一种永磁同步电机伺服系统及其电流预测控制方法、装置

本发明涉及伺服控制，尤其是指一种永磁同步电机伺服系统及其电流预测控制方法、装置。

背景技术：

1、现有的技术中，永磁同步电机(pmsm，permanent magnet synchronous motor)是一种以永磁体进行励磁以实现电能与机械能转换的执行机构，具有体积小、质量轻、功率密度高、损耗低以及可靠性高等优势，广泛应用于航空航天、工业机器人、数控机床等伺服控制领域。pmsm是一个多变量、强耦合、非线性的复杂系统，为进一步提高其性能，研究人员提出了诸如预测控制、滑模控制、神经网络控制等高性能控制策略。

2、pi控制器具有参数整定方法简单、控制效果好、鲁棒性好等优点，是最早被实用化的控制器，在现代智能控制算法在伺服控制领域取得重大发展的如今仍是伺服控制的首选。在电机的运行过程中，受工况和运行温度影响，内部参数会发生漂移，导致控制性能下降、控制精度降低。电机参数不确定性的存在将直接影响基于pi控制的pmsm驱动系统性能，导致系统性能下降，甚至引起系统运行失稳。相较于传统的pi控制方法，预测控制方法因结构简单、易于实现和控制效果好受到了界内学者的广泛关注，其中无差拍预测控制是将矢量调制算法与模型预测控制结合的一种控制算法，具有开关频率固定、相电流谐波含量低、电流响应速度快等优点。但在电机运行过程中，受参数不确定等因素干扰，控制性能和精度会有一定程度的下降。

技术实现思路

1、为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中受参数不确定等因素干扰导致控制性能不好的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种永磁同步电机伺服系统电流预测控制方法，包括：

3、考虑电机参数漂移及未建模动态的影响，建立表贴式永磁同步电机的等效数学模型；

4、将系统的已知扰动和未知扰动视为系统总扰动，根据所述等效数学模型建立永磁同步电机的电流超局部模型，并将其进行离散化处理，得到无模型无差拍电流预测控制模型；

5、根据所述无模型无差拍电流预测控制模型构建离散化电机电压方程；

6、选取d-q轴电流以及系统总扰动作为系统的状态变量，设计线性扩张状态观测器；

7、利用所述线性扩张状态观测器对扰动项进行观测，获得当前时刻d轴和q轴的电流及相应的扰动值，并与给定参考电流一起代入所述离散化电机电压方程得到参考电压，以便根据所述参考电压控制下一时刻输出的电流能够无差拍跟踪所述参考电流。

8、优选地，所述考虑电机参数漂移及未建模动态的影响，建立表贴式永磁同步电机的等效数学模型，包括：

9、建立永磁同步电机在dq坐标系下的定子电压方程：

10、

11、其中，r0为定子电阻，ud为直轴电压、id为直轴电流，ld＝lq＝l0为交直轴电感，uq为交轴电压、iq为交轴电流，ωe为电角速度，ψf0为永磁体磁链；

12、考虑电机参数漂移及未建模动态的影响后，可得实际定子电压方程为：

13、

14、其中，δud、δuq为d、q轴由电机参数漂移和未建模动态引起的不确定量；

15、由(2)式变形可得，考虑电机参数漂移及未建模动态的影响后的定子电流表达式为：

16、

17、其中，为d、q轴参考电压。

18、优选地，所述将系统的已知扰动和未知扰动视为系统总扰动，根据所述等效数学模型建立永磁同步电机的电流超局部模型包括：

19、依据非线性的一阶单输入—单输出系统的超局部模型，将所述定子电流表达式改写为：

20、

21、其中，αd、αq分别表示定子d、q轴参考电压的比例因子，等式右边第一项为比例因子与电机定子电感之间误差产生的扰动电压，第二项为定子电阻压降，第三项为反电动势，第四项为电机参数漂移及未建模动态引起的扰动电压，其中，第一项、第二项和第三项为系统已知扰动；

22、将系统的已知扰动和未知扰动视为系统总扰动，定义输入变量为定子电压参考值在交直轴上的分量相应的输出变量为id、iq，则有电流超局部模型为：

23、

24、其中，fd、fq包含了d、q轴系统已知扰动及未建模动态、参数漂移等未知扰动部分。

25、优选地，所述将电流超局部模型进行离散化处理，得到无模型无差拍电流预测控制模型：

26、

27、其中，id(k)、iq(k)为当前时刻d、q轴的实测电流采样值，id(k+1)和iq(k+1)为下一时刻d、q轴的电流预测值，ts为采样时间。

28、优选地，所述根据所述无模型无差拍电流预测控制模型构建离散化电机电压方程包括：

29、将已知参考电流作为下一时刻d、q轴的电流瞬时值id(k+1)、iq(k+1)代入所述无模型无差拍电流预测控制模型，并进行变形，得到离散化电机电压方程：

30、

31、优选地，所述选取d-q轴电流以及系统总扰动作为系统的状态变量，设计线性扩张状态观测器包括：

32、针对表贴式永磁同步电机，选择电流和系统总扰动为状态变量，设计d轴的线性扩张状态观测器leso为：

33、

34、式中，z1为系统输出d轴电流id的估计值、z2为d轴系统总扰动fd的估计值，ed为电流估计值与跟踪值的误差，为电流估计值一阶导，为d轴参考电压，β1、β2为leso增益系数，bd为d轴控制增益，为fd估计值的一阶导；

35、对式(8)进行离散化得

36、

37、同理可得q轴的leso为：

38、

39、其中，为d、q轴的估计电流采样值在k时刻的采样值，id(k)、iq(k)为当前时刻d、q轴的实测电流采样值，ed(k)、eq(k)为电流估计值与跟踪值的误差采样值，为d、q轴的估计电流在k+1时刻的采样值采样值，ts为采样时间，为d、q轴的估计总扰动估计值在k时刻的采样值，bq为q轴控制增益，ud(k)、uq(k)为d、q轴电压在k时刻的采样值，为d、q轴的估计总扰动估计值在k+1时刻的采样值。

40、本发明还提供了一种永磁同步电机伺服系统电流预测控制装置，用于实现如上述的永磁同步电机伺服系统电流预测控制方法。

41、本发明还提供了一种永磁同步电机伺服系统，包括：

42、永磁同步电机；

43、clark变换模块，用于将采集到的三相定子电流信号转换为等效的两相静止坐标系下的定子电流；

44、park变换模块，用于将所述等效的两相静止坐标系下的定子电流转换为等效的两相旋转坐标系下的定子电流；

45、位置传感器，用于输出所述永磁同步电机的转子角度；

46、速度计算模块，用于根据所述转子角度计算转速；

47、转速调节器，用于根据所述转速与给定转速值的差值，输出q轴的参考电流，并将d轴的参考电流设为0；

48、如上述的永磁同步电机伺服系统电流预测控制装置，用于根据q轴和d轴的参考电流、两相旋转坐标系下的定子电流，输出q轴和d轴的参考电压，以便经过所述park变换模块的反变换，输出两相静止坐标系下的控制电压；

49、空间矢量脉宽调制模块，用于将所述控制电压进行空间矢量脉宽调制，输出6路pwm波形；

50、三相逆变器，用于根据所述6路pwm波形输出三相电压，以便控制所述永磁同步电机的运转。

51、本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

52、本发明所述的永磁同步电机伺服系统电流预测控制方法，为降低参数漂移对控制模型的影响，在无差拍电流预测控制的基础上，引入无模型控制，只考虑系统的输入和输出，将系统的已知干扰和未知干扰统称为系统总扰动，降低了模型对系统参数的依赖从而提高了系统的控制性能；而在传统的无模型控制中，为了对具有参数不确定性的非线性系统进行无模型控制，常利用代数法对系统总扰动进行在线估计，估计值的精度与系统采样时间和采样数目密切相关，计算复杂且耗时，本发明利用线性扩张状态观测器对电流环超局部模型中的已知扰动和未知扰动，即系统总扰动进行观测，降低了估计过程的复杂性，在电机参数发生突变的同时，实现对交直轴电流、电磁转矩及转速给定值的有效跟踪。