[發明專利]適用于永磁同步電機的魯棒非線性預測轉矩控制方法

有效

• 申請號: 201810089184.1
• 申請日: 2018-01-30
• 公開（公告）號: CN108322120B
• 公開（公告）日: 2020-02-28
• 發明（設計）人: 史婷娜;肖萌;周湛清;閻彥;夏長亮
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H02P21/30
• 分類號: H02P21/30;H02P21/20;H02P21/13;H02P25/024;H02P27/08
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 劉國威

本發明涉及永磁同步電機控制領域，提出一種適用于永磁同步電機的魯棒非線性預測轉矩控制方法，有效提升算法的魯棒性及系統對轉矩和磁鏈的控制精度。為此，本發明采用的技術方案是，適用于永磁同步電機的魯棒非線性預測轉矩控制方法，步驟如下：步驟一、構建永磁同步電機非線性系統狀態方程；步驟二、求取非線性預測轉矩控制的最優控制率；步驟三、構建非線性擾動觀測器；步驟四、構建魯棒負載擾動觀測器；步驟五、魯棒非線性預測轉矩控制算法的實現。本發明主要應用于同步電機控制場合。

技術領域

本發明涉及永磁同步電機控制領域，特別涉及在預測轉矩控制的情況下，兼顧電機的運行性能的電機控制領域。具體講，涉及適用于永磁同步電機的魯棒非線性預測轉矩控制方法。

背景技術

永磁同步電機具有寬調速范圍、高轉矩輸出能力、高可控性等優點，被廣泛應用于機器人、機車牽引、航天航空等諸多工業領域。近些年，隨著電力電子技術和微處理器的飛速發展，模型預測控制算法逐漸被應用于電力電子控制和電機控制等領域。

目前，針對電壓源逆變器饋電的永磁同步電機驅動系統，其常用的模型預測控制策略為有限控制集模型預測轉矩控制，其原理是以逆變器的8種開關狀態所對應的基本電壓矢量作為備選矢量，基于系統模型預測出每種開關狀態作用下系統的未來響應，通過價值函數對每種開關狀態所產生的未來響應進行評估，進而選出最優的開關狀態。傳統有限控制集模型預測轉矩控制算法依賴于電機模型，而電機系統運行過程中存在未建模擾動及參數變化，這些問題均有可能導致傳統有限控制集模型預測轉矩控制對系統的控制效果降低，甚至出現系統不穩定等現象；此外，有限控制集中只含有8個備選矢量，使得磁鏈和轉矩的控制精度受到限制。

為此，眾多學者提出改進模型預測轉矩控制算法，以提高算法對永磁同步電機的控制性能。主要有魯棒模型預測轉矩控制和擴展控制集模型預測轉矩控制。其中，為提高模型預測轉矩控制的魯棒性而提出的改進算法，由于考慮魯棒性則通常會犧牲對系統轉矩和磁鏈的控制精度；而在為降低轉矩和磁鏈波動而提出的擴展控制集模型預測轉矩控制算法中，主要有占空比模型預測控制和連續控制集模型預測控制，前者的思路是在傳統有限控制集模型預測轉矩控制的基礎上對所選的最優矢量增加占空比調制，并最終結合PWM調制技術以實現算法。而在求取占空比的計算過程中常常需要電機參數，因而會降低算法的魯棒性。與占空比模型預測控制不同，連續控制集模型預測控制直接結合SVPWM調制技術，生成電壓復平面內任意幅值和相角的電壓矢量作為備選矢量，再根據價值函數篩選最優矢量以實現轉矩和磁鏈的精確控制。然而，由于連續控制集模型預測算法控制集內的備選矢量有無窮多個，因此難以直接根據價值函數最小原則實現對最優矢量的在線篩選。

發明內容

為克服現有技術的不足，本發明旨在提出一種適用于永磁同步電機的魯棒非線性預測轉矩控制方法，有效提升算法的魯棒性及系統對轉矩和磁鏈的控制精度。為此，本發明采用的技術方案是，適用于永磁同步電機的魯棒非線性預測轉矩控制方法，步驟如下：

步驟一、構建永磁同步電機非線性系統狀態方程：

永磁同步電機的數學模型表示為

式(1)中，u_d與u_q分別為定子電壓的d、q軸分量；R為定子電阻；i_d與i_q分別為定子電流的d、q軸分量；L_d與L_q分別為PMSM的d、q軸電感；ω_r表示轉子電角速度；ψ_f表示永磁體磁鏈；T_e為電磁轉矩；p為極對數；J為轉動慣量；δ_d與δ_q表示電機電氣參數變化引起的建模誤差及其他不確定性；δ_n表示電機機械參數變化引起的建模誤差、負載擾動及其他不確定性；

永磁同步電機的轉矩和磁鏈表達式分別為