一种永磁同步电机预测电流控制方法与系统

本发明属于电机控制，涉及一种永磁同步电机预测电流控制方法与系统。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、面向新能源汽车、飞轮储能、航空航天以及高速空压机等高性能电机驱动的应用场合，需要不断的加速、减速、并且随时面对负载变化以及其他因素突变等情况，因此对永磁同步电机控制性能的要求不断提高，其中包括动态响应速度、抗扰性能、调速范围以及效率等。

3、随着数字控制器的迅速发展，其计算处理能力大幅度提高，因此许多先进的控制算法相继被提出，而模型预测控制凭借其具有较快的动态响应速度、设计简单、可实现多目标优化等众多优势脱颖而出；模型预测控制(mpc)通过建立被控对象的离散数学模型，利用当前的状态量预测未来的状态，进而求解使得被控对象最优的控制量。永磁同步电机的耦合性以及非线性特征较为明显，面对复杂的工况条件，可通过模型预测控制选择最优的电压矢量来保证其高性能运行。

4、预测电流控制(mpcc)是常用的模型预测控制方法，但其较为依赖电机模型，在模型误差较大时，会影响其预测和控制性能。因此，电机离散模型的精度决定mpcc的控制性能。传统的方法通过前向欧拉差分法进行离散化。首先写出旋转坐标系下的永磁同步电机电压方程。其中rs表示定子电阻，ld,lq表示表示d轴和q轴的电感，ωe表示电角速度，ud,id和uq,iq分别表示d轴和q轴的电压和电流。ψf表示永磁体磁链。

5、

6、通过前向欧拉差分法，令其中的

7、则d轴和q轴的k+1时刻的预测电流值为：

8、

9、其中，ts表示计算周期，id(k)和iq(k)表示d轴和q轴在k时刻的电流值，id(k+1)表示d轴和q轴在k+1时刻的电流预测值，ud(k)和uq(k)代表d轴电压和q轴电压。

10、传统的基于前向欧拉差分法的电流预测模型的预测电流值与实际值较大，当电机运行频率较高时，其器件开关频率与电机频率比值较小，即载波比较小，导致其预测误差加大，进而影响电机的转速跟踪能力，电磁转矩的脉动，定子三相电流等。使其电机运行不平滑，产生脉动，在高速情况下甚至会使得电机失去稳定性。因此，基于前向欧拉差分法的电流预测模型在工况复杂的情况下，工作性能较差，使得成本增高，工作效率降低。

技术实现思路

1、本发明为了解决上述问题，提出了一种永磁同步电机预测电流控制方法与系统，本发明基于中心差分法，对永磁同步电机进行较为精确的建模，通过其所得的电流预测模型，代入相关的状态参数，预测电流在下一时刻的值，最终以代价函数最小化的原则选出最优的电压矢量所对于的开关状态。本发明可以更好的提升电机的动态响应特性以及抗扰能力，进而提高控制系统的稳定性和工作效率，降低成本，提升新能源汽车、飞轮储能、航空航天以及高速空压机等高性能电机驱动控制系统的工作性能。

2、根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：

3、一种永磁同步电机预测电流控制方法，包括以下步骤：

4、根据永磁同步电机在dq旋转坐标系下的模型，使用中心差分法进行离散化，建立电流预测模型；

5、利用所述电流预测模型，对d轴和q轴的下一时刻的电流值进行预测，基于预测值，进行二次预测，得到延时补偿后的预测结果；

6、基于预测结果，以代价函数最小化的原则确定最优的电压矢量所对应的开关状态，以所述开关状态控制永磁同步电机。

7、作为可选择的实施方式，上述控制过程为对永磁同步电机的内环控制。

8、作为可选择的实施方式，还包括以下步骤，根据给定转速与实际转速的差值经过pi控制器输出为q轴的给定值，设置d轴的给定值，对永磁同步电机进行外环控制。

9、作为可选择的实施方式，建立电流预测模型的具体过程包括根据永磁同步电机在dq旋转坐标系下的电压方程，所述电压方程为：

10、

11、其中rs表示定子电阻，ld,lq表示表示d轴和q轴的电感，ωe表示电角速度，ud,id和uq,iq分别表示d轴和q轴的电压和电流，ψf表示永磁体磁链，ts表示计算周期；

12、使用中心差分法进行离散化，建立电流预测模型，令其中的

13、

14、作为可选择的实施方式，对d轴和q轴的下一时刻的电流值进行预测的具体过程包括：d轴和q轴的k+1时刻的预测电流值为：

15、

16、其中，id(k-1)与iq(k-1)代表d轴和q轴在k-1时刻的电流记忆值，其中rs表示定子电阻，ld,lq表示表示d轴和q轴的电感，ωe表示电角速度，ud,id和uq,iq分别表示d轴和q轴的电压和电流，ψf表示永磁体磁链，ts表示计算周期。

17、作为可选择的实施方式，基于预测值，进行二次预测，得到延时补偿后的预测结果的具体过程包括：将预测得到的一拍延时补偿的预测电流值以及各个电压矢量所对应的d轴和q轴的电压输入，再次代入所述电流预测模型，其表达式为：

18、

19、作为可选择的实施方式，以代价函数最小化的原则确定最优的电压矢量所对应的开关状态的具体过程包括：选择令代价函数最小的电压矢量作为下一周期所作用的最优电压矢量，并在运算过程的最后部分，保存本周期k时刻的dq轴电流值作为下一周期k-1时刻的dq轴电流记忆值；

20、所述代价函数为：

21、

22、其中id_ref表示d轴电流给定，iq_ref表示q轴电流给定，由转速环输出，id(k+2),iq(k+2)表示k+2时刻的d轴和q轴电流，m表示代价函数约束项，id,q(k+2)表示k+2时刻的d轴或q轴电流，imax表示所允许的电流最大值。

23、一种永磁同步电机预测电流控制系统，包括控制内环，包括：

24、预测模型构建模块，被配置为根据永磁同步电机在dq旋转坐标系下的模型，使用中心差分法进行离散化，建立电流预测模型；

25、两步预测模块，被配置为利用所述电流预测模型，对d轴和q轴的下一时刻的电流值进行预测，基于预测值，进行二次预测，得到延时补偿后的预测结果；

26、确定模块，被配置为基于预测结果，以代价函数最小化的原则确定最优的电压矢量所对应的开关状态，以所述开关状态控制永磁同步电机。

27、作为可选择的实施方式，还包括控制外环，所述外环为转速环，根据给定转速与实际转速的差值经过pi控制器输出为q轴的给定值，d轴的给定值设置。

28、作为可选择的实施方式，还包括电流传感器和编码器，电流传感器用于采样得到电机当前时刻的电流值，编码器用于得到当前电机的转速和角度信息。

29、永磁同步电机，包括上述控制系统。

30、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

31、(1)在跟踪转速给定部分，本发明所提出的模型拥有更快的响应速度以及更稳定的跟踪，而基于传统欧拉模型的转速波形拥有一定的误差，并且会周期性的出现较大的转速脉动尖峰。

32、(2)在三相电流波形部分，本发明所提出的模型拥有更稳定的电流波形，而基于传统欧拉模型的电流会出现电流尖峰。并且本文所提出的电流预测模型具有更小的thd，可以有效减少预测电流控制中的电流谐波，提高效率。

33、(3)在电磁转矩部分，在永磁同步电机运转的基频附近，本发明所提出的模型电磁转矩平稳，脉动较小，而基于传统欧拉模型的电磁转矩具有较大的电磁转矩脉动，并具有尖峰。

34、(4)本发明在动态响应速度，抗干扰能力，电流谐波，电磁转矩脉动以及高速运行等方面，相较于传统的前向欧拉差分模型，全方面均有优势，并且同样具有结构简单，计算量小等优点。对于其他的电流预测方法，均可采用本发明所提出的模型，适用范围广泛。

35、为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。