一种基于非线性预测误差补偿的电机预测转矩控制方法

摘要

本发明提出了一种基于非线性预测误差补偿的电机预测转矩控制方法，在本发明提出的算法中，不匹配的参数造成的预测误差ΔTe，可以看成是一种扰动d(t)，可以通过扰动观测器估计预测误差。本发明设计了电磁转矩预测误差观测器以及非线性补偿器，提高了预测精度和电磁转矩动态响应。预测转矩控制的精度与感应电机数学模型的离散化方法紧密相关。

说明书

技术领域

本发明属于感应电机控制技术，具体涉及一种基于非线性预测误差补偿的电机预测转矩控制方法。

背景技术

由于模型预测控制具有灵活地设计原则且可实现控制系统的有限步最优控制，因此成为电力驱动领域的国际研究前沿。模型预测控制主要分为连续集模型预测控制(CCS-MPC)与有限集模型预测(FCS-MPC)。连续集模型预测控制的主要思想是通过求解有限步最优问题得到具有连续变化的电压矢量参考值，然后通过电压调节器调制电压矢量参考值。由于电力电子变换器具有有限的电压矢量，有限集预测控制则是通过穷取法选取最优的电压矢量，实现电力驱动系统的电流或转矩控制。由于FCS-MPC契合电力电子变换器具有离散开关状态的特点，同时FCS-MPC直接选择最优电压矢量，具有动态响应快的优点，因此成为电力驱动行业的研究热点。FCS-MPC应用于电机控制领域，主要分为预测电流控制和预测转矩控制。预测电流控制是直接控制电机的励磁电流和转矩电流，而预测转矩控制则是直接控制电磁转矩与定子磁链幅值。FCS-MPC面临的另一个问题是参数鲁棒性问题。尽管FCS-MPC在动态性能以及问题性能方面明显优于传统的基于PI的串联控制策略；但是FCS-MPC求解优化问题严重依赖于电机参数。另一方面，由于电机运行温度的变化以及磁路的非线性，电阻参数以及电感参数处于实时变化之中，影响FCS-MPC的预测精度。

在传统的感应电机预测转矩控制中，速度环的PI(即比例积分)调节器很难实现转速动态响应以及补偿转矩预测误差之间的协调控制，具体分析如下：

感应电机的速度方程如式(1)所示，其中J为电机传动系统总转动惯量，ω

在基于比例积分调节器的感应电机有限集预测转矩控制中，速度环采用比例积分调节器，如图1所示，比例积分调节器的传递函数可以表示成方程(3)，其中k

由于有限集模型预测转矩控制具有快速的电磁转矩动态响应，假定

感应电机速度响应的动态性能和抗扰性性能都取决于多项式s

发明内容

针对不匹配参数引起预测误差导致预测控制性能下降的问题，以及针对感应电机参数变化会引起电磁转矩预测误差进而影响电磁转矩以及转速的动态响应问题，本发明提出了一种基于非线性预测误差补偿的电机预测转矩控制方法，以提高的鲁棒性。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于非线性预测误差补偿的电机预测转矩控制方法，包括：

S1：在当前k时刻，基于二阶扩张观测器估计感应电机的电磁转矩预测误差ΔT

S2：基于当前k时刻的电机转速ω

S3：基于当前k时刻的定子采样值，利用感应电机磁链观测器，估计k+1时刻的定子磁链矢量

S4：根据定子磁链矢量

S5：根据电磁转矩参考值

S6：利用电平逆变器在k+1时刻施加最优电压矢量v

优选的，S1具体为：

感应电机机械方程表示成式(8)，其中d(t)为集总参数负载转矩扰动，如式(9)所示；

令x

基于上述方程(10)，构建的二阶扩张观测器如式(11)所示，α

基于二阶扩张观测器式(11)估计得到x

优选的，S2具体为：

基于自抗扰控制理论，感应电机电磁转矩参考值的计算公式如式(13)所示，其中ω

优选的，S3具体为：

感应电机的状态方程写成状态空间的形式，如式(14)所示，

其中，x＝(i

其中，i

采用闭环的龙贝格观测器，如式(15)所示，

采用简化的增益矩阵设计，如式(17)所示，其中b＜0；

基于方程(15)及二阶欧拉离散法，精准的观测器离散化数学方程如式(16)所示，其中

基于方程(16)，得到定子磁链矢量

优选的，S4具体为：

基于感应电机k+1时刻的状态变量和方程(18)，预测k+2时刻感应电机的状态变量，感应电机电磁转矩的计算公式如式(19)所示，其中p为感应电机的极对数，ψ

T

当u(k+1)分别为多个不同的电压矢量时，利用公式(18)和(19)可得到在k+2时刻的定子磁链矢量|ψ

优选的，S5具体为：

基于控制目标，预测控制的代价函数设计如式(20)所示，其中λ

根据多个电压矢量的电磁转矩和定子磁链矢量的预测值，选择使代价函数最小的电压矢量为最优电压矢量。

优选的，S6具体为：

根据最优电压矢量v

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

在本发明提出的算法中，不匹配的参数造成的预测误差ΔT

进一步的，本发明摒弃了传统的一阶欧拉公式，采用欧拉校正公式，提高了转矩的预测精度同时没有太大增加算法的复杂度。

附图说明

图1是传统预测转矩控制中的比例积分调节器。

图2是本发明基于非线性预测误差补偿的电机预测转矩控制方法的原理框图。

图3是本发明提出的预测误差观测器和转速环非线性控制率的原理框图。

图4是本发明所提方法与传统预测转矩控制的动态性能对比实验，(a)为本发明所提方法的动态性能，(b)为传统预测转矩控制方法的动态性能。

图5是本发明所提方法与传统预测转矩控制的稳态性能对比实验，(a)为本发明所提方法的稳态性能，(b)为传统预测转矩控制方法的稳态性能。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明公开一种基于非线性预测误差补偿的电机预测转矩控制方法。首先，利用扰动观测器(二阶扩张观测器)估计感应电机预测转矩控制的电磁转矩预测误差，利用自抗扰控制理论在考虑电磁转矩预测误差的情况下计算电磁转矩参考值；然后利用采样的定子电流观测下一时刻的定子磁链矢量和定子电流矢量，利用感应电机离散方程分别预测七个不同电压矢量作用下的定子磁链幅值和电磁转矩；最后利用代价函数选择出使代价函数最小化的最优电压矢量，并在下一时刻实施。本发明公开的方法可实时估计并补偿感应电机的电磁转矩预测误差，提高了感应电机预测转矩控制的鲁棒性。

如图2和3所示，本发明的具体实施方式可分为六步，具体如下:

步骤一：在当前控制时刻即k时刻，基于二阶扩张观测器估计感应电机的电磁转矩预测误差ΔT

感应电机机械方程可以表示成式(8)，其中d(t)为集总参数负载转矩扰动，如式(9)所示。

令x

基于上述方程(10)，构建的二阶扩张观测器如式(11)所示，α

基于二阶扩张观测器式(11)估计得到x

步骤二：基于当前k时刻的电机转速ω

基于自抗扰控制理论，感应电机电磁转矩参考值的计算公式如式(13)所示，其中ω

步骤三：基于当前k时刻的定子采样值i

感应电机的状态方程可写成状态空间的形式，如式(14)所示，

其中，x＝(i

其中i

为了精确的估计定子磁链矢量，本文采用闭环的龙贝格观测器，如式(15)所示。

在传统的增益设计中，通常采用观测器极点与感应电机极点成倍数的原则，这样虽然保证了观测器的收敛性，但是转速参数的引入加入了系统的复杂性。在本文中，采用简化的增益矩阵设计，如式(17)所示，其中b＜0。

基于方程(15)及二阶欧拉离散法，精准的观测器离散化数学方程如式(16)所示，其中

基于方程(16)，可得到定子磁链矢量

步骤四：分别预测七个电压矢量作用下，在k+2时刻的定子磁链矢量|ψ

基于感应电机k+1时刻的状态变量和方程(18)，预测k+2时刻感应电机的状态变量。感应电机电磁转矩的计算公式如式(19)所示，其中p为感应电机的极对数，ψ

T

当u(k+1)分别为七个不同的电压矢量时，利用公式(18)和(19)可得到定子磁链矢量和电磁转矩的预测值。

步骤五：利用预测控制的代价函数，选择出使代价函数最小化的最优电压矢量v

基于控制目标，预测控制的代价函数设计如式(20)所示，其中λ

根据七个电压矢量的电磁转矩和定子磁链矢量的预测值，选择使代价函数最小的电压矢量为最优电压矢量。

步骤六：利用电平逆变器在k+1时刻施加最优电压矢量v

根据最优电压矢量v

仿真实例

图4为本发明提出的预测转矩控制及传统预测转矩控制的动态实验波形。图4(a)为本发明提出的预测转矩控制，其转速响应时间为0.35s，而传统预测转矩控制的转速响应时间为0.62s。图5为本发明提出的预测转矩控制及传统预测转矩控制的稳态实验波形，由图可知，本发明所提方法的定子电流总谐波含量为10.05％，而传统方法的定子电流总谐波含量为12.31％。实验结果表明本发明所提的方法具有更好的动态性能和稳态性能。