成本函数j，利用下一时刻α轴、β轴的定子参考电压，通过最小化成本函数来获得最佳开关状态序列，用于控制所述永磁同步电机。

8、进一步可选地，基于所述参考电压预测模型得到下一时刻α轴、β轴的定子参考电压(也为预测电压)的公式如下：

9、

10、存在：

11、us(k)＝[uα(k),uβ(k)]t，is(k)＝[iα(k),iβ(k)]t

12、式中，表示α轴、β轴的定子参考电压构成的矩阵，表示α轴、β轴的定子磁链参考值构成的矩阵，ψs(k)为k时刻的定子磁链观测值，us(k)为定子电压采样值uα(k)、uβ(k)构成的矩阵，is(k)为定子电流采样值iα(k)、iβ(k)构成的矩阵，is(k-1)以及is(k-2)分别对应为k-1时刻，k-2时刻定子电流采样值构成的矩阵，rs为定子电阻，ts为控制周期，k对应采样时刻或采样点，t为矩阵转置标记。

13、模型预测控制依赖于精确的电机参数，在电机的实际运行中，其电感、电阻、磁链参数是时变的，当预测控制方程中的参数与电机实际的参数发生偏差时会恶化电流环的控制性能，出现电流跟踪误差、电流谐波增大、转矩脉动增大的现象，甚至会导致控制系统不稳定。因此电机实际参数严重影响预测电流控制的控制精度，本发明技术方案提出的参考电压预测模型，是通过简单计算移除了电感和永磁体磁链参数，只包括电阻，但通过将电阻与相邻时刻的电流差值相乘抑制了电阻失配的影响。与现有解决方案相比，参考电压预测模型的参数失配抑制不使用参数识别、扰动估计或复杂的查找表。

14、进一步可选地，所述步骤2是将电机转速给定值和电机转速采样值输入构建的离散扰动观测器得到αβ坐标系下α轴、β轴的定子磁链参考值。

15、进一步可选地，利用所述离散扰动观测器计算q轴定子磁链参考值，公式表示为：

16、

17、式中，ψqref为q轴定子磁链参考值，λ常系数，存在np表示极对数，j是转动惯量，lq为q轴电感，ψf为永磁体磁链，为电机转速给定值ωeref对时间的导数，k1和k2均是大于0的常数，s为滑模面函数，sign为符号函数，d(t)为集总扰动，α＞0表示设计参数，速度跟踪误差ωe为电机转速采样值。

18、进一步可选地，所述离散扰动观测器设有扰动补偿模块，所述扰动补偿模块对q轴定子磁链参考值的集总扰动进行前馈补偿，所述前馈补偿表示为：

19、

20、式中，为电机转速估计值，ωe(k)为电机转速采样值，e(k)为电机转速估计误差，为集总扰动估计值，γ1和γ2均为增益参数，tds为速度采样周期，k对应采样时刻或采样点。

21、进一步可选地，增益参数γ1和γ2表示为：

22、其中，ω0表示带宽，且存在：t为矩阵转置标记。

23、本发明技术方案提供的离散扰动观测器作用在速度外环，为预测模型提供准确的参考磁链，该离散扰动观测器能消除电机参数扰动，负载扰动影响，提供准确的参考磁链值，即有效抑制了扰动。

24、进一步可选地，所述成本函数j表示为：

25、

26、其中，uα|sw，uβ|sw为逆变器的基本电压矢量usw对应α轴、β轴的值，sw＝0～7，k对应采样时刻或采样点。

27、其中，成本函数以目标函数的平方差最小为目标，可将直接预测的电压与候选电压矢量进行比较，构建一个无加权因子的成本函数，并选择最佳开关状态。需要说明的是，成本函数存在诸多类，目标不同，成本函数的构造则不同。成本函数一般划分为两类，即没有加权因子、有加权因子，其中，无加权因子的成本函数优势在于稳态性更好，无需加权因子参数整定。本发明优选参考(预测)电压分别与基本电压uα|sw，uβ|sw的差最小为目标，让预测电压逼近基本电压，定子参考电压实质为预测电压。其他可行的实施例中，可以依据应用目标调整成本函数，本发明对此不进行具体的限定。

28、二方面，本发明提供的一种基于上述控制方法的系统，包括：

29、采样模块，用于对永磁同步电机进行实时采样，得到αβ坐标系下α轴、β轴的定子电流采样值、定子电压采样值以及电机转速采样值；

30、定子磁链参考值计算模块，用于基于电机转速给定值和电机转速采样值计算得到αβ坐标系下α轴、β轴的定子磁链参考值；

31、定子参考电压预测模块，用于将α轴、β轴的定子磁链参考值和定子电压采样值输入构建的参考电压预测模型预测下一时刻的α轴、β轴的定子参考电压；

32、控制模块，用于构建成本函数j，利用下一时刻的α轴、β轴的定子参考电压，通过最小化成本函数来获得最佳开关状态序列，用于控制所述永磁同步电机。

33、三方面，本发明提供的一种计算机可读存储介质，存储了计算机程序，所述计算机程序被处理器调用以实现：

34、一种基于参考电压预测模型的永磁同步电机控制方法的步骤。

35、有益效果

36、1.本发明技术方案提供的所述永磁同步电机控制方法，区别于传统控制流程，本发明技术方案通过分析定子磁链幅值和定子参考电压矢量的关系，构建参考电压预测模型预测下一时刻α轴、β轴的定子参考电压，以及构建与下一时刻α轴、β轴的定子参考电压相关的成本函数j，通过最小化成本函数来获得最佳开关状态序列，实现永磁同步电机的模型预测控制，提供了一种全新的控制思路/控制手段。

37、2.本发明进一步优化的技术方案提出的参考电压预测模型，通过简单运算消除了电感和永磁体磁链参数，并通过将电阻与相邻时刻的电流差值相乘抑制了电阻失配的影响，有效地增强了系统抵抗参数失配的能力。

38、3.本发明进一步优化的技术方案，引入离散扰动观测器计算αβ坐标系下α轴、β轴的定子磁链参考值，替代传统控制流程中的pi速度控制器，尤其是设有扰动补偿模块，对q轴定子磁链参考值的集总扰动进行前馈补偿，增强了系统的抗扰动能力，确保了快速的动态性能。