CN114362626B - 一种永磁同步电机超螺旋滑模观测器预测控制方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种永磁同步电机超螺旋滑模观测器预测控制方法及***，该方法包括：采用超螺旋滑模观测器进行电流延时补偿，获取下一时刻的电流预测值，并观测***扰动；根据电流给定参考值、超螺旋滑模观测器所得电流预测值与***扰动进行无差拍电流预测控制，获取永磁同步电机的电压控制矢量。与现有技术相比，本发明改进现有滑模观测器中存在的滑模抖振，扰动观测更精确，无差拍预测控制的谐波电流更小，电机的转矩脉动更小，且电流可实现无差跟踪，动态响应更快。

Description

一种永磁同步电机超螺旋滑模观测器预测控制方法及***

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，尤其是涉及一种永磁同步电机超螺旋滑模观测器预测控制方法及***。

背景技术

永磁同步电机以其结构简单、运行可靠、功率因数高、效率高等优点在电动汽车驱动***中得到广泛应用。电动汽车有平稳运行和低噪声振动等舒适性要求，而驱动电机的转矩脉动直接影响到车内噪声、振动舒适性，因此需要开发高性能电机控制算法以抑制永磁同步电机转矩脉动，对电机的NVH(噪声、振动与声振粗糙度)特性进行优化。预测控制是一种从工业控制中发展而来的控制策略，具有很强工业应用基础和良好的实践经验。因此开发高性能预测控制算法具有很好的实用价值。

有限集预测控制利用评价函数选择使转矩脉动最小的最优电压矢量，该方法结构与计算都较为简单，相比于传统PI矢量控制，谐波与转矩脉动得到有效抑制，但依然较大，因此国内外学者提出了许多对预测控制算法进行优化的方法。无差拍预测控制利用电机及逆变器的离散时间模型精确计算当前时刻所需电压，该方法可以响应速度快，转矩脉动小，因此本发明采用无差拍预测控制获得控制电压矢量。传统的无差拍预测控制对电流的扰动较为敏感，因此需要设计观测器以提高预测控制策略的鲁棒性。龙伯格观测器可以用来观测由参数失配等引起的扰动，但初始扰动估计会存在较大偏差，其初始阶段易引起峰值电流，影响控制性能。近年来，许多学者通过引入滑模观测器的方法来估计定子电流中的扰动，在参数失配的情况下实现了更好的鲁棒性和电流控制性能。但传统滑模观测器在切换滑模面时易造成抖振，造成电机的电流谐波含量增大。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种永磁同步电机超螺旋滑模观测器预测控制方法及***。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种永磁同步电机超螺旋滑模观测器预测控制方法，该方法包括：

S1、采用超螺旋滑模观测器进行电流延时补偿，获取下一时刻的电流预测值，并观测***扰动；

S2、根据电流给定参考值、超螺旋滑模观测器所得电流预测值与***扰动进行无差拍电流预测控制，获取永磁同步电机的电压控制矢量。

优选地，步骤S1具体为：

获取当前时刻的定子电流、电机的电角速度输入至超螺旋滑模观测器，超螺旋滑模观测器的数学模型表示为：

其中，k表示第k个时刻，k+1表示第k+1个时刻；i_d(k)、i_q(k)分别表示第k时刻下d,q轴的定子电流；分别表示第k时刻下d,q轴的定子电流预测值；e_d(k)、e_q(k)分别表示第k时刻下d,q轴的定子电流的误差；/>分别表示第k+1时刻下d,q轴的定子电流预测值；/>分别表示第k时刻下d,q轴的定子电流扰动观测值；分别表示第k+1时刻下d,q轴的定子电流扰动观测值；/>分别表示第k时刻下d,q轴的电压控制矢量；ω_e(k)表示第k时刻下电机的电角速度；T_s表示采样周期，R_s表示定子电阻，L_d、L_q分别表示d,q轴的电感，/>表示电机转子磁链；U_dsm、U_qsm分别为d,q轴的滑模控制函数；k₁、k₂表示滑模观测器参数；tanh为双曲正切函数；

超螺旋滑模观测器输出下一时刻的电流预测值和***扰动。

优选地，所述的d,q轴的滑模控制函数U_dsm、U_qsm表示为：

优选地，滑模观测器参数k₁、k₂满足如下条件：

其中，e_d、e_q分别表示任意时刻下d,q轴定子电流的误差。

优选地，双曲正切函数表示为：

其中，s表示函数变量。

优选地，步骤S2具体为：

获取定子电流参考值以及超螺旋滑模观测器所得电流预测值与***扰动，输入至无差拍电流预测控制器，无差拍电流预测控制器表示为：

其中，k表示第k个时刻，k+1表示第k+1个时刻；i_d ^*、i_q ^*分别表示d,q轴的定子电流参考值；u_d ^*(k+1)、u_q ^*(k+1)分别表示第k时刻下d,q轴的电压控制矢量；T_s表示采样周期，R_s表示定子电阻，L_d、L_q分别表示d,q轴的电感，表示电机转子磁链；ω_e(k+1)表示第k+1时刻下电机的电角速度；

基于无差拍电流预测控制器输出的电压控制矢量控制永磁同步电机运行。

一种永磁同步电机超螺旋滑模观测器预测控制***，该***包括：

超螺旋滑模观测器：对电流延时补偿，获取下一时刻的电流预测值，并观测***扰动；

无差拍预测控制器：根据电流给定参考值、超螺旋滑模观测器所得电流预测值与***扰动进行无差拍电流预测控制，获取永磁同步电机的电压控制矢量。

优选地，所述的超螺旋滑模观测器的数学模型表示为：

其中，k表示第k个时刻，k+1表示第k+1个时刻；i_d(k)、i_q(k)分别表示第k时刻下d,q轴的定子电流；分别表示第k时刻下d,q轴的定子电流预测值；e_d(k)、e_q(k)分别表示第k时刻下d,q轴的定子电流的误差；/>分别表示第k+1时刻下d,q轴的定子电流预测值；/>分别表示第k时刻下d,q轴的定子电流扰动观测值；分别表示第k+1时刻下d,q轴的定子电流扰动观测值；/>分别表示第k时刻下d,q轴的电压控制矢量；ω_e(k)表示第k时刻下电机的电角速度；T_s表示采样周期，R_s表示定子电阻，L_d、L_q分别表示d,q轴的电感，/>表示电机转子磁链；U_dsm、U_qsm分别为d,q轴的滑模控制函数；k₁、k₂表示滑模观测器参数；tanh为双曲正切函数。

优选地，d,q轴的滑模控制函数U_dsm、U_qsm表示为：

优选地，无差拍预测控制器的数学模型表示为：

其中，k表示第k个时刻，k+1表示第k+1个时刻；i_d ^*、i_q ^*分别表示d,q轴的定子电流参考值；u_d ^*(k+1)、u_q ^*(k+1)分别表示第k时刻下d,q轴的电压控制矢量；T_s表示采样周期，R_s表示定子电阻，L_d、L_q分别表示d,q轴的电感，表示电机转子磁链；ω_e(k+1)表示第k+1时刻下电机的电角速度。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明采用超螺旋滑模控制算法设计滑模观测器，在滑模观测器中应用超螺旋算法，重新设计了滑模趋近律，改进现有滑模观测器中存在的滑模抖振，扰动观测更精确，由此可以提高***的鲁棒性，在参数失配情况下，电流控制更稳定。

(2)本发明采用无差拍电流预测控制算法计算电压控制矢量，该方法的电流控制器相比于PI控制器，其动态响应更快，电流能够无差跟踪电流参考值，且能够显著抑制定子电流谐波，降低电机的转矩脉动。

附图说明

图1为本发明永磁同步电机超螺旋滑模观测器预测控制的原理框图；

图2为本发明的d轴超螺旋滑模观测器的原理框图；

图3为本发明的q轴超螺旋滑模观测器的原理框图；

图4为本发明方法与现有技术方法的q轴电流及转矩检测结果对比图，其中，图4的(a)为传统预测控制算法的q轴电流曲线，图4的(b)为本发明所提算法的q轴电流曲线，图4的(c)为传统预测控制算法的转矩曲线，图4的(d)为本发明所提算法的转矩曲线；

图5为本发明方法与现有技术方法的转矩脉动FFT结果对比图，其中，图5的(a)为传统预测控制算法的转矩脉动FFT分析图，图5的(b)为本发明所提算法的转矩脉动FFT分析图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。

实施例

如图1所示，本实施例提供一种永磁同步电机超螺旋滑模观测器预测控制方法，该方法包括：

S1、采用超螺旋滑模观测器进行电流延时补偿，获取下一时刻的电流预测值，并观测***扰动；

S2、根据电流给定参考值、超螺旋滑模观测器所得电流预测值与***扰动进行无差拍电流预测控制，获取永磁同步电机的电压控制矢量。

本发明采用超螺旋滑模控制算法设计滑模观测器，在滑模观测器中应用超螺旋算法，重新设计了滑模趋近律，改进现有滑模观测器中存在的滑模抖振，扰动观测更精确，由此可以提高***的鲁棒性，在参数失配情况下，电流控制更稳定。采用无差拍电流预测控制算法计算电压控制矢量，该方法的电流控制器相比于PI控制器，其动态响应更快，电流能够无差跟踪电流参考值，且能够显著抑制定子电流谐波，降低电机的转矩脉动。

以下对本发明的执行步骤进行具体说明。

步骤S1具体为：

S11、获取当前时刻的定子电流、电机的电角速度输入至超螺旋滑模观测器；

滑模观测器为基于永磁同步电机的数学模型，及离散超螺旋滑模控制算法，设计得到的超螺旋滑模观测器，d轴超螺旋滑模观测器的原理框图如图2所示，q轴超螺旋滑模观测器的原理框图如图3所示，超螺旋滑模观测器的数学模型表示为：

其中，k表示第k个时刻，k+1表示第k+1个时刻；i_d(k)、i_q(k)分别表示第k时刻下d,q轴的定子电流；分别表示第k时刻下d,q轴的定子电流预测值；e_d(k)、e_q(k)分别表示第k时刻下d,q轴的定子电流的误差；/>分别表示第k+1时刻下d,q轴的定子电流预测值；/>分别表示第k时刻下d,q轴的定子电流扰动观测值；分别表示第k+1时刻下d,q轴的定子电流扰动观测值；/>分别表示第k时刻下d,q轴的电压控制矢量；ω_e(k)表示第k时刻下电机的电角速度；T_s表示采样周期，R_s表示定子电阻，L_d、L_q分别表示d,q轴的电感，/>表示电机转子磁链；U_dsm、U_qsm分别为d,q轴的滑模控制函数；k₁、k₂表示滑模观测器参数；tanh为双曲正切函数；

d,q轴的滑模控制函数U_dsm、U_qsm表示为：

滑模观测器参数k₁、k₂满足如下条件：

其中，e_d、e_q分别表示任意时刻下d,q轴定子电流的误差；

双曲正切函数表示为：

其中，s表示函数变量。

S12、超螺旋滑模观测器输出下一时刻的电流预测值和***扰动。

步骤S2具体为：

S21、获取定子电流参考值以及超螺旋滑模观测器所得电流预测值与***扰动，输入至无差拍电流预测控制器，无差拍电流预测控制器表示为：

其中，k表示第k个时刻，k+1表示第k+1个时刻；i_d ^*、i_q ^*分别表示d,q轴的定子电流参考值；u_d ^*(k+1)、u_q ^*(k+1)分别表示第k时刻下d,q轴的电压控制矢量；T_s表示采样周期，R_s表示定子电阻，L_d、L_q分别表示d,q轴的电感，表示电机转子磁链；ω_e(k+1)表示第k+1时刻下电机的电角速度；

S22、基于无差拍电流预测控制器输出的电压控制矢量控制永磁同步电机运行。

对应与上述永磁同步电机超螺旋滑模观测器预测控制方法，本实施例还提供一种永磁同步电机超螺旋滑模观测器预测控制***，该***包括：

超螺旋滑模观测器：对电流延时补偿，获取下一时刻的电流预测值，并观测***扰动；

无差拍预测控制器：根据电流给定参考值、超螺旋滑模观测器所得电流预测值与***扰动进行无差拍电流预测控制，获取永磁同步电机的电压控制矢量。

超螺旋滑模观测器以及无差拍预测控制器的数学模型已经在上文详细说明，此处不再赘述。

本实施例以某个额定电压144V，额定转速2700转，额定转矩32N.m的永磁同步电机驱动***为基础，验证本发明所提永磁同步电机控制算法的有效性，其逆变器开关频率为10KHz。

以转速为4000转，负载为10N.m的工况为例，将现有的传统基于滑模观测器的永磁同步电机无差拍预测控制算法，与本发明所提基于超螺旋滑模观测器的永磁同步电机预测控制算法做对比，在两种控制算法的控制下，定子q轴电流与电机转矩脉动对比图如图4所示，转矩脉动FFT分析对比图如图5所示。图中可以看到，在电机运行至稳态时，现有的预测控制算法的谐波电流及转矩脉动较大，而本发明所提的基于超螺旋滑模观测器的永磁同步电机预测控制算法能有效抑制谐波电流及转矩脉动，相比于传统控制算法，转矩脉动的THD明显降低。

上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。

Claims (5)

1.一种永磁同步电机超螺旋滑模观测器预测控制方法，其特征在于，该方法包括：

S1、采用超螺旋滑模观测器进行电流延时补偿，获取下一时刻的电流预测值，并观测***扰动；

S2、根据电流给定参考值、超螺旋滑模观测器所得电流预测值与***扰动进行无差拍电流预测控制，获取永磁同步电机的电压控制矢量；

步骤S1具体为：

获取当前时刻的定子电流、电机的电角速度输入至超螺旋滑模观测器，超螺旋滑模观测器的数学模型表示为：

其中，k表示第k个时刻，k+1表示第k+1个时刻；i_d(k)、i_q(k)分别表示第k时刻下d,q轴的定子电流；分别表示第k时刻下d,q轴的定子电流预测值；e_d(k)、e_q(k)分别表示第k时刻下d,q轴的定子电流的误差；/>分别表示第k+1时刻下d,q轴的定子电流预测值；/>分别表示第k时刻下d,q轴的定子电流扰动观测值；分别表示第k+1时刻下d,q轴的定子电流扰动观测值；/>分别表示第k时刻下d,q轴的电压控制矢量；ω_e(k)表示第k时刻下电机的电角速度；T_s表示采样周期，R_s表示定子电阻，L_d、L_q分别表示d,q轴的电感，/>表示电机转子磁链；U_dsm、U_qsm分别为d,q轴的滑模控制函数；k₁、k₂表示滑模观测器参数；tanh为双曲正切函数；

超螺旋滑模观测器输出下一时刻的电流预测值和***扰动；

所述的d,q轴的滑模控制函数U_dsm、U_qsm表示为：

U_dsm＝-R_se_d(k)+L_dk₁|e_d(k)|^1/2tanh(e_d(k))

U_qsm＝-R_se_q(k)+L_qk₁|e_q(k)|^1/2tanh(e_q(k))

滑模观测器参数k₁、k₂满足如下条件：

其中，e_d、e_q分别表示任意时刻下d,q轴定子电流的误差。

2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机超螺旋滑模观测器预测控制方法，其特征在于，双曲正切函数表示为：

其中，s表示函数变量。

3.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机超螺旋滑模观测器预测控制方法，其特征在于，步骤S2具体为：

获取定子电流参考值以及超螺旋滑模观测器所得电流预测值与***扰动，输入至无差拍电流预测控制器，无差拍电流预测控制器表示为：

其中，k表示第k个时刻，k+1表示第k+1个时刻；i_d ^*、i_q ^*分别表示d,q轴的定子电流参考值；u_d ^*(k+1)、u_q ^*(k+1)分别表示第k时刻下d,q轴的电压控制矢量；T_s表示采样周期，R_s表示定子电阻，L_d、L_q分别表示d,q轴的电感，表示电机转子磁链；ω_e(k+1)表示第k+1时刻下电机的电角速度；

基于无差拍电流预测控制器输出的电压控制矢量控制永磁同步电机运行。

4.一种永磁同步电机超螺旋滑模观测器预测控制***，其特征在于，该***包括：

超螺旋滑模观测器：对电流延时补偿，获取下一时刻的电流预测值，并观测***扰动；

无差拍预测控制器：根据电流给定参考值、超螺旋滑模观测器所得电流预测值与***扰动进行无差拍电流预测控制，获取永磁同步电机的电压控制矢量；

所述的超螺旋滑模观测器的数学模型表示为：

其中，k表示第k个时刻，k+1表示第k+1个时刻；i_d(k)、i_q(k)分别表示第k时刻下d,q轴的定子电流；分别表示第k时刻下d,q轴的定子电流预测值；e_d(k)、e_q(k)分别表示第k时刻下d,q轴的定子电流的误差；/>分别表示第k+1时刻下d,q轴的定子电流预测值；/>分别表示第k时刻下d,q轴的定子电流扰动观测值；分别表示第k+1时刻下d,q轴的定子电流扰动观测值；/>分别表示第k时刻下d,q轴的电压控制矢量；ω_e(k)表示第k时刻下电机的电角速度；T_s表示采样周期，R_s表示定子电阻，L_d、L_q分别表示d,q轴的电感，/>表示电机转子磁链；U_dsm、U_qsm分别为d,q轴的滑模控制函数；k₁、k₂表示滑模观测器参数；tanh为双曲正切函数；

d,q轴的滑模控制函数U_dsm、U_qsm表示为：

U_dsm＝-R_se_d(k)+L_dk₁|e_d(k)|^1/2tanh(e_d(k))

U_qsm＝-R_se_q(k)+L_qk₁|e_q(k)|^1/2tanh(e_q(k))

滑模观测器参数k₁、k₂满足如下条件：

其中，e_d、e_q分别表示任意时刻下d,q轴定子电流的误差。

5.根据权利要求4所述的一种永磁同步电机超螺旋滑模观测器预测控制***其特征在于，无差拍预测控制器的数学模型表示为：

其中，k表示第k个时刻，k+1表示第k+1个时刻；i_d ^*、i_q ^*分别表示d,q轴的定子电流参考值；u_d ^*(k+1)、u_q ^*(k+1)分别表示第k时刻下d,q轴的电压控制矢量；T_s表示采样周期，R_s表示定子电阻，L_d、L_q分别表示d,q轴的电感，表示电机转子磁链；ω_e(k+1)表示第k+1时刻下电机的电角速度。