永磁同步电机无差拍电流预测控制系统的制作方法

本实用新型属于永磁同步电机技术领域，具体涉及一种永磁同步电机无差拍电流预测控制系统。

背景技术：

在交流调速系统中，永磁同步电机(permanentmagnetsynchronousmotor，pmsm)作为被控对象，具有结构简单、调速范围宽、效率高、运行可靠、体积小、动静态特性好等优点。永磁同步电机控制系统是一个强耦合多变的非线性系统，目前大部分的pmsm调速系统采用pi控制算法，具有算法简单、可靠性高及调速方便等优点，能满足一定范围内的控制要求的优点，但该算法控制器存在积分饱和的问题，而且负载参数发生变化或外界干扰过大时，难以满足系统的调速要求和精确定位，故限制了在高性能场合的应用。

近年来，为了能使pmsm调速系统的控制性能得到改善和提高，一些新型的控制算法如模糊控制、自适应控制、滑模变结构控制及电流预测控制等也被国内外研究人员提出。其中电流预测控制被广泛应用于交流调速场合，它通过对系统数学模型的分析，然后对下一状态进行预测并求解出系统的最优控制量，而pmsm调速系统电流环多采用电流预测算法，该算法可以获得很好的电流响应特性。但速度环仍采用pi控制算法，故速度环抗干扰性并没有得到提高，且有着动态响应速度慢，鲁棒性低等技术问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种永磁同步电机无差拍电流预测控制系统，解决了现有控制系统动态响应速度慢、鲁棒性低的问题。

本实用新型所采用的技术方案是，永磁同步电机无差拍电流预测控制系统，包括分数阶滑模控制器、无差拍电流预测控制器、滑模扰动观测器、坐标变换模块和驱动模块；

分数阶滑模控制器，用于根据采集到的当前时刻的永磁同步电机的转子角速度和给定转速的转速差进行控制之后得到d轴的参考电流分量，然后输入到无差拍电流预测控制器；

无差拍电流预测控制器，用于dq轴电流估计值和下一时刻dq轴的参考电流预测当前时刻下的dq轴下的电压；

滑模扰动观测器，用于根据对采集到的电流，得到参数变化下的电压扰动量和电流估计值，将电流估计值输入无差拍预测电流控制器，以及将电压扰动量与预测出的控制电压进行补偿；

坐标变换模块，用于将采集到定子三相电流，经过坐标变换得到永磁同步电机在当前时刻dq轴坐标下的等效电流输入到滑模扰动观测器；

驱动模块，用于将无差拍电流预测控制器根据电流估计值和下一时刻dq轴的参考电流预测得到的当前时刻下的dq轴电压和滑模扰动观测器得到的电压补偿量进行补偿后得到控制电压，将控制电压经过坐标变换以及空间矢量调制得到六个脉冲波形控制逆变器的六个管子的通断，让逆变后得到的三相电压作为永磁同步电机的三相输入电压，使得永磁同步电机稳定运行。

本实用新型的其他特点还在于，

坐标变换模块包括clark变换模块和park变换模块，将采集的三相电流ia，ib，ic依次经过clark变换模块进行clark变换、经过park变换模块进行park变换得到永磁同步电机在当前时刻dq轴坐标下的等效电流id和iq，输入到滑模扰动观测器。

驱动模块包括park逆变换模块、空间矢量调制模块和逆变器，park逆变换模块将无差拍预测电流控制器根据转速差、电流估计值和下一时刻dq轴的参考电流预测得到的当前时刻下的dq轴电压和滑模扰动观测器得到的电压补偿量进行补偿后得到的驱动电压经过逆变换，然后输入给空间矢量调制模块，空间矢量调制模块调制得到六路脉冲调制波形输入给逆变器的六个管子进行逆变后，得到永磁同步电机的三相输入电压，使得永磁同步电机稳定运行。

本实用新型的有益效果是，一种永磁同步电机无差拍电流预测控制系统，基于fosmc(分数阶滑模控制，frationalorderslidingmodecontrol)使得分数阶微积分与滑模变结构控制相结合，对系统中的转速进行控制，由于分数阶微积分有更多的自由度，且能够削弱系统在滑动模态过程中的抖震，提高了转速的控制精度；在电流环采用无差拍电流预测控制，当系统参数随温度、频率发生变化时，设计了滑模扰动观测器，对所产生的误差进行了补偿，可获得更好的电流特性，且提高速度环的抗干扰性能,使系统能够稳定运行。

附图说明

图1是本实用新型的永磁同步电机无差拍电流预测控制系统的结构示意图；

图2是本实用新型的永磁同步电机无差拍电流预测控制系统的控制方法流程图；

图3是本实用新型的永磁同步电机无差拍电流预测控制系统在滑模面的运动轨迹图；

图4是本实用新型的fosmc与传统的smc收敛于滑模面的示意图；

图5是传统的控制系统空载时转速环为pi控制的速度响应图；

图6是本实用新型的永磁同步电机无差拍电流预测控制系统空载时的smc电流预测控制的速度响应图；

图7是传统的控制系统突加负载时的pi控制的速度响应图；

图8是本实用新型的永磁同步电机无差拍电流预测控制系统突加负载时的smc电流预测控制的速度响应图；

图9是本实用新型的永磁同步电机无差拍电流预测控制系统在dcpc下电流响应波形图；

图10是本实用新型的永磁同步电机无差拍电流预测控制系统在smdo+dcpc电流响应波形图；

图11是本实用新型的永磁同步电机无差拍电流预测控制系统的速度环在smc控制下的转速响应图；

图12是本实用新型的永磁同步电机无差拍电流预测控制系统的速度环在fosmc控制下的转速响应图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

本实用新型的永磁同步电机无差拍电流预测控制系统，如图1所示，包括分数阶滑模控制器、无差拍电流预测控制器、滑模扰动观测器、坐标变换模块和驱动模块；

分数阶滑模控制器，用于根据采集到的当前时刻的永磁同步电机的转子角速度和给定转速的转速差进行控制之后得到d轴的参考电流分量，然后输入到无差拍电流预测控制器；

无差拍电流预测控制器，用于根据dq轴电流估计值和下一时刻dq轴的参考电流预测当前时刻下的dq轴下的电压矢量；

滑模扰动观测器，用于根据对采集到的电流，得到参数变化下的电压扰动量和电流估计值，将电流估计值输入无差拍预测电流控制器，以及将电压扰动量与预测出的控制电压进行补偿；

坐标变换模块，用于将采集到定子三相电流，经过坐标变换得到永磁同步电机在当前时刻dq轴坐标下的等效电流输入到滑模扰动观测器；

驱动模块，用于将无差拍预测电流控制器根据电流估计值和下一时刻dq轴的参考电流预测得到的当前时刻下的dq轴电压和滑模扰动观测器得到的电压扰动量进行补偿后得到控制电压，将控制电压经过坐标变换以及空间矢量调制(svpwm)得到六个脉冲波形控制逆变器的六个管子的通断，经过逆变后得到永磁同步电机的三相输入电压，使得永磁同步电机运行。

其中，坐标变换模块包括clark变换模块和park变换模块，将采集的三相电流ia，ib，ic依次经过clark变换模块进行clark变换、经过park变换模块进行park变换得到永磁同步电机在当前时刻dq轴坐标下的等效电流id和iq，输入到滑模扰动观测器。

其中，驱动模块，包括park逆变换模块、空间矢量调制模块和逆变器，park逆变换模块将无差拍预测电流控制器根据转速差、电流估计值和下一时刻dq轴的参考电流预测得到当前时刻下的dq轴电压和滑模扰动观测器得到的电压补偿量进行补偿后得到的控制电压经过park逆变换，然后输入给空间矢量调制模块，空间矢量调制模块调制得到六路脉冲调制波形输入给逆变器的六个管子进行逆变后，得到永磁同步电机的三相输入电压，使得永磁同步电机稳定运行。

本实用新型的永磁同步电机无差拍电流预测控制系统的控制方法，如图2所示，具体操作过程包括如下步骤：

步骤1，在三相静止坐标系下，建立永磁同步电机的电压方程，通过坐标变换得到dq坐标系下的电压方程、定子磁链方程和电磁转矩方程；

步骤1中永磁同步电机在三相静止坐标系下的电压方程如式(1)所示：

式中，ua为a相定子电压，ub是b相定子电压，uc是c相定子电压，rs是每相绕组电阻，ia为a相定子电流，ib为b相定子电流，ic为c相定子电流，ψa为a相定子磁链，ψb为b相定子磁链，ψc为c相定子磁链；

dq轴坐标系下的电压方程、定子磁链方程和电磁转矩方程分别如式(2)、式(3)和式(4)所示：

式中，ud为d轴上的定子电压分量，uq为q轴上的定子电压分量，id为d轴上的定子电流分量，iq为q轴上的定子电流分量，ψd为d轴上的定子磁链分量，ψq为q轴上的定子磁链分量，ld为d轴的定子电感，lq为q轴的定子电感，ψf为永磁体产生的耦合磁链，ωr为电角速度，te为输出电磁转矩，pn为电机极对数，rs为每相绕组电阻。

步骤2，采集永磁同步电机的转子角速度ωm和定子三相电流ia，ib，ic，将采集的三相电流经过clark变换、park变换得到永磁同步电机在当前时刻dq轴坐标下的等效电流id和iq；

步骤3，将采集的永磁同步电机的转子角速度转化为电角速度与给定转速进行比较得到转速差，将转速差作为控制量，设计滑模面和分数阶滑模控制器；

步骤3的具体过程包括如下步骤：

步骤3.1，定义状态变量为x，如式(5)所示：

x＝ω*-ω(5)

式中，ω*为给定转速，ω为实际转速；

步骤3.2，确定滑模面以及趋近率，如式(6)和式(7)所示：

式中，s为滑模切换面，k1与k2是滑模面增益，为分数阶微积分算子，t为微积算子的下限，α为算子的阶次，τ为变化时间；

式中，ε，k为趋近律系数；为分数阶微积分算子；α为算子的阶次；β，μ为设计参数；sgn(·)为符号函数；p,q均为大于零的奇数，且p＞q；

步骤3.3，根据步骤3.2中的滑模面和趋近律设计分数阶滑模控制器，如式(8)所示：

式中，j是转动惯量，p为极对数，ψf为转子磁链，k1与k2是滑模面增益，ε，k为趋近律系数，为分数阶微积分算子，α为算子的阶次，β，μ为设计参数，sgn(·)为符号函数，p,q均为大于零的奇数，且p＞q，b为摩擦系数，s为滑模切换面；

步骤4，将当前时刻的dq轴的等效电流id和iq通过滑模扰动观测器得到参数变化下的电压扰动量fd(k+1)、fq(k+1)与电流估计值；

步骤4的具体过程如下：

步骤4.1，建立滑模扰动观测器的数学模型，如式(9)-(11)所示：

其中，fd和fq分别为参数变化时的扰动量，(fd和fq为参数扰动量的变化率，取值为0)；δr、δl、δψf分别为电机电阻、电感和磁链的偏差量；

步骤4.2，建立滑模扰动观测器(smdo)的数学模型如式(12)-(13)所示：

其中，ud为d轴上的定子电压分量，uq为q轴上的定子电压分量，ld为d轴的定子电感，lq为q轴的定子电感，和分别为id和iq的估计值，rs为电阻，ψf为永磁体产生的耦合磁链，ωe为电角速度，和为电机参数偏差导致的扰动估计量；kd和kq为滑模参数；fds和fqs为滑模控制函数；

步骤4.3，根据步骤1建立的永磁同步电机的数学模型式(1)和步骤4.2建立的滑模扰动观测器的数学模型式(9)-式(13)得到误差方程如式(14)和式(15)所示：

其中，和分别为dq轴电流估计误差量；和分别为扰动估计误差量；

步骤4.4，根据滑模控制得到滑模控制函数如式(16)所示：

其中，pd、pq、λp、λq为趋近律参数，sign(·)是符号函数；

步骤4.5，根据李雅普诺夫函数的稳定性分析得到滑模观测器参数的取值范围如(17)所示：

步骤4.6，将步骤4.3中的误差数学模型离散化，得到电机参数扰动时dq轴电流与扰动的滑模观测器数学模型如式(18)和式(19)所示：

其中，和是通过滑模观测器估计得到的dq轴电流，和是通过滑模观测器估计得到的参数变化导致的扰动估计量；

步骤5，将步骤4得到的dq轴的电流估计值与下一时刻的参考电流均输入无差拍电流预测控制器，预测出当前时刻dq轴下的控制电压和

步骤5的具体过程如下：

步骤5.1，选取电机电流作为状态变量，采用前向欧拉法得到dq坐标系下离散的电流表达式，如式(20)所示：

式中，k为采样时刻；

步骤5.2，将下一采样时刻电流设置等于给定参考电流即得到理想的无差拍控制电压如式(21)所示：

步骤5.3，将步骤4.6得到的和作为扰动量，反馈到无差拍电流预测控制的作用电压矢量，即带入式(9)和式(10)中，得到当前时刻最终的控制电压矢量：

式中，和分别是d轴与q轴的最终的控制电压矢量，ud(k)与uq(k)分别是理想状态下的dq轴的控制电压，和是通过滑模观测器估计得到的参数变化导致的扰动量；

步骤6，将步骤5得到的当前时刻dq轴的电压矢量u^*d(k)和u^*q(k)q分别与步骤4得到电压扰动量进行补偿后，通过park逆变换得到αβ坐标系下的电压矢量，将其输入给空间矢量调制模块，得到六个驱动脉冲，驱动逆变器的六个管子，使逆变器输出三相电压给永磁同步电机，确保电机稳定运行。

本实用新型基于matlab软件搭建了仿真模型，将上述的永磁同步电机无差拍电流预测控制系统与传统smc控制方法以及传统pi控制方法进行比较。

采用的永磁同步电机的参数如下：定子电阻r＝0.958ω，定子直轴电感ld＝0.00525mh，定子交轴电感lq＝0.00525mh，极对数np＝3，转子磁链ψf＝0.1728wb，额定转速nr＝1000r/min，转动惯量j＝0.003kg·m²，额定转矩t＝14n·m。

按照本实用新型的控制系统的控制方法采用本实用新型的控制系统对永磁同步电机进行控制，图3是smc控制方法下使系统在滑模面上的运动轨迹示意图，系统从无限远处到达滑模面最终在滑模面稳定运行，且不受系统参数的影响，pi控制是线性控制方法而永磁同步电机控制系统是非线性系统，所以本实用新型将传统的电机矢量控制系统的速度环pi控制方法改进成fosmc控制方法与电流环pi控制方法换成无差拍电流预测控制；图5与图6分别是空载时的pi控制的速度响应图和smc电流预测控制的速度响应，通过图5与图6的比较可以看出，当电机空载启动时，pi控制明显存在超调，而smc控制实现启动无超调，图7和图8分别是系统突加负载时的pi控制的速度响应与smc电流预测控制的速度响应图，通过图7与图8的比较可以看出，当突加负载时，smc下系统受负载变化的影响明显小于pi下控制系统，并且能快速恢复给定值。图4是fosmc控制与传统的smc控制收敛于滑模面的示意图，由于传统的smc是整数阶系统，收敛于滑模面时实际执行机构的切换频率跟不上理论的高频切换作用，致使实际系统在时间上的延迟和空间上的滞后，所以收敛区域较大，而分数阶微积分有多个自由度，且缓慢传递能量，给系统的冲击较小，所以较整数阶而言收敛区域较小，可以削弱传统滑模控制本身带来的抖震。图9与图10分别是本实用新型系统在dcpc电流响应波形图与smdo+dcpc电流响应波形图，从图9和图10比较可以看出，引入扰动观测器补偿给电压矢量，系统中的电流能够很好的跟随给定电流。图11和图12分别是系统的速度环在传统的smc的控制下以及fosmc控制下的转速响应图，从图11和图12的比较可以看出fosmc可以削弱传统的传统滑模控制本身带来的抖震。由于无差拍电流预测控制预测的系统的控制电压是在理想条件下的，但是实际系统会随温度、频率等影响，系统参数会在运行过程中发生变化，所以本实用新型在反馈通道引入滑模扰动观测器，得到系统的扰动补偿量给预测出的电压矢量。

本实用新型的永磁同步电机无差拍电流预测控制系统电流环采用无差拍电流预测控制，转速环将分数阶与滑模控制结合，来削弱传统滑模控制带来的抖震，且当系统参数随温度、频率发生变化时，引入了滑模扰动观测器，对所产生的误差进行了补偿，可获得更好的电流特性，且提高速度环的抗干扰性能，使系统能够稳定运行。