CN105897097A - 永磁同步电机电流预测控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机电流预测控制方法及装置，所述方法包括：获取在两相旋转坐标系下的电机定子电流、定子电压；构建电流与扰动滑模观测器，预测得到下一时刻的电机定子电流和参数扰动估计值；依据下一时刻的实际电流值等于电流指令值的原理，得到永磁同步电机电流预测控制表达式；并利用观测器预测的下一拍电流值作为电流反馈，计算得到电机驱动器的指令电压；进一步将该指令电压与观测器估计的参数扰动相加作为最终的电机驱动器指令电压，最后通过SVPWM装置产生控制开关管动作的脉冲信号。本方法能够预测下一拍电流的同时估计参数扰动，当存在参数失配问题时可有效抑制电流跟踪静态误差，减少电机谐波电流，优化电流控制性能。

Description

永磁同步电机电流预测控制方法及装置

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，特别是指一种永磁同步电机电流预测控制方法及装置。

背景技术

无差拍电流预测控制技术在电机离散数学模型的基础上，能够准确预测下一控制周期的电压矢量，从而使得电机电流能够在施加该电压矢量后的一个周期内准确跟踪指令电流(或电流指令)，具有优良的动态性能和稳态特性。目前，无差拍电流预测控制技术已经得到了较为广泛的应用。然而，这一控制技术本质上是一种基于模型的电流控制方法，对于电机模型的依赖度比较高，当电机模型的参数失配时，会导致电机电流出现静态误差与振荡，进而影响控制***的性能。

为此，国内外学者对参数失配状态下的电机电流预测控制进行了研究。已有方法中，例如：专利文献CN201510455057.5与文献《An adaptive robustpredictive current control for PMSM with online inductance identification》，通过电感辨识抑制了电感参数失配对电流跟踪性能产生的影响，但忽略了电机模型中电阻与永磁磁链参数失配的影响。还有其他一些控制方法虽然能够对模型参数失配进行补偿，但需要引入PI调节或积分调节，使得控制***变得更加复杂，例如文献《Analysis and implementation of a real-time predictive currentcontroller for permanent-magnet synchronous servo drives》。

为了提高电流动态响应性能，目前为了减小一拍控制延迟对***控制性能的影响，提出了多种控制方法，但是，这些方法都无法消除参数失配导致的电流静差，例如：专利文献CN201210379496.9。因此，目前还没有一种电流控制方法能够同时满足以下条件：1)能够对下一拍电流值进行预测的同时估计参数扰动；2)参数失配时同时补偿控制延时与电流静态误差；3)可以很容易与已有电流预测控制方法相集成。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种永磁同步电机电流预测控制方法及装置，能够增强对电机参数失配的自适应性，从而提高了参数失配情况下电流预测控制的效果。

基于上述目的本发明提供的永磁同步电机电流预测控制方法，包括：

获取电机的三相电流，通过坐标变换，得到在两相旋转坐标系下的电机定子电流；从输入SVPWM装置的电压指令中获得两相旋转坐标系下的电机定子电压；

获取电机的转子电角速度和转子位置信息，构建电流与扰动滑模观测器，将两相旋转坐标系下的电机定子电流和电机定子电压代入所述电流与扰动滑模观测器中，预测得到下一时刻的电机定子电流，同时得到参数扰动估计值；

根据永磁同步电机的离散数学模型，并依据下一时刻的实际电流值等于电流指令值的原理，得到永磁同步电机电流预测控制表达式；

将预测得到的下一时刻电机定子电流，输入所述永磁同步电机电流预测控制表达式，得到电压指令信号；

将得到的参数扰动估计值与电压指令信号相加，得到修正的电压指令信号，然后通过SVPWM装置调制获得控制开关管动作的脉冲信号。

优选的，所述坐标变换的公式为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\left(k\right)\\ i_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\left(k\right)\\ i_b\left(k\right)\\ i_c\left(k\right)\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{c}{i}_d\left(k\right)\\ i_q\left(k\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}cos\left(\mathrm{\θ}\right)& sin\left(\mathrm{\θ}\right)\\ -sin\left(\mathrm{\θ}\right)& cos\left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\left(k\right)\\ i_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\end{array}\right]$

其中，i_ɑ(k)，i_b(k)，i_c(k)分别为电机的三相电流，i_α(k)，i_β(k)分别为两相静止坐标系下的两相电流，i_d(k)和i_q(k)为两相旋转坐标系下的电机定子电流，θ为转子位置信息，k指当前时刻。

优选的，所述构建电流与扰动滑模观测器的步骤包括：

根据获取的两相旋转坐标系下的电机定子电流以及估计电流，得到滑模切换面；

采用滑模指数趋近律以及滑模切换面得到滑模控制函数；

然后根据电机电角速度、控制周期、定子电阻、定子电感、永磁磁链、电机定子电流和电机定子电压，结合滑模控制函数，构建出电流与扰动滑模观测器的计算函数。

进一步，

所述滑模切换面的表达式为：

其中，i_d(k)和i_q(k)为两相旋转坐标系下的电机定子电流，和为两相旋转坐标系下的估计电流，s_d(k)和s_q(k)为滑模切换面的计算值；

所述滑模指数趋近律的表达式为:

其中，k₁、λ均为滑模指数趋近律的参数；

所述滑模控制函数的表达式为：

其中，L为定子电感、R为定子电阻，U_dsmo和U_qsmo分别为滑模控制函数的计算值；

所述电流与扰动滑模观测器的计算函数的具体表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}{\hat{i}}_d(k+1)=(1-\frac{{\mathrm{RT}}_{sc}}{L}){\hat{i}}_d\left(k\right)+\frac{T_{sc}}{L}{u}_d\left(k\right)+T_{sc}{\mathrm{\ω}}_e\left(k\right)i_q\left(k\right)-\frac{T_{sc}}{L}{\hat{f}}_d\left(k\right)-\frac{T_{sc}}{L}{U}_{dsmo}\\ {\hat{f}}_d(k+1)={\hat{f}}_d\left(k\right)+T_{sc}{g}_d{U}_{dsmo}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{\hat{i}}_q(k+1)=(1-\frac{{\mathrm{RT}}_{sc}}{L}){\hat{i}}_q\left(k\right)+\frac{T_{sc}}{L}{u}_q\left(k\right)-T_{sc}{\mathrm{\ω}}_e\left(k\right)i_d\left(k\right)-\frac{T_{sc}{\mathrm{\ψ}}_f}{L}{\mathrm{\ω}}_e\left(k\right)-\frac{T_{sc}}{L}{\hat{f}}_q\left(k\right)-\frac{T_{sc}}{L}{U}_{qsmo}\\ {\hat{f}}_q(k+1)={\hat{f}}_q\left(k\right)+T_{sc}{g}_q{U}_{qsmo}\end{array}\right.$

其中T_sc为控制周期，R为定子电阻，L为定子电感，ψ_f为永磁磁链，u_d(k)和u_q(k)分别为电机定子电压，ω_e(k)为电机电角速度，和分别为两相旋转坐标系下的估计电流，和为参数扰动估计值，g_d、g_q均为滑模观测器增益，k为当前时刻，k+1为下一时刻。

优选的，所述永磁同步电机电流预测控制表达式为：

$\left[\begin{array}{c}{u}_d\left(k\right)\\ u_q\left(k\right)\end{array}\right]=G^{-1}\{\left[\begin{array}{c}{i}_d^{*}(k+1)\\ i_q^{*}(k+1)\end{array}\right]-F\left(k\right)\·\left[\begin{array}{c}{i}_d\left(k\right)\\ i_q\left(k\right)\end{array}\right]-M\left(k\right)\}$

$F\left(k\right)=\left[\begin{array}{cc}1-\frac{T_{sc}R}{L}& T_{sc}{\mathrm{\ω}}_e\left(k\right)\\ -T_{sc}{\mathrm{\ω}}_e\left(k\right)& 1-\frac{T_{sc}R}{L}\end{array}\right],G=\left[\begin{array}{cc}\frac{T_{sc}}{L}& 0\\ 0& \frac{T_{sc}}{L}\end{array}\right],M\left(k\right)=\left[\begin{array}{c}0\\ -\frac{T_{sc}{\mathrm{\ψ}}_f}{L}{\mathrm{\ω}}_e\left(k\right)\end{array}\right]$

其中，与均为电流指令。

进一步，所述修正的电压指令信号的表达式为：

$\left[\begin{array}{c}{U}_d^{*}\\ U_q^{*}\end{array}\right]=G^{-1}\{\left[\begin{array}{c}{i}_d^{*}(k+1)\\ i_q^{*}(k+1)\end{array}\right]-F\left(k\right)\·\left[\begin{array}{c}{\hat{i}}_d(k+1)\\ {\hat{i}}_q(k+1)\end{array}\right]-M\left(k\right)\}+\left[\begin{array}{c}{\hat{f}}_d(k+1)\\ {\hat{f}}_q(k+1)\end{array}\right]$

其中，和分别为修正的电压指令信号。

本发明还公开了一种永磁同步电机电流预测控制装置，包括：

数据获取模块，用于检测并获取电机的三相电流，通过坐标变换，得到在两相旋转坐标系下的电机定子电流；从输入SVPWM装置的电压指令中获得两相旋转坐标系下的电机定子电压；获取电机的转子电角速度和转子位置信息；将获取的电机定子电流、电机定子电压、转子电角速度和转子位置信息发送给观测器构建模块；

观测器构建模块，用于接收所述数据获取模块发送的电机定子电流、电机定子电压、转子电角速度和转子位置信息，并构建电流与扰动滑模观测器，将两相旋转坐标系下的电机定子电流和电机定子电压代入所述电流与扰动滑模观测器中，预测得到下一时刻的电机定子电流，同时得到参数扰动估计值；将预测得到的下一时刻的电机定子电流发送给电压指令计算模块，将参数扰动估计值发送给开关控制模块；

预测控制模块，用于根据永磁同步电机的离散数学模型，并依据下一时刻的实际电流值等于电流指令值的原理，得到永磁同步电机电流预测控制表达式；

电压指令计算模块，用于将所述观测器构建模块发送的下一时刻的电机定子电流，输入所述预测控制模块中的永磁同步电机电流预测控制表达式，得到电压指令信号；将电压指令信号发送给开关控制模块；

开关控制模块，用于将得到的参数扰动估计值与电压指令信号相加，得到修正的电压指令信号，然后通过SVPWM装置调制获得控制开关管动作的脉冲信号。

从上面所述可以看出，本发明提供的永磁同步电机电流预测控制方法及装置通过构建电流与扰动滑模观测器，预测得到下一时刻的电机定子电流和参数扰动估计值，通过永磁同步电机的离散数学模型构建得到永磁同步电机电流预测控制表达式，将定子电流代入后得到电压指令信号，令参数扰动估计值与电压指令信号相加，得到修正的电压指令信号，然后通过SVPWM装置调制获得控制开关管动作的脉冲信号。所述永磁同步电机电流预测控制方法及装置通过电流与扰动滑模观测器能够同时获得参数扰动估计值和下一拍定子电流，因此无需单独设计电流观测器补偿数字控制的一拍延迟问题，简化了整个***的结构；对电机数学模型中包含的全部参数失配具有鲁棒性，改善了传统方法只能抑制特定参数失配所导致的电流跟踪静差问题；能够与已有电流预测控制方法相集成，从而使得已有控制方法在参数失配情况下仍可高性能运行，扩展其运行范围。具有扩展性强，简单易实现等优点。

附图说明

图1为本发明提供的永磁同步电机电流预测控制方法的一个实施例的流程图；

图2为本发明提供的永磁同步电机电流预测控制装置的一个实施例的结构示意图；

图3为本发明提供的永磁同步电机电流预测控制装置的另一个实施例的结构框图；

图4为本发明提供的基于电流与扰动滑模观测器的电流预测控制框图；

图5a为未采用电流与扰动观测器时在参数失配下的直轴电流、交轴电流的第一仿真结果示意图；

图5b为未采用电流与扰动观测器时在参数失配下的直轴电流、交轴电流的第二仿真结果示意图；

图5c为未采用电流与扰动观测器时在参数失配下的直轴电流、交轴电流的第三仿真结果示意图；

图6a为采用电流与扰动观测器时在参数失配下的直轴电流、交轴电流的第一仿真结果示意图；

图6b为采用电流与扰动观测器时在参数失配下的直轴电流、交轴电流的第二仿真结果示意图；

图6c为采用电流与扰动观测器时在参数失配下的直轴电流、交轴电流的第三仿真结果示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

参照图1所示，为本发明提供的永磁同步电机电流预测控制方法的一个实施例的流程图。所述永磁同步电机电流预测控制方法，包括：

步骤101，检测并获取电机的三相电流，通过坐标变换，得到在两相旋转坐标系下的电机定子电流；从输入SVPWM装置的电压指令中获得两相旋转坐标系下的电机定子电压；

其中，通常采用电流传感器采集电机的三相电流，当然也可以通过其他方式获得电机的三相电流，这里三相电流通常是指电机定子的定子电流。所述坐标变换是指将三相电流值变换为两相坐标下的电流值，最后得到两相旋转坐标系下的电机定子电流。所述SVPWM装置是采用SVPWM的空间矢量脉宽调制装置，用于以三相对称正弦波电压供电时三相对称电机定子理想磁链圆为参考标准，以三相逆变器不同开关模式作适当的切换，从而形成PWM波，以所形成的实际磁链矢量来追踪其准确磁链圆。基于死区等影响对于电流控制的影响不是特别显著，因此，在忽略死区等影响的情况下，能够从输入的电压指令信息中获得两相旋转坐标系下的电机定子电压。所述输入的电压指令信息是指未加入电流与扰动滑模观测器时，***中用于电流控制的电压指令，当然还可以由其他的方式获得电压指令。

步骤102，检测并获取电机的转子电角速度和转子位置信息，构建电流与扰动滑模观测器，将两相旋转坐标系下的电机定子电流和电机定子电压代入所述电流与扰动滑模观测器中，预测得到下一时刻的电机定子电流，同时得到参数扰动估计值；

其中，通常采用电机位置传感器检测并得到电机转子的电角速度和转子位置信息，所述位置信息通常指转子的电角度。根据获得的参数以及控制***的其他常用参数，能够构建基于电流与扰动的滑模观测器，并且得到观测器的表达式或控制方程式。将步骤101中的电机定子电流和电机定子电压输入所述电流与扰动滑模观测器中，能够预测得到下一时刻的电机定子电流和参数扰动估计值。

步骤103，根据永磁同步电机的离散数学模型，并依据下一时刻的实际电流值等于电流指令值的原理，得到永磁同步电机电流预测控制表达式；

其中，所述永磁同步电机的离散数学模型是指各类代表永磁同步电机运行参数之间的关系表达式，依据下一时刻的实际电流值等于电流指令值的原理，结合永磁同步电机的数学模型，能够推导出永磁同步电机电流预测控制表达式。

步骤104，将预测得到的下一时刻电机定子电流，输入所述永磁同步电机电流预测控制表达式，得到电压指令信号；

其中，将步骤102中预测得到的下一时刻电机定子电流输入所述永磁同步电机电流预测控制表达式，能够得到一个电压指令信号。

步骤105，将得到的参数扰动估计值与电压指令信号相加，得到修正的电压指令信号，然后通过SVPWM装置调制获得控制开关管动作的脉冲信号。

其中，所述控制开关管动作的脉冲信号通常为六路脉冲信号。

由上述实施例可知，所述永磁同步电机电流预测控制方法通过构建电流与扰动滑模观测器，预测得到下一时刻的电机定子电流和参数扰动估计值，通过永磁同步电机的离散数学模型构建得到永磁同步电机电流预测控制表达式，将定子电流代入后得到电压指令信号，令参数扰动估计值与电压指令信号相加，得到修正的电压指令信号，然后通过SVPWM装置调制获得控制开关管动作的脉冲信号。所述永磁同步电机电流预测控制方法及装置在参数失配时，通过电流与扰动滑模观测器能够同时获得参数扰动估计值和下一拍定子电流，因此无需单独设计电流观测器补偿数字控制的一拍延迟问题，简化了整个***的结构。对电机数学模型中包含的全部参数失配具有鲁棒性，改善了传统方法只能抑制特定参数失配所导致的电流跟踪静差问题。同时，基于电流与扰动滑模观测器的电流预测控制方法是在传统电流预测控制基础上实现的，本发明所述的方法能够与已有电流预测控制方法相集成，从而使得已有控制方法在参数失配情况下仍可高性能运行，扩展其运行范围。具有扩展性强，简单易实现等优点。

在本发明一些优选的实施例中，所述坐标变换的公式为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\left(k\right)\\ i_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\left(k\right)\\ i_b\left(k\right)\\ i_c\left(k\right)\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{c}{i}_d\left(k\right)\\ i_q\left(k\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}cos\left(\mathrm{\θ}\right)& sin\left(\mathrm{\θ}\right)\\ -sin\left(\mathrm{\θ}\right)& cos\left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\left(k\right)\\ i_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\end{array}\right]$

其中，i_ɑ(k)，i_b(k)，i_c(k)分别为电机的三相电流，i_α(k)，i_β(k)分别为两相静止坐标系下的两相电流，i_d(k)和i_q(k)为两相旋转坐标系下的电机定子电流，θ为转子位置信息，k指当前时刻，例如i_d(k)是指k时刻的电流值。

通过将电机定子的三相电流先通过3/2变换得到两相静止坐标系下的电流值，然后转换为两相旋转坐标系下的电机定子电流值。

在本发明一些优选的实施例中，所述构建电流与扰动滑模观测器的步骤包括：

根据获取的两相旋转坐标系下的电机定子电流以及估计电流，得到滑模切换面；

采用滑模指数趋近律以及滑模切换面得到滑模控制函数；

然后根据电机电角速度、控制周期、定子电阻、定子电感、永磁磁链、电机定子电流和电机定子电压，结合滑模控制函数，构建出电流与扰动滑模观测器的计算函数。

进一步，所述滑模切换面的表达式为：

其中，i_d(k)和i_q(k)为两相旋转坐标系下的电机定子电流，和为两相旋转坐标系下的估计电流，s_d(k)和s_q(k)为滑模切换面的计算值；

所述滑模指数趋近律的表达式为:

其中，k₁、λ均为滑模指数趋近律的参数，可以根据需要相应的设置k₁、λ的值；

所述滑模控制函数的表达式为：

其中，L为定子电感、R为定子电阻，U_dsmo和U_qsmo分别为滑模控制函数的计算值；

所述电流与扰动滑模观测器的计算函数的具体表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}{\hat{i}}_d(k+1)=(1-\frac{{\mathrm{RT}}_{sc}}{L}){\hat{i}}_d\left(k\right)+\frac{T_{sc}}{L}{u}_d\left(k\right)+T_{sc}{\mathrm{\ω}}_e\left(k\right)i_q\left(k\right)-\frac{T_{sc}}{L}{\hat{f}}_d\left(k\right)-\frac{T_{sc}}{L}{U}_{dsmo}\\ {\hat{f}}_d(k+1)={\hat{f}}_d\left(k\right)+T_{sc}{g}_d{U}_{dsmo}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{\hat{i}}_q(k+1)=(1-\frac{{\mathrm{RT}}_{sc}}{L}){\hat{i}}_q\left(k\right)+\frac{T_{sc}}{L}{u}_q\left(k\right)-T_{sc}{\mathrm{\ω}}_e\left(k\right)i_d\left(k\right)-\frac{T_{sc}{\mathrm{\ψ}}_f}{L}{\mathrm{\ω}}_e\left(k\right)-\frac{T_{sc}}{L}{\hat{f}}_q\left(k\right)-\frac{T_{sc}}{L}{U}_{qsmo}\\ {\hat{f}}_q(k+1)={\hat{f}}_q\left(k\right)+T_{sc}{g}_q{U}_{qsmo}\end{array}\right.$

其中T_sc为控制周期，R为定子电阻，L为定子电感，ψ_f为永磁磁链，u_d(k)和u_q(k)分别为电机定子电压，ω_e(k)为电机电角速度，和分别为两相旋转坐标系下的估计电流，和为参数扰动估计值，g_d、g_q均为滑模观测器增益，k为当前时刻，k+1为下一时刻。

在本发明一些较佳的实施例中，所述永磁同步电机电流预测控制表达式为：

$\left[\begin{array}{c}{u}_d\left(k\right)\\ u_q\left(k\right)\end{array}\right]=G^{-1}\{\left[\begin{array}{c}{i}_d^{*}(k+1)\\ i_q^{*}(k+1)\end{array}\right]-F\left(k\right)\·\left[\begin{array}{c}{i}_d\left(k\right)\\ i_q\left(k\right)\end{array}\right]-M\left(k\right)\}$

$F\left(k\right)=\left[\begin{array}{cc}1-\frac{T_{sc}R}{L}& T_{sc}{\mathrm{\ω}}_e\left(k\right)\\ -T_{sc}{\mathrm{\ω}}_e\left(k\right)& 1-\frac{T_{sc}R}{L}\end{array}\right],G=\left[\begin{array}{cc}\frac{T_{sc}}{L}& 0\\ 0& \frac{T_{sc}}{L}\end{array}\right],M\left(k\right)=\left[\begin{array}{c}0\\ -\frac{T_{sc}{\mathrm{\ψ}}_f}{L}{\mathrm{\ω}}_e\left(k\right)\end{array}\right]$

其中，与均为电流指令。

进一步，所述修正的电压指令信号的表达式为：

$\left[\begin{array}{c}{U}_d^{*}\\ U_q^{*}\end{array}\right]=G^{-1}\{\left[\begin{array}{c}{i}_d^{*}(k+1)\\ i_q^{*}(k+1)\end{array}\right]-F\left(k\right)\·\left[\begin{array}{c}{\hat{i}}_d(k+1)\\ {\hat{i}}_q(k+1)\end{array}\right]-M\left(k\right)\}+\left[\begin{array}{c}{\hat{f}}_d(k+1)\\ {\hat{f}}_q(k+1)\end{array}\right]$

其中，和分别为修正的电压指令信号。

参照图2所示，为本发明提供的永磁同步电机电流预测控制装置的一个实施例的结构示意图。所述永磁同步电机电流预测控制装置，包括：

数据获取模块201，用于检测并获取电机的三相电流，通过坐标变换，得到在两相旋转坐标系下的电机定子电流；从输入SVPWM装置的电压指令中获得两相旋转坐标系下的电机定子电压；获取电机的转子电角速度和转子位置信息；将获取的电机定子电流、电机定子电压、转子电角速度和转子位置信息发送给观测器构建模块202；

观测器构建模块202，用于接收所述数据获取模块201发送的电机定子电流、电机定子电压、转子电角速度和转子位置信息，并构建电流与扰动滑模观测器，将两相旋转坐标系下的电机定子电流和电机定子电压代入所述电流与扰动滑模观测器中，预测得到下一时刻的电机定子电流，同时得到参数扰动估计值；将预测得到的下一时刻的电机定子电流发送给电压指令计算模块204，将参数扰动估计值发送给开关控制模块205；

预测控制模块203，用于根据永磁同步电机的离散数学模型，并依据下一时刻的实际电流值等于电流指令值的原理，得到永磁同步电机电流预测控制表达式；

电压指令计算模块204，用于将所述观测器构建模块202发送的下一时刻的电机定子电流，输入所述预测控制模块203中的永磁同步电机电流预测控制表达式，得到电压指令信号；将电压指令信号发送给开关控制模块205；

开关控制模块205，用于将得到的参数扰动估计值与电压指令信号相加，得到修正的电压指令信号，然后通过SVPWM装置调制获得控制开关管动作的脉冲信号。

由上述实施例可知，所述永磁同步电机电流预测控制装置通过所述观测器构建模块202构建基于电流与扰动的滑模观测器，并预测得到下一时刻的电机定子电流和参数扰动估计值；通过所述预测控制模块203得到永磁同步电机电流预测控制表达式；通过所述电压指令计算模块204得到电压指令信号，进而通过所述开关控制模块205得到控制开关管动作的脉冲信号。所述永磁同步电机电流预测控制装置不仅简化了控制***的结构，对电机数学模型中包含的全部参数失配具有鲁棒性，改善了传统方法只能抑制特定参数失配所导致的电流跟踪静差问题；而且能够与已有电流预测控制方法相集成，从而使得已有控制方法在参数失配情况下仍可高性能运行，扩展其运行范围。

参照图3所示，为本发明提供的永磁同步电机电流预测控制装置的另一个实施例的结构框图。所述永磁同步电机电流预测控制装置包括：直流侧电容、逆变器主电路、永磁同步电机、速度与转子位置检测电路、电流采样电路、DSP数字控制器和驱动电路。其中，装置中采用光电编码器检测电机转子位置与速度信息并通过调理电路送入DSP数字控制器。同时，采用霍尔电流传感器采集电机三相电流，经过调理电路后进入DSP数字控制器转换为数字信号。而DSP数字控制器利用采集的数字量完成本发明的控制算法，并输出六路脉冲信号，经过驱动电路后驱动逆变器六个开关管动作。

参照图4所示，为本发明提供的基于电流与扰动滑模观测器的电流预测控制框图。所述控制框图为本发明的控制原理图，该方法的实现是在图3中DSP数字控制器中完成的，具体步骤为：

步骤1：检测电机三相电流i_a(k)，i_b(k)，i_c(k)和电机转子位置信息θ(k)，并进一步通过坐标变换得到在两相旋转坐标系下的电流i_d(k)和i_q(k)；在忽略死区等影响下，两相旋转坐标系下的电机电压u_d(k)和u_q(k)可直接从输入SVPWM装置中的电压指令获得；

步骤2：根据步骤1中所得到的两相旋转坐标系下的电机电流i_d(k)、i_q(k)与电压u_d(k)、u_q(k)，结合电机位置传感器检测的电机速度ω_e(k)与转子位置信息θ(k)，能够构建电流与扰动滑模观测器，

步骤3：根据永磁同步电机离散数学模型，按照下一拍时实际电流值等于指令值的原理，可以得到永磁同步电机电流预测控制的表达式；

步骤4：将步骤2中得到的下一拍电机电流预测值输入到步骤3中的永磁同步电机电流预测控制表达式，取代电流采样值i_d(k)与i_q(k)，可得到指令电压信号为：

步骤5：将步骤2中得到的参数扰动估计值作为前馈量与步骤4中得到的指令电压信号相加得到最终的指令电压信号；

最终指令电压信号进一步通过SVPWM装置调制产生六路控制开关管动作的脉冲驱动信号。

本发明所述方法的优越性可以通过图5a、图5b、图5c与图6a、图6b、图6c仿真结果的对比得出，两者的测试条件完全一致，不同之处在于图5a、图5b、图5c的电流预测控制方法中未采用电流与扰动观测器，而图6a、图6b、图6c采用了本发明提出的基于电流与扰动观测器的电流预测控制方法。图5a、图5b、图5c分别与图6a、图6b、图6c相互对应。图5a、图5b、图5c所示仿真结果为参数失配条件下电机交直轴电流与其参考值的对比波形(直轴电流参考为0)，其从上至下依次是电感为实际值两倍、电阻为实际值十倍及永磁磁链为实际值四倍时的仿真结果，其中电机负载在0.2秒与0.35秒时出现突增与突减情况。由于参数失配导致图5a、图5b、图5c中交直轴电流产生静态误差，并且电流波形存在较大谐波。在采用本发明所提出的控制方法后，参数失配时电流无静态误差，且电流波形平滑，谐波得到很好抑制。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本发明难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本发明的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种永磁同步电机电流预测控制方法，其特征在于，包括：

获取电机的三相电流，通过坐标变换得到在两相旋转坐标系下的电机定子电流；从输入SVPWM装置的电压指令中获得两相旋转坐标系下的电机定子电压；

获取电机的转子电角速度和转子位置信息，构建电流与扰动滑模观测器，将两相旋转坐标系下的电机定子电流和电机定子电压代入所述电流与扰动滑模观测器中，预测得到下一时刻的电机定子电流，同时得到参数扰动估计值；

根据永磁同步电机的离散数学模型，并依据下一时刻的实际电流值等于电流指令值的原理，得到永磁同步电机电流预测控制表达式；

将预测得到的下一时刻电机定子电流，输入所述永磁同步电机电流预测控制表达式，得到电压指令信号；

将得到的参数扰动估计值与电压指令信号相加，得到修正的电压指令信号，然后通过SVPWM装置调制获得控制开关管动作的脉冲信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述坐标变换的公式为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\left(k\right)\\ i_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\left(k\right)\\ i_b\left(k\right)\\ i_c\left(k\right)\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{c}{i}_d\left(k\right)\\ i_q\left(k\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}cos\left(\mathrm{\θ}\right)& sin\left(\mathrm{\θ}\right)\\ -sin\left(\mathrm{\θ}\right)& cos\left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\left(k\right)\\ i_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\end{array}\right]$

其中，i_ɑ(k)，i_b(k)，i_c(k)分别为电机的三相电流，i_α(k)，i_β(k)分别为两相静止坐标系下的两相电流，i_d(k)和i_q(k)为两相旋转坐标系下的电机定子电流，θ为转子位置信息，k指当前时刻。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述构建电流与扰动滑模观测器的步骤包括：

根据获取的两相旋转坐标系下的电机定子电流以及估计电流，得到滑模切换面；

采用滑模指数趋近律以及滑模切换面得到滑模控制函数；

然后根据电机电角速度、控制周期、定子电阻、定子电感、永磁磁链、电机定子电流和电机定子电压，结合滑模控制函数，构建出电流与扰动滑模观测器的计算函数。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，

所述滑模切换面的表达式为：

其中，i_d(k)和i_q(k)为两相旋转坐标系下的电机定子电流，和为两相旋转坐标系下的估计电流，s_d(k)和s_q(k)为滑模切换面的计算值；

所述滑模指数趋近律的表达式为:

其中，k₁、λ均为滑模指数趋近律的参数；

所述滑模控制函数的表达式为：

其中，L为定子电感、R为定子电阻，U_dsmo和U_qsmo分别为滑模控制函数的计算值；

所述电流与扰动滑模观测器的计算函数的具体表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}{\hat{i}}_d(k+1)=(1-\frac{{\mathrm{RT}}_{sc}}{L}){\hat{i}}_d\left(k\right)+\frac{T_{sc}}{L}{u}_d\left(k\right)+T_{sc}{\mathrm{\ω}}_e\left(k\right)i_q\left(k\right)-\frac{T_{sc}}{L}{\hat{f}}_d\left(k\right)-\frac{T_{sc}}{L}{U}_{dsmo}\\ {\hat{f}}_d(k+1)={\hat{f}}_d\left(k\right)+T_{sc}{g}_d{U}_{dsmo}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{\hat{i}}_q(k+1)=(1-\frac{{\mathrm{RT}}_{sc}}{L}){\hat{i}}_q\left(k\right)+\frac{T_{sc}}{L}{u}_q\left(k\right)+T_{sc}{\mathrm{\ω}}_e\left(k\right)i_d\left(k\right)-\frac{T_{sc}{\mathrm{\ψ}}_f}{L}{\mathrm{\ω}}_e\left(k\right)-\frac{T_{sc}}{L}{\hat{f}}_q\left(k\right)-\frac{T_{sc}}{L}{U}_{qsmo}\\ {\hat{f}}_q(k+1)={\hat{f}}_q\left(k\right)+T_{sc}{g}_q{U}_{qsmo}\end{array}\right.$

其中T_sc为控制周期，R为定子电阻，L为定子电感，ψ_f为永磁磁链，u_d(k)和u_q(k)分别为电机定子电压，ω_e(k)为电机电角速度，和分别为两相旋转坐标系下的估计电流，和为参数扰动估计值，g_d、g_q均为滑模观测器增益，k为当前时刻，k+1为下一时刻。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述永磁同步电机电流预测控制表达式为：

$\left[\begin{array}{c}{u}_d\left(k\right)\\ u_q\left(k\right)\end{array}\right]=G^{-1}\{\left[\begin{array}{c}{i}_d^{*}(k+1)\\ i_q^{*}(k+1)\end{array}\right]-F\left(k\right)\·\left[\begin{array}{c}{i}_d\left(k\right)\\ i_q\left(k\right)\end{array}\right]-M\left(k\right)\}$

$F\left(k\right)=\left[\begin{array}{cc}1-\frac{T_{sc}R}{L}& T_{sc}{\mathrm{\ω}}_e\left(k\right)\\ -T_{sc}{\mathrm{\ω}}_e\left(k\right)& 1-\frac{T_{sc}R}{L}\end{array}\right],G=\left[\begin{array}{cc}\frac{T_{sc}}{L}& 0\\ 0& \frac{T_{sc}}{L}\end{array}\right],M\left(k\right)=\left[\begin{array}{c}0\\ -\frac{T_{sc}{\mathrm{\ψ}}_f}{L}{\mathrm{\ω}}_e\left(k\right)\end{array}\right]$

其中，与均为电流指令。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述修正的电压指令信号的表达式为：

$\left[\begin{array}{c}{U}_d^{*}\\ U_q^{*}\end{array}\right]=G^{-1}\{\left[\begin{array}{c}{i}_d^{*}(k+1)\\ i_q^{*}(k+1)\end{array}\right]-F\left(k\right)\·\left[\begin{array}{c}{\hat{i}}_d(k+1)\\ {\hat{i}}_q(k+1)\end{array}\right]-M\left(k\right)\}+\left[\begin{array}{c}{\hat{f}}_d(k+1)\\ {\hat{f}}_q(k+1)\end{array}\right]$

其中，和分别为修正的电压指令信号。

7.一种永磁同步电机电流预测控制装置，其特征在于，包括：

数据获取模块，用于检测并获取电机的三相电流，通过坐标变换，得到在两相旋转坐标系下的电机定子电流；从输入SVPWM装置的电压指令中获得两相旋转坐标系下的电机定子电压；获取电机的转子电角速度和转子位置信息；将获取的电机定子电流、电机定子电压、转子电角速度和转子位置信息发送给观测器构建模块；

观测器构建模块，用于接收所述数据获取模块发送的电机定子电流、电机定子电压、转子电角速度和转子位置信息，并构建电流与扰动滑模观测器，将两相旋转坐标系下的电机定子电流和电机定子电压代入所述电流与扰动滑模观测器中，预测得到下一时刻的电机定子电流，同时得到参数扰动估计值；将预测得到的下一时刻的电机定子电流发送给电压指令计算模块，将参数扰动估计值发送给开关控制模块；

预测控制模块，用于根据永磁同步电机的离散数学模型，并依据下一时刻的实际电流值等于电流指令值的原理，得到永磁同步电机电流预测控制表达式；

电压指令计算模块，用于将所述观测器构建模块发送的下一时刻的电机定子电流，输入所述预测控制模块中的永磁同步电机电流预测控制表达式，得到电压指令信号；将电压指令信号发送给开关控制模块；

开关控制模块，用于将得到的参数扰动估计值与电压指令信号相加，得到修正的电压指令信号，然后通过SVPWM装置调制获得控制开关管动作的脉冲信号。