本發(fā)明屬于電機(jī)控制控制算法設(shè)計(jì)，具體涉及一種永磁同步電機(jī)單環(huán)無差拍預(yù)測(cè)抗干擾控制方法。

背景技術(shù)：

1、永磁同步電機(jī)(permanent?magnet?synchronous?motor，pmsm)以其體積小、效率高、低電氣損耗和低故障率等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)場(chǎng)合。但是，pmsm的高精度控制仍然具有挑戰(zhàn)性，這是因?yàn)樗且粋€(gè)具有多個(gè)變量相互耦合的非線性系統(tǒng)，特別是當(dāng)其受到內(nèi)部參數(shù)攝動(dòng)和外部負(fù)載轉(zhuǎn)矩的影響時(shí)，一般的線性控制方法例如線性pid控制可能無法實(shí)現(xiàn)預(yù)期的控制效果，甚至?xí)o法保證閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2、為提高pmsm系統(tǒng)的控制精度，許多先進(jìn)控制方法被先后提出，例如自適應(yīng)控制、滑?？刂啤?nèi)?？刂啤⒛：壿嬁刂?、模型預(yù)測(cè)控制(model?predictive?control，mpc)等。其中，mpc因其實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、易于處理非線性和多變量約束問題而被認(rèn)為是交流傳動(dòng)系統(tǒng)最有前途的控制方法之一。根據(jù)控制作用的實(shí)現(xiàn)方式不同，應(yīng)用于pmsm的mpc可以被分為兩類：有限控制集mpc(finite?control?set?mpc，fcs-mpc)和連續(xù)控制集mpc(continuous?controlset?mpc，ccs-mpc)。其中，fcs-mpc利用電機(jī)和逆變器的離散模型預(yù)測(cè)未來的動(dòng)態(tài)，通過最小化代價(jià)函數(shù)，從有限的開關(guān)狀態(tài)集合中選取最優(yōu)的開關(guān)狀態(tài)并直接作用于逆變器。fcs-mpc以快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能而著稱，然而隨著預(yù)測(cè)時(shí)域的增加，該方法的在線計(jì)算量亦呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，這為實(shí)時(shí)控制帶來不便。此外，由于fcs-mpc系統(tǒng)中不含調(diào)制器，因此逆變器的切換頻率不固定，并且有限的電壓矢量使得該方法的電流諧波較大。ccs-mpc的主要思想是通過求解一個(gè)優(yōu)化問題獲得連續(xù)可變的電壓矢量參考，然后利用空間矢量脈寬調(diào)制(spacevector?pulse?width?modulation，svpwm)技術(shù)對(duì)該電壓矢量參考進(jìn)行調(diào)制。與fcs-mpc有很大不同的是，ccs-mpc可以根據(jù)需要設(shè)定調(diào)制器產(chǎn)生固定的逆變器切換頻率，并且電流的諧波含量更小。但是，基于多步預(yù)測(cè)的ccs-mpc同樣存在在線計(jì)算負(fù)擔(dān)大的問題，并且代價(jià)函數(shù)中的權(quán)重因子增加了控制器參數(shù)整定的復(fù)雜度。

3、無差拍預(yù)測(cè)控制(deadbeat?predictive?control，dpc)是ccs-mpc中的一種，它的設(shè)計(jì)不會(huì)涉及代價(jià)函數(shù)，無需調(diào)節(jié)權(quán)重因子，并且電流諧波較小，響應(yīng)速度快，被認(rèn)為是一種實(shí)用的交流傳動(dòng)系統(tǒng)控制技術(shù)。與其他mpc方法一樣，dpc是一種基于模型的控制技術(shù)，其在應(yīng)用于pmsm系統(tǒng)時(shí)，控制精度容易受電機(jī)的參數(shù)攝動(dòng)和外部負(fù)載的影響。此外，現(xiàn)有包括dpc在內(nèi)應(yīng)用于pmsm的mpc策略大多是建立在經(jīng)典的磁場(chǎng)導(dǎo)向控制(field-orientedcontrol，foc)框架內(nèi)的。在foc框架中，通常使用雙環(huán)串級(jí)控制結(jié)構(gòu)，其中，轉(zhuǎn)速和電流都被作為一階子系統(tǒng)由各自的控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)。這種雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)為控制器設(shè)計(jì)帶來了便利性，但是，為了保證閉環(huán)的穩(wěn)定性，內(nèi)外環(huán)通常使用不同的控制周期。具體來說，內(nèi)環(huán)(電流環(huán))的控制周期需要遠(yuǎn)小于外環(huán)(速度環(huán))的控制周期，這可能會(huì)阻礙pmsm系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能的進(jìn)一步提升。此外，為內(nèi)外環(huán)設(shè)計(jì)不同的控制器，通常意味著有更多的參數(shù)需要整定，這對(duì)工程應(yīng)用并不友好。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所為了解決背景技術(shù)中存在的技術(shù)問題，目的在于提供了一種永磁同步電機(jī)單環(huán)無差拍預(yù)測(cè)抗干擾控制方法，將永磁同步電機(jī)系統(tǒng)中傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)速-電流雙環(huán)串級(jí)控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為單環(huán)控制結(jié)構(gòu)，閉環(huán)系統(tǒng)采用同一控制周期，并且僅觀測(cè)器帶寬這一參數(shù)需要整定，非常便于工程應(yīng)用；通過建立基于離散時(shí)間擾動(dòng)觀測(cè)器的不確定性估計(jì)與補(bǔ)償機(jī)制，閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)于內(nèi)部參數(shù)攝動(dòng)和外部負(fù)載擾動(dòng)均具有強(qiáng)魯棒性。

2、為了解決技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是：

3、本發(fā)明基于無差拍預(yù)測(cè)控制思想，提出一種應(yīng)用于pmsm的單環(huán)無差拍預(yù)測(cè)抗干擾控制(single-loop?deadbeat?predictive?disturbance?rejection?control，sdpdrc)方法，為提高系統(tǒng)的魯棒性，一組離散時(shí)間擾動(dòng)觀測(cè)器(discrete-time?disturbanceobserver，ddob)被設(shè)計(jì)用于在線修正預(yù)測(cè)模型。

4、一種永磁同步電機(jī)單環(huán)無差拍預(yù)測(cè)抗干擾控制方法，所述方法包括：

5、s1：在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，建立表貼式永磁同步電機(jī)的廣義受擾數(shù)學(xué)模型，考慮電機(jī)系統(tǒng)中參數(shù)的不確定性，通過狀態(tài)空間模型描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為，并引入未知總擾動(dòng)；

6、s2：設(shè)計(jì)離散時(shí)間擾動(dòng)觀測(cè)器在線估計(jì)總擾動(dòng)，通過假設(shè)擾動(dòng)的變化量有界，觀測(cè)器準(zhǔn)確估計(jì)各個(gè)通道中的總擾動(dòng)，觀測(cè)器增益根據(jù)系統(tǒng)帶寬參數(shù)來調(diào)節(jié)；

7、s3：基于估計(jì)的總擾動(dòng)、參考轉(zhuǎn)速以及d軸參考電流，構(gòu)建參考系統(tǒng)和狀態(tài)跟蹤誤差系統(tǒng)模型；

8、s4：利用所述參考系統(tǒng)模型求取d、q軸參考控制輸入電壓；

9、s5：針對(duì)所述狀態(tài)跟蹤誤差系統(tǒng)模型，根據(jù)無差拍預(yù)測(cè)控制原理，求取d、q軸誤差控制輸入電壓；

10、s6：將步驟s4得到的參考控制輸入電壓和s5得到的誤差控制輸入電壓相加，得到當(dāng)前控制周期電機(jī)驅(qū)動(dòng)所需控制輸入電壓。

11、進(jìn)一步，所述步驟s1包括：

12、s101：在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，表貼式pmsm的數(shù)學(xué)模型為：

13、

14、式中，r和l分別為定子電阻和電感，p為電機(jī)極對(duì)數(shù)，j為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，bv為粘滯阻尼系數(shù)，ψ為轉(zhuǎn)子永磁體的磁鏈，id和iq分別為d、q軸電流，ud和uq分別為d、q軸電壓，ω、ωe＝pω分別為轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度和電角速度，tl為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；

15、s102：進(jìn)一步考慮pmsm系統(tǒng)中存在如下參數(shù)不確定性：

16、

17、式中，對(duì)于*＝r,l,ψ,j，“*0”表示參數(shù)“*”的已知標(biāo)稱值，“δ*”表示參數(shù)“*”的未知攝動(dòng)量；

18、s103：基于子步驟s101和s102，pmsm的廣義受擾狀態(tài)空間模型被建立為：

19、

20、式中，狀態(tài)變量

21、控制輸入

22、已知非線性耦合向量：

23、

24、可測(cè)量輸出

25、總擾動(dòng)向量其中dd(t)、dq(t)、dω(t)表示各個(gè)子系統(tǒng)中的未知“總擾動(dòng)”，表達(dá)式分別為：

26、

27、系數(shù)矩陣：

28、

29、其中，i3表示3×3階單位矩陣；

30、s104：以tc為控制周期，采用前向歐拉法對(duì)步驟s103中的pmsm廣義受擾狀態(tài)空間模型離散化，得到離散被控模型：

31、

32、進(jìn)一步，所述步驟s2包括：

33、s201：確定擾動(dòng)以及的變化量均有界，即存在正的常數(shù)μi(i＝d,q,ω)以及μω2使得：

34、

35、s202：設(shè)計(jì)如下離散時(shí)間擾動(dòng)觀測(cè)器-1在線估計(jì)和

36、

37、式中，下標(biāo)i＝d,q；為輔助變量；非線性耦合項(xiàng)為的估計(jì)；為觀測(cè)器增益，可選取為：

38、

39、其中，表示觀測(cè)器的可調(diào)節(jié)帶寬；

40、s203：定義設(shè)計(jì)如下離散時(shí)間擾動(dòng)觀測(cè)器-2在線估計(jì)

41、

42、式中，為輔助變量；和分別是和的估計(jì)；系數(shù)矩陣：

43、

44、為觀測(cè)器增益矩陣，按以下規(guī)則選取：

45、

46、進(jìn)一步，所述步驟s3中參考系統(tǒng)和狀態(tài)跟蹤誤差系統(tǒng)模型的構(gòu)建，包括：

47、s301：設(shè)步驟s2中的離散時(shí)間擾動(dòng)觀測(cè)器精確估計(jì)總擾動(dòng)，即有：

48、

49、其中，為擾動(dòng)的估計(jì)值；

50、s302：根據(jù)輸出調(diào)節(jié)理論，引入子步驟s104中離散被控pmsm系統(tǒng)的參考模型：

51、

52、式中，為參考狀態(tài)向量；為參考控制輸入電壓；

53、為參考非線性耦合向量；根據(jù)離散被控系統(tǒng)模型和mtpa原則有：

54、

55、s303：利用步驟s104中離散被控模型減去子步驟s302中參考模型，得到狀態(tài)跟蹤誤系統(tǒng)：

56、

57、其中，誤差變量的定義如下：

58、

59、進(jìn)一步，在所述步驟s4中，當(dāng)前控制周期的d、q軸參考控制輸入電壓為：

60、

61、式中，表示矩陣tcb的偽逆矩陣；狀態(tài)向量其中：

62、

63、進(jìn)一步，在所述步驟s5中，當(dāng)前控制周期的d、q軸誤差控制輸入電壓設(shè)計(jì)如下：

64、根據(jù)無差拍預(yù)測(cè)控制理論，令所述步驟s302中狀態(tài)跟蹤誤系統(tǒng)的下一時(shí)刻誤差狀態(tài)：

65、

66、其中，03表示3×3階零矩陣；計(jì)算得到當(dāng)前控制周期的誤差控制輸入向量：

67、

68、進(jìn)一步，所述步驟s6中，當(dāng)前控制周期電機(jī)驅(qū)動(dòng)所需控制輸入電壓為：

69、

70、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

71、本發(fā)明提出的控制器具有單環(huán)控制結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)串級(jí)結(jié)構(gòu)中的電流環(huán)被消除，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并且閉環(huán)系統(tǒng)具有同一時(shí)間常數(shù)；

72、本發(fā)明首次采用pmsm單環(huán)無差拍預(yù)測(cè)控制策略，控制器僅有觀測(cè)器帶寬這一個(gè)可調(diào)參數(shù)，大大降低了參數(shù)整定的繁瑣度和實(shí)際應(yīng)用成本；

73、通過建立基于ddob的全回路擾動(dòng)估計(jì)與補(bǔ)償機(jī)制，閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)內(nèi)部參數(shù)攝動(dòng)和外部負(fù)載轉(zhuǎn)矩均具有強(qiáng)魯棒性。