CN109586637A - 一种基于改进双矢量mpc的pmslm电流控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于改进双矢量MPC(模型预测控制)的PMSLM电流控制方法，该方法将双矢量MPC应用于直线电机电流环控制，在一个采样周期内选择了2个电压矢量，扩大了实际作用电压的范围以使得电压矢量的选择更准确；简化算法的计算量，对电压矢量的选择方法进行改进，缩小电压矢量选择范围。本发明能够提高电流环的调节能力与跟踪性能，有效抑制直线电机推力波动，增强直线电机运行的稳定性。

Description

一种基于改进双矢量MPC的PMSLM电流控制方法

技术领域

本发明涉及一种电流控制方法，尤其涉及一种基于改进双矢量MPC的PMSLM电流控制 方法。

背景技术

与旋转电机加滚珠丝杆所构成的直线运动机构相比，永磁同步直线电机(PMSLM)具有 高加速度、高精度和响应速度快等优点，因此很多学者对直线电机的控制与应用做了深入的 研究。由于取消了机械传动环节，外界的干扰以及电机内部存在的推力波动更容易对电机的 性能造成影响，会使电机运行时出现震动，产生噪声。PMSLM速度控制***包括速度环和 电流环，速度控制器根据实际速度与期望速度输出期望电流。为保证直线电机能在某一速度 下平稳运行，电流环需要有较高的动态跟踪与调节能力，以保证能够时刻追踪期望电流，抑 制各种扰动。电流环的常用控制方法有直接推力控制和比例积分(PI)控制。直接推力控制 利用滞环控制，鲁棒性强、响应迅速，但电流脉动较大；PI控制在稳态下可实现电流无静差， 控制精度高，但需整定参数，***的动态性能受带宽限制。

模型预测控制(MPC)是利用当前的状态、控制量和预测模型计算***将来的状态，再 利用价值函数与期望值进行滚动优化的算法。MPC电流控制动态响应快、电流脉动小、无需 参数整定，理论上能在2个采样周期内达到期望电流值，但不足是在线计算量较大。MPC电 流控制方法常用的有单矢量MPC、占空比MPC两种方法。单矢量MPC在一个采样周期中仅作用一个最优电压矢量，算法简单、响应速度快，但由于仅能在7种基本电压矢量中选择控制量，电流跟踪精度较差。占空比MPC是在最优电压矢量确定之后再计算，因而不能保证最优电压矢量在加入占空比后仍为最优。有学者提出最优占空比直接转矩控制，基于李亚普洛 夫函数计算占空比，保证了最优电压矢量的全局性，但作用的电压矢量仅为一个有效矢量与 一个零矢量，限制了***高速运行时电流的稳定性。也有学者提出同步电机广义双矢量MPC 控制策略，减小了dq轴电流波动，但电压矢量选择次数多，计算量大，对***的硬件要求较 高。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种用于控制直线电机电流的方法，该方法缩小了电压 矢量选择范围，减轻了在线计算量，能够有效提高电流控制的实时性。

技术方案：本发明所述的一种基于改进双矢量MPC的PMSLM电流控制方法，包括步骤：

(1)采用速度和电流双闭环结构的直线电机控制***，根据位置检测器计算得到的坐标 变换角度，将k时刻实际电流i_a,b,c转换为dq坐标系下的i_d,q(k)；

(2)将i_d,q(k)与位置检测器测得的实际速度v输入电流预测模块，得到k+1时刻电流的 预测值i_d,q(k+1)；

(3)将k+1时刻电机动子的期望速度v^*和k时刻电机实际速度v的差作为速度控制器输 入，输出k+1时刻的期望电流q轴分量i_q ^*；

(4)k+1时刻的期望电流i_q ^*、i_d ^*与预测电流i_d,q(k+1)作为改进双矢量MPC电流控制器 输入，输出为k+1时刻的期望电压V_s1、V_s2和对应的作用时间t_s1、t_s2，输入至脉冲发生器，产生相应的开关信号加在驱动回路产生电磁推力拖动电机运行。

所述的一种基于改进双矢量MPC的PMSLM电流控制方法，其特征在于：所述位置检测 器包括光栅尺。

所述改进双矢量MPC电流控制器用于选择作用在脉冲发生器上的电压矢量，以产生对应 的开关信号驱动电机，其控制步骤如下：

Step 1改进第一个作用的电压矢量V_s1的选择方法，选择k+1时刻的期望电压V_s1；

Step 2改进第二个作用的电压矢量V_s2的选择方法，选择k+1时刻的期望电压V_s2；

Step 3输出V_s1、V_s2和对应的作用时间t_s1、t_s2；

Step 4k+1时刻，返回到Step 1进入下一个采样周期。

改进V_s1的选择方法设计步骤如下：

Step 1，采用i_d ^*＝0的控制方式，根据速度控制器输出的期望电流i_q ^*可求出d轴给定磁链 ψ_d ^*＝ψ_f和q轴给定磁链ψ_q ^*＝L_qi_q ^*，进而得到δ^*＝arctan(ψ_q ^*/ψ_d ^*)，δ^*为期望功角，可得期望电压 u_s ^*的矢量角为：

θ_ref＝θ_e+δ^*+π/2

式中，θ_e为初级电角度，L_q为初级电感，ψ_f为定子磁链。

根据θ_ref判断逆变器上施加的期望电压矢量u_s ^*所在扇区；

Step 2，根据u_s ^*所在的扇区，并利用价值函数从与该扇区相邻的2个有效电压矢量与零 电压矢量中选择出最优电压矢量V_s1；

所述价值函数为：

其中，i_d ^*、i_q ^*为k+1时刻期望电流值，i_d(k+1)、i_q(k+1)为k+1时刻预测电流值，i_dmax、i_qmax为 初级绕组中所允许的最大电流值，f为约束函数。

所述的改进V_s1的选择方法，其特征在于：Step 1所述逆变器为三相两电平电压逆变器， 共有8种开关状态，能产生6个有效电压矢量和两个电压零矢量，即共能产生7种电压矢量； 其中，所述有效电压矢量为非零电压矢量；

所述扇区为将逆变器的一个工作周期用6个有效电压矢量分成的6区间。

改进V_s2的选择方法设计步骤如下：

Step 1，采样周期内仅有V_s1作用时，判断∣i_q ^*-i_s1q(k+1)∣是否等于零。若是，则表示q 轴电流能达到期望值，则本采样周期不进行V_s2选择，仅作用V_s1；若否，则进入Step 2；

Step 2，判断所有电压矢量在K+1时刻产生的q轴电流预测值是否均小于或均大于期望 电流i_q ^*；若是，则表示该采样周期内不能达到期望值，本采样周期内仅作用V_s1；若否则进 入Step 3；

Step 3，将V_s1与余下6种基本电压矢量分别组合，利用q轴电流无差拍法分配作用时间：

式中，V_i表示一种基本电压矢量，s_s1、s_i分别为两个电压矢量V_s1和V_i作用时i_q的斜率， V_i的作用时间为T-t₁，t₁是最优电压矢量V₁的作用时间；

那么k时刻施加的u_d、u_q可表示为：

u_d＝t_s1u_s1d+t_iu_id

u_q＝t_s1u_s1q+t_iu_iq

式中，u_s1d和u_s1q分别为V_s1对应的d、q轴分量，u_id和u_iq分别为V_i对应的d、q轴分量。

得到6个电流预测值，利用价值函数选择出最优的一组电压矢量组合，从而确定V_s2；

所述的一种基于改进双矢量MPC的PMSLM电流控制方法，其特征在于：步骤4所述开关信号为驱动电力电子器件开关的控制信号；所述开关为电力电子器件的导通和关断。

有益效果：通过本发明的电流控制方法，可以：

(1)在选择电压矢量时，分别通过预先判断其所处扇区和预测误差，将遍历电压矢量次 数从14次减小至9次，理想情况下最少只需3次，大幅降低了算法的计算量，提高了***运 行的实时性；

(2)在该控制策略下，电压矢量选择范围增大，因而选择的电压矢量更准确。实验结果 表明，电机启动速度快且平稳，稳定运行时速度波动小，表明在***面对推力波动等干扰时， 电流环有更好的动态调节能力和跟踪性能。

附图说明

图1为本发明控制方法的***框图；

图2为单矢量MPC下启动至稳态电机初级绕组中q轴电流波形；

图3为双矢量MPC下启动至稳态电机初级绕组中q轴电流波形；

图4为本发明控制方法下启动至稳态电机初级绕组中q轴电流波形；

图5为单矢量MPC下启动至稳态电机速度波形；

图6为双矢量MPC下启动至稳态电机速度波形；

图7为本发明控制方法下启动至稳态电机速度波形；

图中，v^*为电机动子期望速度，v为实际速度，i_q ^*、i_d ^*为期望q、d轴电流，i_a,b,c为电机动 子三相绕组电流，i_d,q(k)为k时刻q轴实际电流，i_d,q(k+1)为k+1时刻的预测电流，V_s1、V_s2为 选择的作用电压矢量，t_s1、t_s2为两个电压矢量在一个周期内的作用时间。

具体实施方式

为了进一步了解本发明的内容，下面结合附图并举实例对本发明进行详细描述。

本发明设计一种改进双矢量MPC的PMSLM电流控制方法，如图1所示，在传统双闭环伺服控制***的基础上，利用改进MPC双矢量电流控制取代传统电流PI控制。所述的改进MPC双矢量电流控制器采集k时刻电压和电流，利用电流预测模型计算出下一时刻输出的电压矢量。本发明提出改进的双矢量模型预测电流控制策略，通过减小两个电压矢量的选择范 围来简化电压矢量的选择过程，大幅减轻***运行负担，有效提高电流环调节的实时性与跟 踪精度。

本发明所述的一种基于改进双矢量MPC的PMSLM电流控制方法，包括步骤：

(1)采用速度和电流双闭环结构的直线电机控制***，根据位置检测器计算得到的坐标 变换角度，将k时刻实际电流i_a,b,c转换为dq坐标系下的i_d,q(k)；

(2)将i_d,q(k)与位置检测器测得的实际速度v输入电流预测模块，得到k+1时刻电流的 预测值i_d,q(k+1)；

(3)将k+1时刻电机动子的期望速度v^*和k时刻电机实际速度v的差作为速度控制器输 入，输出k+1时刻的期望电流q轴分量i_q ^*；

(4)k+1时刻的期望电流i_q ^*、i_d ^*与预测电流i_d,q(k+1)作为改进双矢量MPC电流控制器 输入，输出为k+1时刻的期望电压V_s1、V_s2和对应的作用时间t_s1、t_s2，输入至脉冲发生器，产生相应的开关信号加在驱动回路产生电磁推力拖动电机运行。

优选地，所述步骤(1)中的位置检测器为光栅尺。

所述改进双矢量MPC电流控制器的控制步骤如下：

Step 1改进第一个作用的电压矢量V_s1的选择方法，选择k+1时刻的期望电压V_s1；

Step 2改进第二个作用的电压矢量V_s2的选择方法，选择k+1时刻的期望电压V_s2；

Step 3输出V_s1、V_s2和对应的作用时间t_s1、t_s2；

Step 4k+1时刻，返回到Step 1进入下一个采样周期。

改进V_s1的选择方法设计步骤如下：

Step 1，采用i_d ^*＝0的控制方式，根据速度控制器输出的期望电流i_q ^*可求出d轴给定磁链 ψ_d ^*＝ψ_f和q轴给定磁链ψ_q ^*＝L_qi_q ^*，进而得到δ^*＝arctan(ψ_q ^*/ψ_d ^*)，δ^*为期望功角，可得期望电压 u_s ^*的矢量角为：

θ_ref＝θ_e+δ^*+π/2

式中，θ_e为初级电角度，L_q为初级电感，ψ_f为定子磁链。

根据θ_ref判断逆变器上施加的期望电压矢量u_s ^*所在扇区；

Step 2，根据u_s ^*所在的扇区，并利用价值函数从与该扇区相邻的2个有效电压矢量与零 电压矢量中选择出最优电压矢量V_s1；

所述价值函数为：

其中，i_d ^*、i_q ^*为k+1时刻期望电流值，i_d(k+1)、i_q(k+1)为k+1时刻预测电流值，i_dmax、i_qmax为 初级绕组中所允许的最大电流值，f为约束函数。

所述的改进V_s1的选择方法，其特征在于：Step 1所述逆变器为三相两电平电压逆变器， 共有8种开关状态，能产生6个有效电压矢量和两个电压零矢量，即共能产生7种电压矢量； 其中，所述有效电压矢量为非零电压矢量；

所述扇区为将逆变器的一个工作周期用6个有效电压矢量分成的6区间。

改进V_s2的选择方法设计步骤如下：

Step 1，采样周期内仅有V_s1作用时，判断∣i_q ^*-i_s1q(k+1)∣是否等于零。若是，则表示q 轴电流能达到期望值，则本采样周期不进行V_s2选择，仅作用V_s1；若否，则进入Step 2；

Step 2，判断所有电压矢量在K+1时刻产生的q轴电流预测值是否均小于或均大于期望 电流i_q ^*；若是，则表示该采样周期内不能达到期望值，本采样周期内仅作用V_s1；若否则进 入Step 3；

Step 3，将V_s1与余下6种基本电压矢量分别组合，利用q轴电流无差拍法分配作用时间：

式中，V_i表示一种基本电压矢量，s_s1、s_i分别为两个电压矢量V_s1和V_i作用时i_q的斜率， V_i的作用时间为T-t_s1，t_s1是最优电压矢量V_s1的作用时间；

那么k时刻施加的u_d、u_q可表示为：

u_d＝t_s1u_s1d+t_iu_id

u_q＝t_s1u_s1q+t_iu_iq

式中，u_s1d和u_s1q分别为V_s1对应的d、q轴分量，u_id和u_iq分别为V_i对应的d、q轴分量。

得到6个电流预测值，利用价值函数选择出最优的一组电压矢量组合，从而确定V_s2；

所述的一种基于改进双矢量MPC的PMSLM电流控制方法，其特征在于：步骤4所述开关信号为驱动电力电子器件开关的控制信号；所述开关为电力电子器件的导通和关断。

为了验证本方法的效果，进行了下述试验，采样周期T取100μs。用于实验的直线电机 参数如表1所示。

表1直线电机参数

参数	参数值
		电阻(Ω)	1.3
电感(mH)	13.4
		峰值推力(N)	1250
持续推力(N)	548
		峰值电流(A)	22
持续电流(A)	8.7
		反电动势常数(V/m·s<sup>-1</sup>)	51.4
推力常数(N/A)	63

实验在直线电机从空载阶跃启动至稳定运行在100mm/s速度的情况下，对单矢量MPC、 占空比MPC和改进双矢量MPC分别进行实验并分析各自的控制效果。图2-7分别为三种控 制策略下直线电机从启动到稳定运行状态下的q轴电流与速度曲线。

启动阶段，比较三种控制策略下的电流响应时间，改进双矢量MPC控制下的电流调节速 度最快，如图2-4所示。比较三种控制策略下的速度响应时间，改进双矢量MPC控制下电机 启动速度更快、更平稳，电机速度达到100mm/s的时间约为0.06s，单矢量MPC和占空比MPC控制下电机启动时间分别约为0.1s和0.08s，如图5-7所示。

稳定运行阶段，改进双矢量MPC控制下的电流调节幅度大于另外两种控制策略，表明对 于内部干扰如推力波动等，有更好的抑制作用，如图2-4所示。其控制下的电机运行更稳定， 最大速度波动范围约为5％，单矢量MPC、占空比MPC控制下最大速度波动范围约为6％与8％，如图5-7所示。

Claims (7)

1.一种基于改进双矢量MPC的PMSLM电流控制方法，其特征在于，包括步骤：

(1)采用速度和电流双闭环结构的直线电机控制***，根据位置检测器计算得到的坐标变换角度，将k时刻实际电流i_a,b,c转换为dq坐标系下的i_d,q(k)；

(2)将i_d,q(k)与位置检测器测得的实际速度v输入电流预测模块，得到k+1时刻电流的预测值i_d,q(k+1)；

(3)将k+1时刻电机动子的期望速度v^*和k时刻电机实际速度v的差作为速度控制器的输入，输出k+1时刻的期望电流q轴分量i_q ^*；

(4)k+1时刻的期望电流i_q ^*、i_d ^*与预测电流i_d,q(k+1)作为输入，经改进双矢量MPC电流控制器控制后，先后输出k+1时刻的期望电压V_s1、V_s2和对应的作用时间t_s1、t_s2并传递至脉冲发生器，产生相应开关信号，将其加在驱动回路上，由此产生电磁推力以拖动电机运行。

2.根据权利要求1所述的一种基于改进双矢量MPC的PMSLM电流控制方法，其特征在于：所述位置检测器为光栅尺，通过位置检测可计算得到坐标变换的角度和电机的实际速度。

3.根据权利要求1所述的一种基于改进双矢量MPC的PMSLM电流控制方法，其特征在于：步骤(4)中，所述改进双矢量MPC电流控制器由选择V_s1、计算各种组合下两矢量作用时间t_s1、t_s2以及选择V_s2三个模块组成；

所述改进双矢量MPC电流控制器的控制步骤如下：

(4.1)改进第一个作用于脉冲发生器的电压矢量的选择方法，选择出k+1时刻的期望电压V_s1；

(4.2)改进第二个作用于脉冲发生器的电压矢量的选择方法，选择出k+1时刻的期望电压V_s2；

(4.3)输出V_s1、V_s2和对应的作用时间t_s1、t_s2；

(4.4)k+1时刻，返回到步骤(4.1)进入下一个采样周期。

4.根据权利要求3所述的一种基于改进双矢量MPC的PMSLM电流控制方法，其特征在于：所述步骤(4.1)包括：

(4.1.1)判断逆变器上施加的期望电压矢量u_s ^*所在扇区；

(4.1.2)在该扇区相邻的2个有效电压矢量与零电压矢量中利用价值函数选择出电压矢量V_s1的最优解；

所述价值函数为：

其中，i_d ^*、i_q ^*为k+1时刻期望电流值，i_d(k+1)、i_q(k+1)为k+1时刻预测电流值，i_dmax、i_qmax为初级绕组中所允许的最大电流值，f为约束函数。

5.根据权利要求4所述的一种基于改进双矢量MPC的PMSLM电流控制方法，其特征在于：步骤(4.1.1)中，所述逆变器为三相两电平电压逆变器，共有8种开关状态，能产生6个有效电压矢量和两个电压零矢量，即共能产生7种电压矢量；其中，所述有效电压矢量为非零电压矢量；

所述扇区为将逆变器的一个工作周期用6个有效电压矢量分成的6个区间。

6.根据权利要求3所述的一种基于改进双矢量MPC的PMSLM电流控制方法，其特征在于，所述步骤(4.2)具体包括：

(4.2.1)判断采样周期内仅有V_s1作用时，dq坐标系下k时刻的q轴电流i_q是否达到期望值；若是，则本采样周期不进行V_s2选择，仅作用V_s1；若否，则进入步骤(4.2.2)；

(4.2.2)判断逆变器可能产生的所有电压矢量在K+1时刻产生的q轴电流预测值是否均小于或均大于期望电流i_q ^*；若是，则本采样周期内仅作用V_s1；若否则进入步骤(4.2.3)；

(4.2.3)将V_s1与余下6个有效电压矢量分别组合，并分配作用时间，利用价值函数选择最优的组合，从而确定V_s2。

7.根据权利要求1所述的一种基于改进双矢量MPC的PMSLM电流控制方法，其特征在于：步骤(4)中，所述开关信号为驱动电力电子器件开关的控制信号，其中，所述开关为电力电子器件的导通和关断。