CN110492817A - 一种永磁同步电机的直接速度预测控制方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机的直接速度预测控制方法及设备，通过利用无差拍控制的原理将参考转速和参考电流直接转化为参考电压矢量，并采用空间矢量脉宽调制技术进行电压逆变，该方法有效的消除了传统无差拍控制中的速度环，同时利用一种基于滑模控制理论的扰动观测模块；该观测模块能同时估计***电参数失配、机械参数失配和负载转矩扰动产生的电压误差；之后将观测模块输出的集总电压误差补偿到预测参考电压矢量中，从而代替了无差拍直接速度控制方法中的负载转矩观测器，有效提高了永磁同步电机的鲁棒性。最后，在一台表贴式永磁同步电机上进行仿真和实验验证，结果表明，该方法对参数和负载的干扰具有较强的鲁棒性。

Description

一种永磁同步电机的直接速度预测控制方法及设备

技术领域

本发明涉及设备控制领域，特别是指一种永磁同步电机的直接速度预测控制方法及设备。

背景技术

永磁同步电机(PMSM)是一种常用的三相同步交流电机，具有高效率、高功率密度等特点，其中表贴式永磁同步电机(SPMSM，Surface Permanent Magnetic SynchronizedMotor)，具有交直轴(d-q轴)电感量相等的特点，更易控制。随电机运行性能日益提高，由SPMSM构成的电机***应用越来越广泛，如家电、数控机床、火炮、雷达等领域。

预测控制技术是一种针对最优控制理论应用问题提出的先进控制技术，其主要特点是使用***模型来预测下一时刻的输出参考值，然后根据该参考值选择最优操作。预测控制其控制理论更为先进，概念直观且易于理解，并被广泛的应用于各种工业领域，特别是交流调速***。而对于交流调速***，预测控制技术涵盖了多种类别的控制方法，无差拍控制(DBC，dead-beat control)即为预测控制的一种。DBC是利用电机以及逆变电路的离散模型精确计算下一时刻所需要的参考电压，并结合空间矢量脉宽调制(SVPWM，Space VectorPulse Width Modulation)调制技术对目标参考电压进行调制。相比于传统的矢量控制(FOC)和直接转矩控制(DTC)，DBC具有良好的动稳态性能。然而，DBC作为基于精确数学模型的控制方式，其控制效果严重依赖于精确的模型参数，当***参数不准确或者发生变化时，预测的参考电压就会不准确，从而导致整个电机的鲁棒性降低。

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的直接速度预测控制方法及设备，可以通过减少***计算量和消除权重系数，同时基于预测参考电压追踪来实现无差拍直接速度预测控制，实时补偿参数和负载扰动引起的预测误差，提高***鲁棒性，简化***结构。

基于上述目的，一方面，本发明提供了一种永磁同步电机的直接速度预测控制方法，包括：

获取所述电机当前的电流及电机转速，利用所述电流及所述电机转速通过离散化方式得到下一时刻的预测电流，根据所述预测电流得到下一时刻的预测电压；

通过前向欧拉离散化的方式利用所述电机转速得到下一时刻的预测速度，根据所述预测速度以及由所述预测电流转换得到的参考速度与参考电流，将所述预测电压转换成参考电压指令；

通过滑模变结构控制方式对所述参考电压指令进行处理，利用等速趋近律得到下一时刻的误差估计值，根据李雅普诺夫稳定性原理使所述误差估计值趋近下一时刻的真实误差值；

将所述误差估计值补偿入所述参考电压指令得到参考电压矢量，通过所述参考电压矢量对所述电机进行相应的调整。

在一些实施方式中，所述获取所述电机当前的电流及电机转速之前，还包括：

所述电机为表贴式永磁同步电机，利用所述表贴式永磁同步电机交直轴电感量相等特性建立电机定子电压和电磁转矩的数学模型，使所述电流及所述电机转速利用所述数学模型进行离散化。

在一些实施方式中，所述预测电压，具体为：

其中，u_d(k+1)和u_q(k+1)分别为k+1时刻d轴和q轴的定子端电压，i_d(k+2)和i_q(k+2)分别为k+2时刻d轴和q轴的定子电流，i_d(k+1)和i_q(k+1)分别为k+1时刻d轴和q轴的定子电流，T_s为当前采样周期，R为定子电阻，L为定子电感，ψ_f为永磁体磁链，ω(t)为t时刻的电机转速；

所述参考电压指令，具体为：

其中，和分别是d轴和q轴的参考电压指令，ω^*是参考速度，是d轴的参考电流，J是转子转动惯量，p为极对数，T_l是电机转轴上的负载扭矩，T_sp是转速和负载转矩的采样时间T_sp＝10T_s。

在一些实施方式中，所述误差估计值，具体为：

其中，分别为k时刻d轴电流i_d的估计值、k时刻集总电压误差f_d的估计值、t时刻转速ω的估计值、k时刻集总电压误差f_q的估计值，分别为k+1时刻d轴电流i_d的估计值、k+1时刻集总电压误差f_d的估计值、t+1时刻转速ω的估计值、k+1时刻集总电压误差f_q的估计值，u_d(k)、u_q(k)分别为k时刻d、q轴的定子端电压，β_d、β_q分别为d轴、q轴的滑模参数，U_dsmo、U_qsmo分别为d轴和q轴电压的开关函数。

在一些实施方式中，所述参考电压矢量，具体为：

其中，U^*为参考电压矢量，和分别为d轴和q轴k+1时刻的参考电压矢量，分别为集总电压误差f_d和f_q的估计值。

另一方面，本发明还提供了一种永磁同步电机的直接速度预测控制设备，包括：

补偿模块，获取所述电机当前的电流及电机转速，利用所述电流及所述电机转速通过离散化方式得到下一时刻的预测电流，根据所述预测电流得到下一时刻的预测电压；

转换模块，通过前向欧拉离散化的方式利用所述电机转速得到下一时刻的预测速度，根据所述预测速度以及由所述预测电流转换得到的参考速度与参考电流，将所述预测电压转换成参考电压指令；

观测模块，通过滑模变结构控制方式对所述参考电压指令进行处理，利用等速趋近律得到下一时刻的误差估计值，根据李雅普诺夫稳定性原理使所述误差估计值趋近下一时刻的真实误差值；

调整模块，将所述误差估计值补偿入所述参考电压指令得到参考电压矢量，通过所述参考电压矢量对所述电机进行相应的调整。

在一些实施方式中，所述补偿模块获取所述电机当前的电流及电机转速之前，还包括：

所述电机为表贴式永磁同步电机，利用所述表贴式永磁同步电机交直轴电感量相等特性建立电机定子电压和电磁转矩的数学模型，使所述电流及所述电机转速利用所述数学模型进行离散化。

在一些实施方式中，所述预测电压，具体为：

其中，u_d(k+1)和u_q(k+1)分别为k+1时刻d轴和q轴的定子端电压，i_d(k+2)和i_q(k+2)分别为k+2时刻d轴和q轴的定子电流，i_d(k+1)和i_q(k+1)分别为k+1时刻d轴和q轴的定子电流，T_s为当前采样周期，R为定子电阻，L为定子电感，ψ_f为永磁体磁链，ω(t)为t时刻的电机转速；

所述参考电压指令，具体为：

其中，和分别是d轴和q轴的参考电压指令，ω^*是参考速度，是d轴的参考电流，J是转子转动惯量，p为极对数，T_l是电机转轴上的负载扭矩，T_sp是转速和负载转矩的采样时间T_sp＝10T_s。

在一些实施方式中，所述误差估计值，具体为：

其中，分别为k时刻d轴电流i_d的估计值、k时刻集总电压误差f_d的估计值、t时刻转速ω的估计值、k时刻集总电压误差f_q的估计值，分别为k+1时刻d轴电流i_d的估计值、k+1时刻集总电压误差f_d的估计值、t+1时刻转速ω的估计值、k+1时刻集总电压误差f_q的估计值，u_d(k)、u_q(k)分别为k时刻d、q轴的定子端电压，β_d、β_q分别为d轴、q轴的滑模参数，U_dsmo、U_qsmo分别为d轴和q轴电压的开关函数。

在一些实施方式中，所述参考电压矢量，具体为：

其中，U^*为参考电压矢量，和分别为d轴和q轴k+1时刻的参考电压矢量，分别为集总电压误差f_d和f_q的估计值。

从上面所述可以看出，本发明提供的一种永磁同步电机的直接速度预测控制方法及设备，通过利用无差拍控制的原理将参考转速和参考电流直接转化为参考电压矢量，并采用空间矢量脉宽调制技术进行电压逆变，该方法有效的消除了传统无差拍控制中的速度环，同时利用一种基于滑模控制理论的扰动观测模块；该观测模块能同时估计***电参数失配、机械参数失配和负载转矩扰动产生的电压误差；之后将观测模块输出的集总电压误差补偿到预测参考电压矢量中，从而代替了无差拍直接速度控制方法中的负载转矩观测器，有效提高了永磁同步电机的鲁棒性。最后，在一台表贴式永磁同步电机上进行仿真和实验验证，结果表明，该方法对参数和负载的干扰具有较强的鲁棒性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的一种永磁同步电机的直接速度预测控制方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提出的一种三相两电平逆变电路的结构示意图；

图3为本发明实施例提出的一种空间电压矢量的分布示意图；

图4为本发明实施例提出的一种无差拍直接速度控制(DBDSC，dead-beat directspeed control)+扰动观测模块(DO，Disturbances Observer)的结构框形示意图；

图5为本发明实施例提出的一种DO原理框形示意图；

图6a及图6b分别为DBDSC+DO及DBDSC两种方法转矩由0N·m突变为4N·m时的仿真波形示意图；

图7a及图7b分别为DBDSC+DO及DBDSC两种方法的模型电感突变为实际电感3倍时的仿真波形示意图；

图8a及图8b分别为DBDSC+DO及DBDSC两种方法的模型磁链突变为实际磁链2倍时的仿真波形示意图；

图9a及图9b分别为DBDSC+DO及DBDSC两种方法的模型电阻突变为实际电阻3倍时的仿真波形示意图；

图10a及图10b分别为DBDSC+DO及DBDSC两种方法的模型转动惯量突变为实际转动惯量2倍时的仿真波形示意图；

图11a及图11b分别为DBDSC+DO及DBDSC两种方法在参数和负载突变时的动态试验波形示意图；

图12为本发明实施例的一种永磁同步电机的直接速度预测控制设备的结构示意图。

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。

本发明实施例提供了一种永磁同步电机的直接速度预测控制方法，该方法应用于永磁同步电机，永磁同步电机是由永磁体励磁产生同步旋转磁场的同步电机，永磁体作为转子产生旋转磁场，三相定子绕组在旋转磁场作用下通过电枢反应，感应三相对称电流。永磁同步电机按照结构可分为表贴式永磁同步电机和内置式永磁同步电机，不同的电机只要能完成无差拍直接速度控制的相应功能，其均不会影响本发明的保护范围。

如图1所示，为本发明实施例的一种永磁同步电机的直接速度预测控制方法的流程示意图，该方法具体包括以下步骤：

步骤101，获取所述电机当前的电流及电机转速，利用所述电流及所述电机转速通过离散化方式得到下一时刻的预测电流，根据所述预测电流得到下一时刻的预测电压。

本步骤旨在根据当前电机的电流和电机转速来得到下一时刻的预测电压。其中得到预测电压的方式有很多种，例如：以电机负荷水平、功率水平为基础的电压预测方法；以预测电流为基础的电压预测方法，即一拍延时补偿方法等。本具体实施例以电流和电机转速为基础，采用一拍延时补偿技术获取下一时刻的预测电压。其不同的预测电压获取方法只要能达到相应的目的，不同的方法均不会影响本发明的保护范围。

进一步的，为了在具体的表贴式永磁同步电机中有效利用电机的特点。在本申请的可选实施例中，所述获取所述电机当前的电流及电机转速之前，还包括：

所述电机为表贴式永磁同步电机，利用所述表贴式永磁同步电机交直轴电感量相等特性建立电机定子电压和电磁转矩的数学模型，使所述电流及所述电机转速利用所述数学模型进行离散化。

其中，数学模型为：

其中，u_d、u_q为d、q轴的定子端电压，i_d、i_q为d、q轴的定子电流，R为定子电阻，L为定子电感，ψ_f为永磁体磁链，ω为转子电角速度，T_e为电磁转矩，p为极对数，t为时间。

进一步的，为了准确表达本申请获取到的预测电压。在本申请的可选实施例中，所述预测电压，具体为：

其中，u_d(k+1)和u_q(k+1)分别为k+1时刻d轴和q轴的定子端电压，i_d(k+2)和i_q(k+2)分别为k+2时刻d轴和q轴的定子电流，i_d(k+1)和i_q(k+1)分别为k+1时刻d轴和q轴的定子电流，T_s为当前采样周期，R为定子电阻，L为定子电感，ψ_f为永磁体磁链，ω(t)为t时刻的电机转速。

步骤102，通过前向欧拉离散化的方式利用所述电机转速得到下一时刻的预测速度，根据所述预测速度以及由所述预测电流转换得到的参考速度与参考电流，将所述预测电压转换成参考电压指令。

本步骤旨在将预测电压转换调制成参考电压指令进行电压逆变。其中电压逆变的方式有很多种，例如：正弦脉宽调制技术(SPWM)、本步骤提供的空间矢量脉宽调制技术(SVPWM)等，其不同的电压逆变方法只要能达到相应的目的，不同的方法均不会影响本发明的保护范围。

进一步的，为了准确表达本申请获取到的参考电压指令。在本申请的可选实施例中，所述参考电压指令，具体为：

其中，和分别是d轴和q轴的参考电压指令，ω^*是参考速度，是d轴的参考电流，J是转子转动惯量，p为极对数，T_l是电机转轴上的负载扭矩，T_sp是转速和负载转矩的采样时间T_sp＝10T_s。

步骤103，通过滑模变结构控制方式对所述参考电压指令进行处理，利用等速趋近律得到下一时刻的误差估计值，根据李雅普诺夫稳定性原理使所述误差估计值趋近下一时刻的真实误差值。

本步骤旨在基于参考电压指令进一步的计算出由于参数失配和负载扰动带来的误差。其中得到误差的方式有很多种，例如：本步骤提供的利用扰动观测模块；利用负载转矩观测器等。其不同的误差获取方法只要能达到相应的目的，不同的方法均不会影响本发明的保护范围。

进一步的，为了准确表达本申请获取到的误差估计值。在本申请的可选实施例中，所述误差估计值，具体为：

其中，分别为k时刻d轴电流i_d的估计值、k时刻集总电压误差f_d的估计值、t时刻转速ω的估计值、k时刻集总电压误差f_q的估计值，分别为k+1时刻d轴电流i_d的估计值、k+1时刻集总电压误差f_d的估计值、t+1时刻转速ω的估计值、k+1时刻集总电压误差f_q的估计值，u_d(k)、u_q(k)分别为k时刻d、q轴的定子端电压，β_d、β_q分别为d轴、q轴的滑模参数，U_dsmo、U_qsmo分别为d轴和q轴电压的开关函数。

步骤104，将所述误差估计值补偿入所述参考电压指令得到参考电压矢量，通过所述参考电压矢量对所述电机进行相应的调整。

进一步的，为了准确表达本申请获取到的参考电压矢量。在本申请的可选实施例中，所述参考电压矢量，具体为：

其中，U^*为参考电压矢量，和分别为d轴和q轴k+1时刻的参考电压矢量，分别为集总电压误差f_d和f_q的估计值。

通过应用本申请的技术方案，该方案通过利用无差拍控制的原理将参考转速和参考电流直接转化为参考电压矢量，并采用空间矢量脉宽调制技术进行电压逆变，该方法有效的消除了传统无差拍控制中的速度环，同时利用一种基于滑模控制理论的扰动观测模块；该观测模块能同时估计***电参数失配、机械参数失配和负载转矩扰动产生的电压误差；之后将观测模块输出的集总电压误差补偿到预测参考电压矢量中，从而代替了无差拍直接速度控制方法中的负载转矩观测器，有效提高了永磁同步电机的鲁棒性。最后，在一台表贴式永磁同步电机上进行仿真和实验验证，结果表明，该方法对参数和负载的干扰具有较强的鲁棒性。

为了进一步阐述本发明的技术思想，现结合具体的应用场景，对本发明的技术方案进行说明。

在本具体应用场景中，主要分为三大步骤：1、SPMSM***数学模型的建立；2、参考电压的生成；3、参考电压的调整。

1、SPMSM***数学模型的建立

1)SPMSM***数学模型

由于SPMSM***的d轴等效电感L_d等于q轴等效电感L_q，因此可以使L_d＝L_q＝L。在d-q参考坐标中，SPMSM的定子电压方程和电磁转矩方程可以表示为：

其中，u_d、u_q为d、q轴的定子端电压，i_d、i_q为d、q轴的定子电流，R为定子电阻，L为定子电感，ψ_f为永磁体磁链，ω为转子电角速度，T_e为电磁转矩，p为极对数，t为时间。

考虑到负载扰动，通过以下公式可得动力学方程：

其中，T_l是电机转轴上的负载扭矩，J是转子转动惯量，B是粘滞摩擦系数。

2)三相两电平电压源逆变电路及空间电压矢量分布

本***所使用的功率变换电路是三相两电平电压源型逆变电路，连接方式如图2所示。该逆变电路采用6个可控开关管将电路右侧的直流电压逆变成三相交流电压并作用于左侧的SPMSM***上。

该逆变电路有8种不同的开关组合，因此可产生8种不同的电压矢量。表1展示了逆变电路的开关状态与α-β坐标系下电压矢量的对应关系。

表1.开关状态与电压矢量关系

显然，8种不同的基本电压矢量在空间中形成正六边形电压矢量图，如图3所示。为了使逆变电路在有限幅值下输出任意角度的电压矢量，SVPWM技术被应用于该控制***。SVPWM技术是通过改变施加在电机上电压的持续时间实现对空间电压矢量幅值和相角的控制。

2、参考电压的生成

本步骤利用无差拍直接速度控制(DBDSC，dead-beat direct speed control)方法的控制原理将参考速度信息和参考电流信息合并为参考电压信息，实现对转速和电流的快速追踪。

1)一拍延时补偿

数字控制***中的一拍延迟问题降低了***控制性能。为了补偿一拍延迟，本申请采用将预测电流代入电机模型中的方式，以获得更好的控制性能。因此，根据离散化电压方程(1)，k+1时刻的预测电流可以得到如下：

其中，i_d(k+1)和i_q(k+1)分别为k+1时刻d轴和q轴的定子电流，i_d(k)和i_q(k)分别为k时刻d轴和q轴的定子电流，T_s为当前采样周期，ω(t)为t时刻的电机转速。

根据(4)中描述的k+1时刻的预测电流和离散化电压方程，可以得到k+1时刻的预测电压方程如下：

其中，u_d(k+1)和u_q(k+1)分别为k+1时刻d轴和q轴的定子端电压，i_d(k+2)和i_q(k+2)分别为k+2时刻d轴和q轴的定子电流。

2)参考电压转换

首先，将(2)代入(3)中，忽略粘性摩擦的影响，可将动力学方程简化为：

然后，采用前向欧拉离散化的方式将方程(6)离散化，可得预测速度如下所示：

其中，ω(t+1)为t+1时刻的电机转速；值得注意的是，由于电机调速***的电磁时间常数小于机械时间常数，因此，为了防止速度控制和电流控制的相互影响，本申请选择转速和负载转矩的采样时间(T_sp)为电流采样时间(T_s)的10倍，即T_sp＝10T_s。

将(7)代入(5)中，可将预测速度转换为q轴的预测电压，如下所示：

为确保在下一个控制周期内无差拍的追踪到参考速度和参考电流，必须满足：

其中ω^*是参考速度，是d轴的参考电流。为了提高***效率，本文使用的控制方法为i_d＝0，因此可令参考电流为零。

将(9)代入(8)和(5)，可得到参考电压：

其中和分别是d轴和q轴的参考电压指令。

3、参考电压的调整

从参考电压预测公式(10)可知，DBDSC方法与传统DBC技术类似，其控制性能很大程度上依赖于精确的模型参数。因此，DBDSC中使用的参数值(电感、电阻、磁链、转动惯量、负载扰动)需要与实际参数值相一致，才能获得良好的动态和稳态控制性能。事实上，当电机的状态发生变化时，电机参数值也会随之变化；并且调速***中不可避免的存在未知干扰，使得***参数难以与实际值保持一致。因此为了提高***的鲁棒性，本申请提出了一种基于滑模变结构控制理论的扰动观测模块(DO，Disturbances Observer)。为了获得准确的参考电压矢量，利用DO对电机参数变化和负载扰动引起的预测参考电压误差进行在线观测和补偿。从而提高了DBDSC的鲁棒性，代替了传统DBDSC中的负载转矩观测模块，如图4所示。

1)观测模块的设计，如图5所示。

根据(10)，当考虑参数失配和负载扰动时，电压方程可改写为：

其中，F_d和F_q分别为集总电压误差f_d和f_q的变化率。f_d、f_q分别是当存在参数误差和负载扰动时产生的d轴和q轴的集总电压误差，可表示为：

式中，式中的ΔL、ΔR、Δψ_f、ΔJ和ΔT_l分别为各自参数L、R、ψ_f、J和T_l的变化量。

根据滑模变结构控制理论，本申请选取线性滑模面如下：

其中，s_d为d轴滑模面，s_ω转速滑模面，是转速ω的估计值，是d轴电流i_d的估计值。

为了使状态变量进入滑动模态至原点，即使等式：

成立，滑模控制的***结构需要根据状态变量实时变化，因此构建基于(11)的滑模状态方程如下：

式中，和分别为集总电压误差f_d和f_q的估计值，β_d和β_q为滑模参数，U_dsmo和U_qsmo分别为d轴和q轴电压的开关函数，该函数起到负反馈作用，控制状态变量快速进入滑动模态。

显然，上述构建的滑模状态方程可使得***状态趋近滑模平面，但是并没有指定以何种方式趋近于滑模平面，而趋近律法可保证***快速稳定的进入滑动模态。传统滑膜趋近律有很多，本申请采用结构简单的等速趋近律来趋近滑模平面，其表达式如下：

其中，s为滑模面，α为一常数表示趋近速度。

将(15)与(11)相减，可得误差方程如下：

式中，

再将(17)代入(16)中可得：

其中，α_d和α_ω分别为d轴滑模面和转速滑模面的趋近速度。

将方程(18)中的e_fd和e_fq作为扰动量包含于U_dsmo和U_qsmo中，可得U_dsmo和U_qsmo的表达式如下：

因此，本申请构建的离散化DO可重写为：

其中，分别为k+1时刻d轴电流i_d的估计值、k+1时刻集总电压误差f_d的估计值、t+1时刻转速ω的估计值、k+1时刻集总电压误差f_q的估计值。

2)观测模块参数选择

根据李雅普诺夫稳定性原理可知，观测模块进入滑动模态的条件是：

即要求：

其中，s_d(k)、e_fd(k)、s_ω(k)、e_fq(k)分别为k时刻s_d、e_fd、s_ω、e_fq的值，s_ω(t)为t时刻s_ω的值。

解得方程为：

实际上参数常按如下方式选择：

式中，n为安全因子，且常取大于1的数。

当参数满足(24)，***进入滑模面时，方程(14)也将满足，因此可将方程(17)重写为：

得到：

式中，K_d和K_q为常数，显然当且仅当β_d和β_q为正数时，集总电压误差e_fd和e_fq才能够收敛为0。

最后，将观测模块观测的集总电压误差f_d和f_q补偿入实时***，可得最终作用于电机的参考电压矢量如下：

其中，U^*为参考电压矢量，和分别为d轴和q轴k+1时刻的参考电压矢量。

通过应用本申请的技术方案，该方案通过利用无差拍控制的原理将参考转速和参考电流直接转化为参考电压矢量，并采用空间矢量脉宽调制技术进行电压逆变，该方法有效的消除了传统无差拍控制中的速度环，同时利用一种基于滑模控制理论的扰动观测模块；该观测模块能同时估计***电参数失配、机械参数失配和负载转矩扰动产生的电压误差；之后将观测模块输出的集总电压误差补偿到预测参考电压矢量中，从而代替了无差拍直接速度控制方法中的负载转矩观测器，有效提高了永磁同步电机的鲁棒性。最后，在一台表贴式永磁同步电机上进行仿真和实验验证，结果表明，该方法对参数和负载的干扰具有较强的鲁棒性。本发明的主要贡献是基于DBDSC的数学模型和滑模变结构控制理论构建了DO观测模块，该观测模块可用于观测由于参数失配和负载扰动产生的参考电压误差，并在线补偿到参考电压预测公式中，有效提高***鲁棒性。

为了验证本申请所提出的DBDSC+DO的有效性和它相对于无DO观测模块的DBDSC的优越性，在Matlab/Simulink环境下对两电平SPMSM驱动器进行了一系列仿真研究。仿真和控制参数见表2。

表2***参数

1、仿真验证

图6a及图6b显示了两种方法在0.6秒时转矩由0N·m突变为4N·m的仿真波形。显然，两种方法都具有良好的抗转矩扰动能力。然而，本申请所提方法(DBDSC+DO)无需单独设计负载转矩观测器或负载检测装置便可以达到有负载观测器的DBDSC相同的控制效果。图7a及图7b显示了两种方法的电感在0.6秒时突变为3倍电感下的转速和电流波形。结果表明，无参数观测器的DBDSC受电感变化影响，d轴电流发生较大的波动，控制效果变差。而本申请所提方法DBDSC+DO在观测模块的作用下，能够很好的估计电感突变引起的误差，并及时补偿误差量，抑制电感误差引起的电流和转速的波动。图8a及图8b显示了两种方法在2倍磁链突变下转速与电流波形。显然，无参数观测器控制的DBDSC在磁链失配情况下转速波动变大且转速有一定静差，而本申请所提方法受参数变化影响明显减少，转速能够很好的跟踪上。图9a及图9b是3倍电阻失配下的仿真结果，显然电阻的增大使DBDSC转速有一定静差，小于磁链失配对***的影响，并且本申请所提出的方法很好的抑制由于电阻失配引起的转速静差。图10a及图10b显示了转动惯量的失配下，两种方法在稳态情况下的影响较小，与参数敏感性分析结果一致。

2、试验验证

为了进一步验证本申请所提出方法的有效性，本申请还在一台两电平变频调速驱动平台上进行了实验测试。采用32位浮点数字信号处理器TMS320F28335实现了所开发的控制方法。控制和***参数与表2所列一致。

图11a及图11b展示了电机各参数以及负载转矩突变情况下的电机响应情况，该实验的模型参数以及负载变化情况如下：电感由11mH突变为33mH；磁链由0.24Wb突变为0.48Wb；电阻由3R突变为9R；转动惯量由0.00129kg·m²突变为0.00258kg·m²；转矩由0N·m突变为4N·m。由图11a可知本申请所提出的观测模块能够快速追踪参数负载变化引起的误差，并及时补偿控制***。

根据仿真和实验结果，可以看出参数失配和负载扰动会恶化DBDSC方法的控制性能，但本申请提出的改进方法具有较强的参数抗干扰能力以及抗负载扰动能力，可以获得较好的控制性能。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种永磁同步电机的直接速度预测控制设备，如图12所示，包括：

补偿模块1201，获取所述电机当前的电流及电机转速，利用所述电流及所述电机转速通过离散化方式得到下一时刻的预测电流，根据所述预测电流得到下一时刻的预测电压；

转换模块1202，通过前向欧拉离散化的方式利用所述电机转速得到下一时刻的预测速度，根据所述预测速度以及由所述预测电流转换得到的参考速度与参考电流，将所述预测电压转换成参考电压指令；

观测模块1203，通过滑模变结构控制方式对所述参考电压指令进行处理，利用等速趋近律得到下一时刻的误差估计值，根据李雅普诺夫稳定性原理使所述误差估计值趋近下一时刻的真实误差值；

调整模块1204，将所述误差估计值补偿入所述参考电压指令得到参考电压矢量，通过所述参考电压矢量对所述电机进行相应的调整。

在一个可选的实施例中，所述补偿模块1201获取所述电机当前的电流及电机转速之前，还包括：

所述电机为表贴式永磁同步电机，利用所述表贴式永磁同步电机交直轴电感量相等特性建立电机定子电压和电磁转矩的数学模型，使所述电流及所述电机转速利用所述数学模型进行离散化。

在一个可选的实施例中，所述预测电压，具体为：

其中，u_d(k+1)和u_q(k+1)分别为k+1时刻d轴和q轴的定子端电压，i_d(k+2)和i_q(k+2)分别为k+2时刻d轴和q轴的定子电流，i_d(k+1)和i_q(k+1)分别为k+1时刻d轴和q轴的定子电流，T_s为当前采样周期，R为定子电阻，L为定子电感，ψ_f为永磁体磁链，ω(t)为t时刻的电机转速；

所述参考电压指令，具体为：

其中，和分别是d轴和q轴的参考电压指令，ω^*是参考速度，是d轴的参考电流，J是转子转动惯量，p为极对数，T_l是电机转轴上的负载扭矩，T_sp是转速和负载转矩的采样时间T_sp＝10T_s。

在一个可选的实施例中，所述误差估计值，具体为：

其中，分别为k时刻d轴电流i_d的估计值、k时刻集总电压误差f_d的估计值、t时刻转速ω的估计值、k时刻集总电压误差f_q的估计值，分别为k+1时刻d轴电流i_d的估计值、k+1时刻集总电压误差f_d的估计值、t+1时刻转速ω的估计值、k+1时刻集总电压误差f_q的估计值，u_d(k)、u_q(k)分别为k时刻d、q轴的定子端电压，β_d、β_q分别为d轴、q轴的滑模参数，U_dsmo、U_qsmo分别为d轴和q轴电压的开关函数。

在一个可选的实施例中，所述参考电压矢量，具体为：

其中，U^*为参考电压矢量，和分别为d轴和q轴k+1时刻的参考电压矢量，分别为集总电压误差f_d和f_q的估计值。

上述实施例的设备用于实现前述实施例中相应的方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。

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 (10)

1.一种永磁同步电机的直接速度预测控制方法，其特征在于，包括：

获取所述电机当前的电流及电机转速，利用所述电流及所述电机转速通过离散化方式得到下一时刻的预测电流，根据所述预测电流得到下一时刻的预测电压；

通过前向欧拉离散化的方式利用所述电机转速得到下一时刻的预测速度，根据所述预测速度以及由所述预测电流转换得到的参考速度与参考电流，将所述预测电压转换成参考电压指令；

通过滑模变结构控制方式对所述参考电压指令进行处理，利用等速趋近律得到下一时刻的误差估计值，根据李雅普诺夫稳定性原理使所述误差估计值趋近下一时刻的真实误差值；

将所述误差估计值补偿入所述参考电压指令得到参考电压矢量，通过所述参考电压矢量对所述电机进行相应的调整。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取所述电机当前的电流及电机转速之前，还包括：

所述电机为表贴式永磁同步电机，利用所述表贴式永磁同步电机交直轴电感量相等特性建立电机定子电压和电磁转矩的数学模型，使所述电流及所述电机转速利用所述数学模型进行离散化。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预测电压，具体为：

其中，u_d(k+1)和u_q(k+1)分别为k+1时刻d轴和q轴的定子端电压，i_d(k+2)和i_q(k+2)分别为k+2时刻d轴和q轴的定子电流，i_d(k+1)和i_q(k+1)分别为k+1时刻d轴和q轴的定子电流，T_s为当前采样周期，R为定子电阻，L为定子电感，ψ_f为永磁体磁链，ω(t)为t时刻的电机转速；

所述参考电压指令，具体为：

其中，和分别是d轴和q轴的参考电压指令，ω^*是参考速度，是d轴的参考电流，J是转子转动惯量，p为极对数，T_l是电机转轴上的负载扭矩，T_sp是转速和负载转矩的采样时间T_sp＝10T_s。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述误差估计值，具体为：

其中，分别为k时刻d轴电流i_d的估计值、k时刻集总电压误差f_d的估计值、t时刻转速ω的估计值、k时刻集总电压误差f_q的估计值，分别为k+1时刻d轴电流i_d的估计值、k+1时刻集总电压误差f_d的估计值、t+1时刻转速ω的估计值、k+1时刻集总电压误差f_q的估计值，u_d(k)、u_q(k)分别为k时刻d、q轴的定子端电压，β_d、β_q分别为d轴、q轴的滑模参数，U_dsmo、U_qsmo分别为d轴和q轴电压的开关函数。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述参考电压矢量，具体为：

其中，U^*为参考电压矢量，和分别为d轴和q轴k+1时刻的参考电压矢量，分别为集总电压误差f_d和f_q的估计值。

6.一种永磁同步电机的直接速度预测控制设备，其特征在于，包括：

补偿模块，获取所述电机当前的电流及电机转速，利用所述电流及所述电机转速通过离散化方式得到下一时刻的预测电流，根据所述预测电流得到下一时刻的预测电压；

转换模块，通过前向欧拉离散化的方式利用所述电机转速得到下一时刻的预测速度，根据所述预测速度以及由所述预测电流转换得到的参考速度与参考电流，将所述预测电压转换成参考电压指令；

观测模块，通过滑模变结构控制方式对所述参考电压指令进行处理，利用等速趋近律得到下一时刻的误差估计值，根据李雅普诺夫稳定性原理使所述误差估计值趋近下一时刻的真实误差值；

调整模块，将所述误差估计值补偿入所述参考电压指令得到参考电压矢量，通过所述参考电压矢量对所述电机进行相应的调整。

7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述补偿模块获取所述电机当前的电流及电机转速之前，还包括：

所述电机为表贴式永磁同步电机，利用所述表贴式永磁同步电机交直轴电感量相等特性建立电机定子电压和电磁转矩的数学模型，使所述电流及所述电机转速利用所述数学模型进行离散化。

8.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述预测电压，具体为：

其中，u_d(k+1)和u_q(k+1)分别为k+1时刻d轴和q轴的定子端电压，i_d(k+2)和i_q(k+2)分别为k+2时刻d轴和q轴的定子电流，i_d(k+1)和i_q(k+1)分别为k+1时刻d轴和q轴的定子电流，T_s为当前采样周期，R为定子电阻，L为定子电感，ψ_f为永磁体磁链，ω(t)为t时刻的电机转速；

所述参考电压指令，具体为：

其中，和分别是d轴和q轴的参考电压指令，ω^*是参考速度，是d轴的参考电流，J是转子转动惯量，p为极对数，T_l是电机转轴上的负载扭矩，T_sp是转速和负载转矩的采样时间T_sp＝10T_s。

9.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述误差估计值，具体为：

其中，分别为k时刻d轴电流i_d的估计值、k时刻集总电压误差f_d的估计值、t时刻转速ω的估计值、k时刻集总电压误差f_q的估计值，分别为k+1时刻d轴电流i_d的估计值、k+1时刻集总电压误差f_d的估计值、t+1时刻转速ω的估计值、k+1时刻集总电压误差f_q的估计值，u_d(k)、u_q(k)分别为k时刻d、q轴的定子端电压，β_d、β_q分别为d轴、q轴的滑模参数，U_dsmo、U_qsmo分别为d轴和q轴电压的开关函数。

10.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述参考电压矢量，具体为：

其中，U^*为参考电压矢量，和分别为d轴和q轴k+1时刻的参考电压矢量，分别为集总电压误差f_d和f_q的估计值。