一种永磁同步电机的无模型无差拍电流预测控制装置及其方法

摘要

本发明公开了一种永磁同步电机(PMSM)的无模型无差拍电流预测控制装置及其方法，应用于由逆变器、电流传感器、位置传感器、电压传感器和直流电源构成的PMSM驱动系统，其特征是，所述无模型无差拍电流预测控制装置包括：交轴无模型无差拍电流预测控制器、直轴无模型无差拍电流预测控制器、电压调整模快、坐标变换模块和SVPWM调制模块。本发明能提升电动汽车PMSM驱动系统动态和稳态性能，且使系统具有强鲁棒性，实现电动汽车PMSM驱动系统的高性能安全运行。

说明书

技术领域

本发明具体地说是一种永磁同步电机的无模型无差拍电流预测控制装置及其方法。

背景技术

电动汽车永磁同步电机(PMSM)驱动系统中存在多种不确定性，主要表现为PMSM的参数不确定性和逆变器非线性。PMSM的参数不确定性主要表征为电机参数的变化，电机负载运行所伴随的温度变化、铁磁材料的磁导率随温度变化及磁路饱和程度不同呈现出的非线性变化是引起电机参数变化的重要原因。逆变器的非线性特性主要来源于功率开关器件设置的死区时间、非理想开关特性以及功率开关器件存在的寄生电容。

预测控制物理概念明确，具有预见性和目的性、高动态响应和易实现的技术优势，在理论上甚至可以实现零电流误差控制，特别适合于要求具有高动态响应的系统。无差拍预测控制作为预测控制的一种，具有开关频率固定、易于在数字控制系统中实现的优点，且电流谐波分量低，在电机参数精确已知且不计及逆变器非线性的理想情况下能够使PMSM驱动系统获得良好的动态与稳态性能。但是，预测控制究其本质仍是基于模型的控制方法，电机参数不确定性和逆变器非线性的存在将引起模型失配，降低基于预测控制的PMSM驱动系统的动态与稳态性能，严重时甚至影响系统的稳定运行。

为了实现计及参数不确定性的PMSM预测控制，解决方案之一是通过多参数同时在线辨识实现预测模型的自适应更新，提升预测控制系统对多参数变化的鲁棒性。另一种解决方案是基于PMSM数学模型设计扰动观测器，在线估计参数不确定性产生的扰动电压再实施前馈补偿，抵消扰动对系统的影响，再基于标称参数模型实施预测控制，提升系统的动态与稳态性能及对参数变化的鲁棒性。但是，无论是基于多参数在线辨识实现预测模型的自适应更新方案还是基于扰动观测器的预测控制方案，均存在系统控制结构复杂及待整定参数多的技术不足，且依赖于逆变器输出电压的准确获取。然而对于PWM逆变器供电的PMSM驱动系统，逆变器输出电压不仅难以直接测量且难以实现与电机相电流的同步采样，若采用逆变器交轴电压指令、逆变器直轴电压指令替代逆变器输出电压，又面临多参数变化条件下克服逆变器非线性影响的关键技术挑战。此外，建立仅与每个开关周期内电机电流变化相关的预测模型，再设计预测控制器也是解决具有参数不确定性的系统控制的方案，但是这些方法均未计及逆变器非线性对于基于预测控制的PMSM驱动系统性能的影响。

发明内容

本发明是为了克服现有电动汽车PMSM驱动系统电流控制方法的不足，提出一种永磁同步电机的无模型无差拍电流预测控制装置及其方法，基于无模型无差拍电流预测控制提升电动汽车PMSM驱动系统的动态和稳态性能，且兼顾提高系统鲁棒性，从而实现电动汽车PMSM驱动系统的高性能安全运行。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明一种永磁同步电机的无模型无差拍电流预测控制装置，应用于由逆变器、电流传感器、位置传感器、电压传感器和直流电源构成的PMSM驱动系统，其特点是，所述无模型无差拍电流预测控制装置包括：交轴无模型无差拍电流预测控制器、直轴无模型无差拍电流预测控制器、电压调整模块、坐标变换模块和SVPWM调制模块；

在第k个采样周期T_k，所述坐标变换模块对所述电流传感器提供的定子a相电流i_a[k]和定子b相电流i_b[k]、以及所述位置传感器提供的转子实际位置角α[k]进行坐标变换，获得实际定子直轴电流i_d[k]和实际定子交轴电流i_q[k]；

设n为数据窗口长度，所述交轴无模型无差拍电流预测控制器对第k-n-1个采样周期T_k-n-1的逆变器直轴电压指令至第k-1个采样周期T_k-1的逆变器直轴电压指令第k-n个采样周期T_k的实际定子直轴电流i_d[k-n]至第k个采样周期T_k的实际定子直轴电流i_d[k]、第k+2个采样周期T_k+2定子直轴电流指令进行处理，获得逆变器交轴电压指令

所述直轴无模型无差拍电流预测控制器对第k-n-1个采样周期T_k-n-1的逆变器交轴电压指令至第k-1个采样周期T_k-1的逆变器交轴电压指令第k-n个采样周期T_k-n的实际定子交轴电流i_q[k-n]至第k个采样周期T_k的实际定子交轴电流i_q[k]、第k+2个采样周期T_k+2定子交轴电流指令进行处理，获得逆变器直轴电压指令

所述电压调整模块对逆变器交轴电压指令逆变器直轴电压指令直流电源电压U_dc[k]进行处理，获得逆变器直轴电压指令修正值和逆变器交轴电压指令修正值

所述SVPWM调制模块对所述逆变器直轴电压指令修正值和逆变器交轴电压指令修正值进行处理，获得逆变器控制信号S_a[k]、S_b[k]、S_c[k]并传递给所述逆变器；

所述逆变器利用所述逆变器控制信号S_a[k]、S_b[k]、S_c[k]控制所述永磁同步电机的三相定子电压，从而实现对所述永磁同步电机的无模型无差拍电流预测控制。

本发明一种永磁同步电机的无模型无差拍电流预测控制方法，应用于由逆变器、电流传感器、位置传感器、电压传感器和直流电源构成的PMSM驱动系统，其特点是，所述无模型无差拍电流预测控制方法按如下步骤进行：

步骤1、设定PMSM驱动系统运行的采样周期为T；

步骤2、获得第k个采样周期T_k实际定子直轴电流i_d[k]，第k个采样周期T_k实际定子交轴电流i_q[k]，第k个采样周期T_k转子实际位置角α[k]，第k个采样周期T_k直流电源电压U_dc[k]；

步骤2.1、利用所述电流传感器检测获得第k个采样周期T_k的定子a相电流i_a[k]和第k个采样周期T_k的定子b相电流i_b[k]；

步骤2.2、利用所述位置传感器检测获得第k个采样周期T_k的转子实际位置角α[k]；

步骤2.3、利用所述电压传感器检测获得第k个采样周期T_k直流电源电压U_dc[k]；

步骤2.4、利用式(1)进行坐标变换，获得基于转子磁场定向的同步旋转坐标系下永磁同步电机第k个采样周期T_k的实际定子直轴电流i_d[k]和第k个采样周期T_k的实际定子交轴电流i_q[k]：

式(1)中，k≥1且k取为正整数，k＝1,2,3,…；

步骤3、定义n为数据窗口长度，根据第k-n-1个采样周期T_k-n-1的逆变器直轴电压指令至第k-1个采样周期T_k-1的逆变器直轴电压指令第k-n-1个采样周期T_k-n-1的逆变器交轴电压指令至第k-1个采样周期T_k-1的逆变器交轴电压指令第k-n个采样周期T_k的实际定子直轴电流i_d[k-n]至第k个采样周期T_k的实际定子直轴电流i_d[k]、第k-n个采样周期T_k-n的实际定子交轴电流i_q[k-n]至第k个采样周期T_k的实际定子交轴电流i_q[k]，利用式(2)获得第k个采样周期T_k的定子直轴未知部分估计量和第k个采样周期T_k的定子交轴未知部分估计量

式(2)中：n为正整数；α_d为直轴电压系数，α_q为交轴电压系数，当k-n≤0时，令i_d[k-n]＝0，i_q[k-n]＝0，

根据式(2)的结果建立PMSM驱动系统超局部模型如式(3)所示：

步骤4，利用式(4)在第k个采样周期T_k到第k+2个采样周期T_k+2之间对式(3)进行离散化：

步骤5，基于无模型无差拍电流预测控制方法，用第k+2个采样周期T_k+2的定子直轴电流指令代替第k个采样周期T_k的实际定子直轴电流i_d[k+2]，第k+2个采样周期T_k+2的定子交轴电流指令代替第k个采样周期T_k的实际定子交轴电流i_q[k+2]，从而利用式(5)计算获得第k个采样周期T_k的逆变器直轴电压指令和第k个采样周期T_k的逆变器交轴电压指令

步骤6、利用式(6)对第k个采样周期T_k的逆变器直轴电压指令和第k个采样周期T_k的逆变器交轴电压指令进行调整，获得第k个采样周期T_k的逆变器直轴电压指令修正值和第k个采样周期T_k的逆变器交轴电压指令修正值

式(6)中：

步骤7，利用所述SVPWM调制模块对所述第k个采样周期T_k的逆变器直轴电压指令修正值第k个采样周期T_k的逆变器交轴电压指令修正值以及第k个采样周期T_k的转子实际位置角α[k]进行处理，获得第k个采样周期T_k的逆变器控制信号S_a[k]、S_b[k]、S_c[k]，所述逆变器利用所述逆变器控制信号S_a[k]、S_b[k]、S_c[k]控制所述永磁同步电机的三相定子电压；

步骤8、将k+1赋值给k；并返回步骤2执行，实现对所述永磁同步电机的无模型无差拍电流预测控制。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明基于PMSM驱动系统的输入、输出建立PMSM驱动系统的超局部模型，在超局部模型中同时计及PMSM参数变化与逆变器非线性的影响，再将超局部模型离散化作为预测模型，实施无模型无差拍电流预测控制，有效提升了电动汽车PMSM驱动系统的动态和稳态性能。

2、本发明不依赖PMSM驱动系统数学模型，不仅保留了无差拍电流预测控制动态性能优的技术优势，且有效改善了无差拍电流预测控制方法对于PMSM驱动系统数学模型敏感依赖性的不足。

3、相比于专利《一种永磁同步电机的无模型控制装置及其方法》，所提出的无模型无差拍电流预测控制方法，使电动汽车PMSM驱动系统获得更快的电流动态响应与更好的稳态控制精度，对于逆变器非线性影响的抑制效果更佳，电机相电流总谐波失真率更低。此外，所提出的无模型无差拍电流预测控制方法需整定的控制参数由原先无模型控制方法的五个减少到三个，降低了控制参数调整难度，且系统结构更简单，计算量更低，因此具有更好的工程应用价值。

附图说明

图1为本发明控制方法的方框图；

图2为采用基于无模型的电流环控制方法获得的交轴与直轴电流实验图；

图3为采用本发明所提出的控制方法获得的交轴与直轴电流实验图。

具体实施方式

本实施例中，一种永磁同步电机的无模型无差拍电流预测控制装置，应用于由逆变器、电流传感器、位置传感器、电压传感器和直流电源构成的PMSM驱动系统，设置该无模型无差拍电流预测控制装置包括：交轴无模型无差拍电流预测控制器、直轴无模型无差拍电流预测控制器、电压调整模块、坐标变换模块和SVPWM调制模块；

在第k个采样周期T_k，采用坐标变换模块对电流传感器提供的定子a相电流i_a[k]和定子b相电流i_b[k]、以及位置传感器提供的转子实际位置角α[k]进行坐标变换，获得实际定子直轴电流i_d[k]和实际定子交轴电流i_q[k]；

设n为数据窗口长度，交轴无模型无差拍电流预测控制器对第k-n-1个采样周期T_k-n-1的逆变器直轴电压指令至第k-1个采样周期T_k-1的逆变器直轴电压指令第k-n个采样周期T_k的实际定子直轴电流i_d[k-n]至第k个采样周期T_k的实际定子直轴电流i_d[k]、第k+2个采样周期T_k+2定子直轴电流指令进行处理，获得逆变器交轴电压指令

直轴无模型无差拍电流预测控制器对第k-n-1个采样周期T_k-n-1的逆变器交轴电压指令至第k-1个采样周期T_k-1的逆变器交轴电压指令第k-n个采样周期T_k-n的实际定子交轴电流i_q[k-n]至第k个采样周期T_k的实际定子交轴电流i_q[k]、第k+2个采样周期T_k+2定子交轴电流指令进行处理，获得逆变器直轴电压指令

电压调整模块对逆变器交轴电压指令逆变器直轴电压指令直流电源电压U_dc[k]进行处理，获得逆变器直轴电压指令修正值和逆变器交轴电压指令修正值

SVPWM调制模块对逆变器直轴电压指令修正值和逆变器交轴电压指令修正值进行处理，获得逆变器控制信号S_a[k]、S_b[k]、S_c[k]并传递给逆变器；

逆变器利用逆变器控制信号S_a[k]、S_b[k]、S_c[k]控制永磁同步电机的三相定子电压，从而实现对永磁同步电机的无模型无差拍电流预测控制。

本实施例中，一种永磁同步电机的无模型无差拍电流预测控制方法，是应用于由逆变器、电流传感器、位置传感器、电压传感器和直流电源构成的PMSM驱动系统中，该无模型无差拍电流预测控制方法按如下步骤进行：

步骤1、设定PMSM驱动系统运行的采样周期为T，本实施例中，采样周期T为100微秒；

步骤2、获得第k个采样周期T_k实际定子直轴电流i_d[k]，第k个采样周期T_k实际定子交轴电流i_q[k]，第k个采样周期T_k转子实际位置角α[k]；

步骤2.1、利用电流传感器检测获得第k个采样周期T_k的定子a相电流i_a[k]和第k个采样周期T_k的定子b相电流i_b[k]；

步骤2.2、利用位置传感器检测获得第k个采样周期T_k的转子实际位置角α[k]；

步骤2.3、利用电压传感器检测获得第k个采样周期T_k直流电源电压U_dc[k]；

步骤2.4、利用式(1)进行坐标变换，获得基于转子磁场定向的同步旋转坐标系下永磁同步电机的第k个采样周期T_k的实际定子直轴电流i_d[k]和第k个采样周期T_k的实际定子交轴电流i_q[k]：

式(1)中，k≥1且k取为正整数，k＝1,2,3,…；其中，第k个采样周期T_k的定子a相电流i_a(k)和第k个采样周期T_k的定子b相电流i_b(k)是利用霍尔电流传感器检测获得；第k个采样周期T_k的转子实际位置角α(k)是利用旋转变压器获得；第k个采样周期T_k直流电源电压U_dc[k]是利用霍尔电压传感器检测获得。

步骤3、定义n为数据窗口长度，根据第k-n-1个采样周期T_k-n-1的逆变器直轴电压指令至第k-1个采样周期T_k-1的逆变器直轴电压指令第k-n-1个采样周期T_k-n-1的逆变器交轴电压指令至第k-1个采样周期T_k-1的逆变器交轴电压指令第k-n个采样周期T_k的实际定子直轴电流i_d[k-n]至第k个采样周期T_k的实际定子直轴电流i_d[k]、第k-n个采样周期T_k-n的实际定子交轴电流i_q[k-n]至第k个采样周期T_k的实际定子交轴电流i_q[k]，利用式(2)获得第k个采样周期T_k的定子直轴未知部分估计量和第k个采样周期T_k的定子交轴未知部分估计量

式(2)中：n为正整数；α_d为直轴电压系数，α_q为交轴电压系数，当k-n≤0时，令i_d[k-n]＝0，i_q[k-n]＝0，

本实施例中以计算第8个采样周期T₈的定子直轴未知部分估计量为例，选取数据窗口长度n为10，直轴电压系数α_d为750，交轴电压系数α_q为750，采样周期T之前已定为100微秒，根据式(2)可得：

其中i_d[-1]＝i_d[0]＝0，其余需要的i_d[1]…i_d[8]可以根据步骤2.3检测获得，为在之前采样周期已计算获得。

根据式(2)的结果建立PMSM驱动系统的超局部模型如式(3)所示：

步骤4，考虑数字控制器一拍延迟的影响，采用如式(4)所示的一阶欧拉方法，在第k个采样周期T_k到第k+2个采样周期T_k+2之间对式(3)进行离散化：

步骤5，基于无模型无差拍电流预测控制方法，用第k+2个采样周期T_k+2的定子直轴电流指令代替第k个采样周期T_k的实际定子直轴电流i_d[k+2]，第k+2个采样周期T_k+2的定子交轴电流指令代替第k个采样周期T_k的实际定子交轴电流i_q[k+2]，从而利用式(5)计算获得第k个采样周期T_k的逆变器直轴电压指令和第k个采样周期T_k的逆变器交轴电压指令

步骤6、利用式(6)对第k个采样周期T_k的逆变器直轴电压指令和第k个采样周期T_k的逆变器交轴电压指令进行调整，获得第k个采样周期T_k的逆变器直轴电压指令修正值和第k个采样周期T_k的逆变器交轴电压指令修正值

式(6)中：

步骤7，利用SVPWM调制模块对第k个采样周期T_k的逆变器直轴电压指令修正值第k个采样周期T_k的逆变器交轴电压指令修正值以及第k个采样周期T_k的转子实际位置角α[k]进行处理，获得第k个采样周期T_k的逆变器控制信号S_a[k]、S_b[k]、S_c[k]，逆变器利用逆变器控制信号S_a[k]、S_b[k]、S_c[k]控制永磁同步电机的三相定子电压；

步骤8、将k+1赋值给k；并返回步骤2执行，实现对永磁同步电机的无模型无差拍电流预测控制。

为了验证所提出的无模型无差拍电流预测控制方法的技术优势，建立逆变器供电的面装式永磁同步电机(SMPMSM)实验平台，实验平台采用一台2.2kW的三相异步电机作为测功机，逆变器采用英飞凌IGBT模块，基于TI TMS320F28335实现逆变器的实时控制，逆变器开关频率10kHz，死区时间设置为9微秒，逆变器直流母线电压48V，SMPMSM运行于转矩控制方式，测功机运行于转速控制方式。SMPMSM的标称参数如表1所示。

表1面装式永磁同步电机标称参数

额定转矩13N.m极对数12额定电流19A_rms定子电阻0.0957Ω永磁体磁链0.027Wb定子电感1mH转动惯量0.01015kg.m²

将系统转速控制为100转/分钟，在0.05秒时给定交轴阶跃电流指令26.749A，直轴电流指令保持为0A，采用基于无模型控制的SMPMSM电流动态和稳态性能如图2所示，采用所提出的无模型无差拍电流预测控制控制的SMPMSM电流动态和稳态性能如图3所示。通过对比，无模型无差拍电流预测控制的SMPMSM电流动态响应速度更快，稳态时定子直轴电流、定子交轴电流脉动分量更小，且不依赖于SMPMSM驱动系统的数学模型，对于电机参数变化与逆变器非线性具有强鲁棒性。