[0001] 所属领域
[0002] 本
发明涉及永磁同步电机技术领域，尤其涉及一种永磁同步电机的高可靠性电流预测控制方法及其系统。
背景技术
[0003] 永磁同步电机由于具有效率高、体积小，结构简单等特点，近几年被广泛应用于航空航天、家电、电动
汽车等领域。现有的永磁同步电机控制技术中，矢量控制的应用最为广泛，它包括转速外环和电流内环的双闭环控制结构，电流环的设计决定了电机控制系统的动态响应速度和稳态
精度，其
控制器多采用PI控制器。然而作为一个多变量、强耦合的非线性系统，传统的PI控制的性能易受系统不确定性以及外部扰动的影响，其次采用PI控制时电机的极点会随着转速的变化而变化，所以采用传统的PI控制无法在全速段的范围内都达到一个高性能的控制特性。
[0004] 无差拍电流预测控制
算法是根据电机和逆变器在同步旋转
坐标系下的数学模型预测下一时刻逆变器的
开关信号，可以提高永磁同步电机电流环的动态响应，降低电机的转矩脉动。但由于控制器的输出与电机模型参数之间存在着密切的联系，因此传统的无差拍电流预测控制需要高精度的模型参数，尤其是电机电感的参数，当系统存在50％以上的电感误差时，控制器开始发散，当存在磁链误差时，控制器虽然能稳定，但是稳态时会存在稳态误差，因此，如何合理利用无差拍电流预测控制，最大程度的减小误差，是本领域急需解决和克服的问题。
发明内容
[0005] 本发明正是针对
现有技术中的问题，提供了一种永磁同步电机的高可靠性电流预测控制方法及其系统，针对无差拍电流预测控制的以上
缺陷，根据永磁同步电机的离散数学模型，建立了线性扩张状态观测器来预测下一周期的电流，并观测出参数变化造成的
电压干扰，并将电压干扰补偿至无差拍电流预测控制器中，解决了永磁同步电机采用无差拍电流预测控制对电机参数的依赖，鲁棒性低，稳态精度低，运行可靠差的技术问题，本发明方法电机动态响应快，稳态控制精度高，鲁棒性高，运行可靠。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种永磁同步电机高可靠性电流预测控制方法，包括以下步骤：
[0007] S1，tk时刻永磁同步电机dq轴电流的获取：通过电流
传感器采集永磁同步电机的
三相电流，经过坐标变换得到永磁同步电机在tk时刻的dq轴电流；
[0008] S2，tk时刻电机旋转电
角速度获取：通过
编码器测量并计算得到永磁同步电机的实际转速；
[0009] S3，tk+1时刻永磁同步电机dq轴预测电流的获取：将经步骤S1获取的dq轴电流、步骤S2获取的电机旋转角速度及tk-1时刻无差拍电流预测控制器输出的dq轴电压输入到线性扩张状态观测器中，得到tk+1时刻永磁同步电机dq轴电流预测值以及参数变化导致的dq轴电压干扰；
[0010] S4，dq轴电流给定值获取：将经步骤S2获取的电机旋转角速度与给定电角速度做差，通过PI速度控制器计算出dq轴电流给定值；
[0011] S5，tk时刻永磁同步电机dq轴电压的获取：将经步骤S3得到的tk+1时刻永磁同步电机dq轴电流预测值以及经步骤S4获得的tk时刻dq轴电流给定值输入到无差拍电流预测控制器，输出得到tk时刻dq轴电压；
[0012] S6，tk时刻永磁同步电机dq轴电压的更新获取：将经步骤S3得到的参数变化导致的dq轴电压干扰补偿至无差拍电流预测控制器，重新得到tk时刻dq轴电压；
[0013] S7，信号产生：通过坐标变换以及空间矢量
脉宽调制技术产生控制三相逆变器功率器件的通断信号，
驱动电机运转。
[0014] 作为本发明的一种改进，所述步骤S3中线性扩张状态观测器为：
[0015]
[0016] 其中，Ts为
采样周期；Rc为已知理想
定子电阻；Lc为已知理想定子电感；λc为已知理想
永磁体磁链；ωr为电机电角速度；udq为定子电压；idq为定子电流； 为定子电流预测值；vdq为定子电压干扰；e为定子电流误差；j为虚数单位；β1、β2为扩张状态观测器参数。
[0017] 作为本发明的另一种改进，所诉无差拍电流预测控制器为：
[0018]
[0019] 其中，Ts为采样周期；Rc为已知理想定子电阻；Lc为已知理想定子电感；λc为已知理想永磁体磁链；ωr为电机电角速度；udq为定子电压； 为定子电流给定值； 为定子电流预测值；j为虚数单位。
[0020] 作为本发明的另一种改进，所述步骤S6中将线性扩张状态观测器观测得到的电压扰动补偿至无差拍电流预测控制器，重新得到tk时刻的dq轴电压为：
[0021]
[0022] 为了实现上述目的，本发明还采用的技术方案是：一种永磁同步电机高可靠性电流预测控制系统，包括采集系统、坐标变换系统、无差拍电流预测控制器、线性扩状态观测器及PI速度控制器，
[0023] 所述采集系统包括用于采集永磁同步电机实际转速的编码器及用于采集永磁同步电机电流的传感器；
[0024] 所述无差拍电流预测控制器用于输出dq轴电压；
[0025] 所述PI速度控制器用于计算dq轴电流给定值；
[0026] 所述线性扩张状态观测器用于获得永磁同步电机dq轴电流预测值以及参数变化导致的dq轴电压干扰；
[0027] 所述坐标变换系统分别与采集系统与调
制模块相连接，通过线性扩张状态观测器来预测下一个周期的电流，并观测出参数变化造成的电压干扰，并将电压干扰补偿至无差拍电流预测控制器中，通过坐标变换以及空间矢量脉宽调制技术产生控制三相逆变器功率器件的通断信号，驱动电机运转。
[0028] 作为本发明的另一种改进，所述坐标变换系统包括Clarke坐标变换、Park坐标变换及反Park坐标变换，所述Clarke坐标变换、Park坐标变换与采集系统相连接，用于变换获取采集到的电流，所述反Park坐标变换与调制模块相连接，相互作用得到控制三相逆变器功率器件的通断信号。
[0029] 与现有技术相比，本发明
专利的有益效果：
[0030] (1)、本发明采用复矢量无差拍电流预测控制器，增强了永磁同步电机的动态响应性能。
[0031] (2)、本发明采用复矢量线性扩张状态观测器，考虑到电机参数变化的影响，能够准确的预测电流值，同时能够观测出电机参数变化造成的电压干扰。
[0032] (3)、将复矢量线性扩张状态观测器与复矢量无差拍电流预测控制器相结合，解决了无差拍电流预测控制算法在两倍电感误差时算法发散的问题，同时将电机参数误差造成的电压干扰补偿至复矢量无差拍电流预测控制器，解决了稳态精度低的问题，提高了无差拍电流预测控制算法的鲁棒性和运行可靠性。
附图说明
[0033] 图1是本发明一种永磁同步电机的高可靠性电流预测控制方法的控制
框图；
[0034] 图2是两倍电感误差时，A相电流
波形图，其中：
[0035] 图2(a)为传统无差拍电流预测控制下的A相电流波形图；
[0036] 图2(b)为本发明方法控制下的A相电流波形图；
[0037] 图3是两倍磁链误差时，q轴电流的波形图，其中：
[0038] 图3(a)为传统无差拍电流预测控制下的q轴电流的波形图；
[0039] 图3(b)为本发明所提供的高可靠性电流预测控制下的q轴电流的波形图。
具体实施方式
[0040] 以下将结合附图和
实施例，对本发明进行较为详细的说明。
[0041] 实施例1
[0042] 一种永磁同步电机高可靠性电流预测控制系统，包括采集系统、坐标变换系统、无差拍电流预测控制器、线性扩状态观测器及PI速度控制器，所述采集系统包括用于采集永磁同步电机实际转速的编码器及用于采集永磁同步电机电流的传感器；所述无差拍电流预测控制器用于输出dq轴电压；所述PI速度控制器用于计算dq轴电流给定值；所述线性扩张状态观测器用于获得永磁同步电机dq轴电流预测值以及参数变化导致的dq轴电压干扰；
[0043] 所述坐标变换系统分别与采集系统与调制模块相连接，通过线性扩张状态观测器来预测下一个周期的电流，并观测出参数变化造成的电压干扰，并将电压干扰补偿至无差拍电流预测控制器中，通过坐标变换以及空间矢量脉宽调制技术产生控制三相逆变器功率器件的通断信号，驱动电机运转。
[0044] 如图1所示，一种永磁同步电机的高可靠性电流预测控制方法的控制框图，包括永磁同步电机、三相逆变器、SVPWM调制模块、编码器、速度PI控制器、复矢量线性扩状态观测器、复矢量无差拍电流预测控制器、Clarke坐标变换、Park坐标变换、反Park坐标变换构成，在一个控制周期内，通过电流传感器得到永磁同步电机定子A、B相定子电流ia(k)、ib(k)，经过Clarke变换和Park变换得到两相旋转坐标系下的定子电流id(k)、iq(k)；将无差拍电流预测控制器的
输出电压ud(k)、uq(k)，定子电流id(k)、iq(k)以及编码器采样计算得到的电机旋转电角速度ωr输入到线性扩张状态观测器计算得到下一控制周期的定子电流预测值以及电机参数变化造成的电压干扰vd(k+1)、vq(k+1)；将编码器测得的电机电角速度ωr与给定电角速度 的作差，通过PI速度控制器计算出交轴电流给定值 采用id＝0的控制策略，将dq轴电流给定值 当前时刻dq轴电流值id(k)、iq(k)以及下一时刻dq轴电流预测值 输入到无差拍电流预测控制器中计算得到dq轴电压；
将线性扩张状态观测器得到的电压干扰vd(k+1)、vq(k+1)补偿至无差拍电流预测控制器的输出，重新得到dq轴电压ud(k)、uq(k)，通过反帕克变换和SVPWM调制模块产生控制三相逆变器功率器件的通断信号，驱动电机运转。
[0045] 在同步旋转坐标系中，假设fdq＝fd+jfq(其中f可表示为电压u、电流i，j为虚数单位)，fd为直轴分量，fq为交轴分量，则永磁同步电机的数学模型表示为：
[0046]
[0047] 采用欧拉一阶向前离散将上式离散化：
[0048]
[0049] 其中，其中，Ts为采样周期，Rc为已知理想定子电阻，Lc为已知理想定子电感，λc为已知理想永磁体磁链，ωr为电机电角速度，udq为定子电压，idq为定子电流。
[0050] 以第k个采样周期为例，无差拍的原理是在第k个采样周期计算出第k+1个采样周期的定子电压。由于采样和计算需要一定的时间，计算出的第k+1个采样周期的定子电压会在tk+1时刻才开始生效，因此用于计算其的dq轴电流初值应该是tk+1时刻的电流值，然而该计算过程是在第k个采样周期中完成的，所以需要对tk+1时刻的电流值进行预测。
[0051] 根据永磁同步电机的数学模型估计的电流值与电机参数的准确性密切相关，为了提高电流预测的准确性，利用线性扩张状态观测器来预测tk+1时刻的电流值以及电压干扰值。根据公式(2)，所诉的线性扩张状态观测器设计为：
[0052]
[0053] 其中 为定子电流预测值，vdq为定子电压干扰，e为定子电流误差，β1、β2为扩张状态观测器参数。
[0054] 根据公式(2)，以及无差拍的原理，可得无差拍电流预测控制器：
[0055]
[0056] 当电机参数变化时，根据无差拍电流预测控制器计算出的定子电压会有偏差，使得电机的实际电流无法跟随上给定电流，造成一个稳态误差。本发明所设计的线性扩张状态观测器不仅能准确的预测电流，还可以观测出由于电机参数变化造成的电压干扰，并将该电压干扰补偿至无差拍电流预测控制器，重新得到dq轴坐标系下的电机驱动电压：
[0057]
[0058] 将上诉得到的永磁同步电机dq轴坐标系下的输入电压ud、uq进行park逆变换，得到永磁同步电机在αβ轴坐标系下的输入电压uα、uβ，通过空间电压矢量脉宽调制技术将uα、uβ转化为作用于控制三相逆变功率器件的通断信号，最终驱动永磁同步电机运转。
[0059] 为验证本发明所提出的一种永磁同步电机的高可靠性电流预测控制方法的有效性，建立了基于Simulink的仿真平台。
[0060] 图2给出了永磁同步电机在两倍电感误差时，传统无差拍电流预测控制和本发明所提供的高可靠性电流预测控制下的A相电流波形图，图2(a)为传统无差拍电流预测控制下的A相电流波形图，图2(b)为本发明方法控制下的A相电流波形图，如图2可见，在两倍电感误差时，传统无差拍电流预测控制下电流波形已经不稳定，而本发明所提供的高可靠性电流预测控制下的电流波形依旧稳定，验证了本发明所提供方法的高鲁棒性。
[0061] 图3给出了永磁同步电机在两倍磁链误差时，传统无差拍电流预测控制和本发明所提供的高可靠性电流预测控制下的q轴电流的波形图，图3(a)为传统无差拍电流预测控制下的q轴电流的波形图，图3(b)为本发明所提供的高可靠性电流预测控制下的q轴电流的波形图，如图3可见，在两倍磁链误差时，传统无差拍电流预测控制下q轴电流虽然能稳定，但出现了稳态误差，而本发明所提供的高可靠性电流预测控制下的q轴电流依旧稳定，同时也消除了稳态误差，上述实验验证了本发明所提供方法的高稳态精度。
[0062] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实例的限制，上述实例和
说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的
权利要求书及其等同物界定。
