本發(fā)明涉及電機(jī)控制，具體涉及一種基于滑模觀測(cè)器的永磁同步電機(jī)高性能預(yù)測(cè)控制方法。

背景技術(shù)：

1、永磁同步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、集成度高、傳動(dòng)效率高等優(yōu)勢(shì)。因永磁同步電機(jī)為高階非線性不確定系統(tǒng)，快速穩(wěn)定的電流環(huán)是保證永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩性能的關(guān)鍵，常規(guī)反饋控制難以滿足復(fù)雜運(yùn)行過程中高精度控制的需求，相比傳統(tǒng)控制方法，基于模型預(yù)測(cè)控制方法的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能，近年來(lái)受到了廣泛的關(guān)注，但由于實(shí)際的永磁同步電機(jī)系統(tǒng)不可避免的存在內(nèi)部參數(shù)攝動(dòng)、外部負(fù)載擾動(dòng)等因素的存在，預(yù)測(cè)控制下的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速難以獲得期望的控制性能。

2、為提高永磁同步電機(jī)的擾動(dòng)抑制能力和控制精度，有學(xué)者提出了電氣參數(shù)辨識(shí)、魯棒預(yù)測(cè)控制、擾動(dòng)觀測(cè)器估計(jì)擾動(dòng)前饋補(bǔ)償?shù)确椒ā?/p>

3、電氣參數(shù)辨識(shí)方法可以辨識(shí)出電機(jī)的實(shí)際參數(shù)，從而提高預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的控制性能。然而，該方法會(huì)增加計(jì)算量和系統(tǒng)復(fù)雜度，對(duì)控制系統(tǒng)的性能要求較高。此外，參數(shù)辨識(shí)方法的辨識(shí)精度會(huì)受到外部干擾的影響，導(dǎo)致辨識(shí)出來(lái)的參數(shù)與實(shí)際參數(shù)相差較大。因此，在應(yīng)用參數(shù)辨識(shí)方法時(shí)，需要對(duì)外部干擾進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚怼ｔ敯纛A(yù)測(cè)控制算法是在最壞情況下設(shè)計(jì)一個(gè)固定的預(yù)測(cè)控制器，相比于傳統(tǒng)的預(yù)測(cè)控制算法提高了穩(wěn)定裕量，使得系統(tǒng)在較大范圍的外部干擾、參數(shù)變化的情況下依然能保持較好的控制性能，但由于pmsm系統(tǒng)在大多數(shù)情況下可能接近標(biāo)稱工作條件，因此它可能過于保守而無(wú)法獲得所需的高控制性能。

4、本發(fā)明通過構(gòu)建擾動(dòng)觀測(cè)器來(lái)估計(jì)系統(tǒng)擾動(dòng)，并將擾動(dòng)估計(jì)進(jìn)行前饋補(bǔ)償，通過這種方式，可以抑制系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)攝動(dòng)與外部擾動(dòng)對(duì)預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)性能的影響，減小預(yù)測(cè)控制對(duì)電機(jī)的參數(shù)依賴性，提升永磁同步電機(jī)預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的魯棒性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種基于滑模觀測(cè)器的永磁同步電機(jī)高性能預(yù)測(cè)控制方法，控制簡(jiǎn)單、跟蹤精度高、魯棒性能好，同時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為：

3、一種基于滑模觀測(cè)器的永磁同步電機(jī)高性能預(yù)測(cè)控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

4、步驟s1：采集轉(zhuǎn)子位置和機(jī)械角速度信息，采集永磁同步電機(jī)的三相電壓、電流數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電機(jī)定子電壓、電流；

5、步驟s2：構(gòu)建速度環(huán)滑模觀測(cè)器，在線估計(jì)電氣、機(jī)械參數(shù)攝動(dòng)干擾和負(fù)載轉(zhuǎn)矩干擾，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)無(wú)差拍預(yù)測(cè)控制器，輸出下一時(shí)刻參考電流，并設(shè)置輸出參考電流的限幅；

6、步驟s3：構(gòu)建電流環(huán)滑模觀測(cè)器，在線估計(jì)電氣參數(shù)攝動(dòng)干擾，結(jié)合無(wú)差拍預(yù)測(cè)控制原理設(shè)計(jì)電流環(huán)預(yù)測(cè)控制器，輸出下一時(shí)刻電壓；

7、步驟s4：對(duì)輸出電壓進(jìn)行限幅調(diào)制，根據(jù)限幅調(diào)制后的電壓通過park反變換得到靜止坐標(biāo)系下的電壓，結(jié)合兩電平空間矢量調(diào)制模塊輸出給三相逆變器開關(guān)信號(hào)驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

8、作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)：

9、優(yōu)選地，所述步驟s1中，具體包括如下方法：

10、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于滑模觀測(cè)器的永磁同步電機(jī)高性能預(yù)測(cè)控制方法，其特征在于，所述步驟s1中，所述自然坐標(biāo)系abc變換到旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系的clark和park變換為：

11、

12、

13、其中，ka,kb,kc表示永磁同步電機(jī)的三相電壓/電流，三相電壓/電流通過電壓/電流傳感器進(jìn)行采集，kα,kβ表示永磁同步電機(jī)靜止坐標(biāo)系下的電壓/電流，kd,kq表示永磁同步電機(jī)兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓/電流。

14、上述技術(shù)方案優(yōu)選地，所述步驟s2中，具體包括如下方法：

15、步驟s21：建立永磁同步電機(jī)機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程：

16、

17、其中，pn為電機(jī)的極對(duì)數(shù)iq表示永磁同步電機(jī)在q軸方向上的電流，ω為機(jī)械角速度，ψf代表永磁體磁鏈，j為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，tl為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；

18、所述永磁同步電機(jī)在運(yùn)行過程中發(fā)生電氣參數(shù)和機(jī)械參數(shù)攝動(dòng)：

19、

20、其中，ψf0、j0為標(biāo)稱值，δψf、δj為永磁體磁鏈以及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的攝動(dòng)量；

21、把電氣、機(jī)械參數(shù)攝動(dòng)干擾及負(fù)載轉(zhuǎn)矩當(dāng)作總擾動(dòng)，機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程變?yōu)椋?/p>

22、

23、其中，fω表示為轉(zhuǎn)速環(huán)通道的總擾動(dòng)：

24、

25、步驟s22：構(gòu)造轉(zhuǎn)速環(huán)滑模觀測(cè)器，在線估計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)總擾動(dòng)；

26、采用一種光滑連續(xù)的sigmoid(s)函數(shù)取代符號(hào)函數(shù)：

27、

28、式中，α為常數(shù)，α的值決定了邊界層厚度和sigmoid(s)函數(shù)的陡峭程度；

29、轉(zhuǎn)速環(huán)滑模觀測(cè)器設(shè)計(jì)為：

30、

31、式中為ω的估計(jì)值，bω為觀測(cè)器增益值；

32、設(shè)計(jì)滑模面函數(shù)sω：

33、

34、式中eω為轉(zhuǎn)速估計(jì)誤差，轉(zhuǎn)速環(huán)估計(jì)的總擾動(dòng)為：

35、

36、選擇滑模增益bω使得：

37、

38、步驟s23：利用系統(tǒng)模型信息構(gòu)建轉(zhuǎn)速環(huán)無(wú)差拍預(yù)測(cè)控制器：

39、將滑模觀測(cè)器觀測(cè)到的轉(zhuǎn)速環(huán)總擾動(dòng)引入式(5)，利用前向歐拉差分方法，建立轉(zhuǎn)速環(huán)預(yù)測(cè)控制模型；

40、記轉(zhuǎn)速環(huán)采樣周期為tsl，前向歐拉差分得到：

41、

42、令ω(m+1)＝ω*，iq(m+1)＝iq*，得到轉(zhuǎn)速環(huán)所需期望電流為：

43、

44、步驟s24：構(gòu)建參考電流限幅：

45、在永磁同步電機(jī)控制中，對(duì)iq*進(jìn)行限制，設(shè)定為：

46、

47、其中，imax為根據(jù)實(shí)際電機(jī)情況設(shè)置的最大通過電流幅值。

48、上述技術(shù)方案優(yōu)選地，所述步驟s3中，具體包括如下方法：

49、步驟s31：建立表貼式永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向d-q坐標(biāo)系電壓方程：

50、

51、其中，ud、uq、id、iq分別表示永磁同步電機(jī)在d軸和q軸方向上的電壓、電流，l為定子電感，ω為機(jī)械角速度，r、ωe為定子電阻、電角速度，ψf代表永磁體磁鏈；

52、考慮電氣參數(shù)不確定性：

53、

54、其中，r0、l0為標(biāo)稱值，δr、δl為定子電阻、定子電感參數(shù)攝動(dòng)量；

55、結(jié)合(4)式和(16)式代入到(15)式，永磁同步電機(jī)電壓方程變?yōu)椋?/p>

56、

57、其中，fd、fq表示各通道總擾動(dòng)，分別為：

58、

59、步驟s32：構(gòu)造電流環(huán)滑模觀測(cè)器，在線估計(jì)電流環(huán)總擾動(dòng)：

60、通過構(gòu)建電流環(huán)滑模觀測(cè)器在線估計(jì)電氣參數(shù)攝動(dòng)不確定性：

61、

62、式中為id、iq的估計(jì)值，bd,q為觀測(cè)器增益值；

63、設(shè)計(jì)滑模面函數(shù)sd,q：

64、

65、式中ed,q為電流估計(jì)誤差，將(20)式代入(19)式得到：

66、

67、其中，dq軸估計(jì)的總擾動(dòng)為：

68、

69、由(17)和式(21)得誤差動(dòng)態(tài)方程：

70、

71、選擇滑模增益bd、bq使得：

72、

73、步驟s33：利用模型信息構(gòu)建無(wú)差拍電流環(huán)預(yù)測(cè)控制器：

74、將滑模觀測(cè)器觀測(cè)出的d-q軸總擾動(dòng)引入式(17)，前向歐拉差分得到，其中，ts為電流環(huán)采樣周期，多取為機(jī)械量采樣時(shí)間tsl的1/10，得到離散化的永磁同步電機(jī)電流預(yù)測(cè)模型為：

75、

76、其中：

77、

78、根據(jù)(25)式，推導(dǎo)得k時(shí)刻旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系下的定子電壓方程：

79、

80、式中i(k+1)用i*(k)表示，u(k+1)用u*(k)表示，得到k時(shí)刻輸入電壓u*(k)的值：

81、

82、上述技術(shù)方案優(yōu)選地，所述步驟s4中，具體包括如下方法：

83、步驟41：構(gòu)建電壓限幅調(diào)制模塊：

84、根據(jù)逆變器輸出電壓的能力，當(dāng)電壓大于時(shí)，對(duì)電壓進(jìn)行限幅調(diào)制：

85、

86、步驟42：構(gòu)建反park變換模塊：

87、構(gòu)建旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系變換為靜止坐標(biāo)系的反park變換：

88、

89、其中，為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下輸出的電壓，uα,uβ為靜止坐標(biāo)系下輸出的電壓，根據(jù)輸出的電壓，結(jié)合兩電平空間矢量調(diào)制模塊輸出給三相逆變器開關(guān)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

90、本發(fā)明提供的基于滑模觀測(cè)器的永磁同步電機(jī)高性能預(yù)測(cè)控制方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比有以下優(yōu)點(diǎn)：

91、(1)本發(fā)明的基于滑模觀測(cè)器的永磁同步電機(jī)高性能預(yù)測(cè)控制方法，以永磁同步電機(jī)為研究對(duì)象，基于擾動(dòng)估計(jì)和主動(dòng)補(bǔ)償?shù)乃枷耄刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、跟蹤性能優(yōu)越、動(dòng)態(tài)性能好。本發(fā)明在轉(zhuǎn)速電流可測(cè)的條件下，在傳統(tǒng)電流環(huán)無(wú)差拍預(yù)測(cè)控制的基礎(chǔ)上，提出基于滑模觀測(cè)器的永磁同步電機(jī)預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，通過設(shè)計(jì)滑模擾動(dòng)觀測(cè)器在線估計(jì)永磁同步電機(jī)電氣參數(shù)攝動(dòng)干擾，利用擾動(dòng)觀測(cè)值，結(jié)合無(wú)差拍預(yù)測(cè)控制原理設(shè)計(jì)電流環(huán)預(yù)測(cè)控制器，有效地降低了系統(tǒng)參數(shù)依耐性，提高了預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的魯棒性。

92、(2)本發(fā)明的基于滑模觀測(cè)器的永磁同步電機(jī)高性能預(yù)測(cè)控制方法，以轉(zhuǎn)速環(huán)無(wú)差拍預(yù)測(cè)控制器來(lái)取代傳統(tǒng)電流預(yù)測(cè)控制中轉(zhuǎn)速環(huán)的比例積分控制器，由于傳統(tǒng)電流預(yù)測(cè)控制常在轉(zhuǎn)速環(huán)使用比例積分控制器，比例積分控制器的積分作用對(duì)轉(zhuǎn)速偏差進(jìn)行累積，用于消除跟蹤誤差，這就導(dǎo)致了永磁同步電機(jī)在負(fù)載轉(zhuǎn)矩突然變化或者轉(zhuǎn)速發(fā)生改變時(shí)時(shí)，比例積分控制器不能快速得到電流環(huán)參考電流給定值，使得系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能不佳，本發(fā)明在保證控制系統(tǒng)具備很好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能的同時(shí)，通過設(shè)計(jì)滑模擾動(dòng)觀測(cè)器在線估計(jì)永磁同步電機(jī)機(jī)械參數(shù)攝動(dòng)和負(fù)載擾動(dòng)，利用擾動(dòng)觀測(cè)值，結(jié)合無(wú)差拍預(yù)測(cè)控制原理設(shè)計(jì)速度環(huán)預(yù)測(cè)控制器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸出對(duì)參考輸入的快速和高精度跟蹤。