具体实施方式

本发明的技术方案是应用于两电平三相逆变器驱动的表贴式永磁同步电机电流环控制器，下面结合附图1对本发明的具体实施方式做进一步说明。

如图1所示，本发明包括以下步骤：

永磁同步电机伺服系统主要由增量式无差拍电流预测鲁棒控制器、逆变器、表贴式永磁同步电机、空间矢量脉宽调制模块组成。增量式无差拍电流预测鲁棒控制器输出的dq轴的电压给定值依次经空间矢量脉宽调制模块和逆变器后作用于表贴式永磁同步电机，逆变器与表贴式永磁同步电机的输出经数学变换后输入增量式无差拍电流预测鲁棒控制器中进行反馈。

永磁同步电机伺服系统电流环的增量式无差拍电流预测鲁棒控制器以dq轴电流给定值作为给定输入，同时通过电流传感器对表贴式永磁同步电机的三相电流进行采样，获得三相电流实际值，同时通过位置传感器对表贴式永磁同步电机的转子位置机械角度进行采样，获得转子位置机械角度；再对三相电流实际值进行静止三相坐标系到旋转两相坐标系的坐标变换后得到dq轴电流实际值，对转子位置机械角度进行微分后再乘以电机极对数后得到电机电角速度，将dq轴电流实际值和电机电角速度作为控制器的反馈输入。先对控制器输出的dq轴电压给定值进行坐标变换，获得αβ轴的电压给定值，再对αβ轴的电压给定值进行空间矢量脉宽调制，生成对应占空比的PWM信号并送往逆变器，PWM信号的占空比的更新存在一个控制周期的延迟。逆变器输出的电压作用于表贴式永磁同步电机进行反馈控制，实现对表贴式永磁同步电机的无差拍电流预测鲁棒控制。

增量式无差拍电流预测鲁棒控制器通过以下控制方程进行设置：

其中，Δi_d(k)、Δi_q(k)分别表示k时刻的d、q轴的增量电流；i_d(k)、i_q(k)分别表示k时刻的d、q轴的电流实际值；i_d(k-1)、i_q(k-1)分别表示k-1时刻的d、q轴的电流实际值；分别表示k+1时刻的d、q轴的增量电流估计值；分别表示第k个控制周期的d、q轴的增量电压；T_s表示控制周期，和分别表示定子电阻和同步电感的估计值，ω_e(k)表示k时刻的电机电角速度；分别表示k+1时刻的d、q轴的电流估计值；分别表示第k+1个控制周期的d、q轴的增量电压；分别表示k-1时刻的d、q轴的电流给定值；分别表示k时刻的d、q轴的电流给定值；分别表示第k个控制周期的d、q轴的电压给定值；分别表示第k+1个控制周期的d、q轴的电压给定值。

表贴式永磁同步电机的交直轴电感L_d＝L_q＝L。

增量式无差拍电流预测鲁棒控制器的控制方程通过以下步骤计算获得：

本方法针对交直轴同步电感L_d＝L_q＝L的表贴式永磁同步电机。首先，根据前向欧拉法对永磁同步电机在dq坐标系下的定子电压方程进行离散化。考虑到PWM占空比的更新具有一个控制周期的延迟，控制目标为在第k个控制周期内计算第k+1个控制周期的电压给定，使得电流能在k+2时刻达到k时刻的给定值，故在第k个控制周期内需要对k+1时刻的dq轴电流进行预测。假定电机的电机电角速度在相邻两个控制周期内保持不变，即ω_e(k)＝ω_e(k+1)。由此推得传统无差拍电流预测控制方法的电流预测和电压给定方程：

其中：表示k+1时刻的d、q轴的电流估计值；i_d(k)、i_q(k)表示k时刻的d、q轴的电流实际值；表示第k+1个控制周期的d、q轴的电压给定；T_s表示控制周期，和分别表示定子电阻、同步电感和永磁体磁链的估计值；表示第k+1个控制周期的d、q轴的电压给定；表示k时刻的d、q轴的电流给定值。

然后，将公式(6)与k时刻的电流预测方程做差、将公式(7)与k时刻的电压给定方程做差，得到基于增量式电机模型的无差拍电流预测控制方法的控制方程：

其中：Δi_d(k)、Δi_q(k)分别表示k时刻的d、q轴的增量电流；i_d(k-1)、i_q(k-1)分别表示k-1时刻的d、q轴的电流实际值；表示k+1时刻的d、q轴增量电流估计值；分别表示第k个控制周期的d、q轴的增量电压；表示第k+1个控制周期的d、q轴增量电压。

通过对增量电压计算公式(8)中d、q轴增量电流估计值项 进行替换，实现系统鲁棒性的增强。用k-1时刻的d、q轴电流给定值与k时刻的d、q轴电流实际值之差分别替换公式(8)中k+1时刻的d、q轴增量电流估计值项，得到基于增量式电机模型的无差拍电流预测鲁棒控制方法的控制方程：

该方法保留了基于增量式电机模型的无差拍电流预测控制方法在电机参数存在误差情况下电流静态无差的优点，且拓宽了系统稳定运行的电感误差允许范围，增强了系统的鲁棒性。

实施例

首先，在第k个控制周期的起始时刻利用电流传感器采集k时刻的定子三相电流i_abc(k)，利用旋转变压器或编码器获得k时刻电机转子位置机械角度θ_m(k)。对i_abc(k)进行Park变换获得k时刻dq轴电流实际值i_dq(k)，对转子位置机械角度进行微分并乘以电机极对数获得k时刻的电机电角速度ω_e(k)，并输入增量式无差拍电流预测鲁棒控制器。

表贴式永磁同步电机采用i_d＝0控制，故k时刻的d轴电流给定值k时刻的q轴电流给定值由转速环给出或者手动给定。各个参数输入无差拍控制器后，根据所发明的增量式无差拍电流预测鲁棒控制方法的电流预测和电压给定方程计算第k+1个控制周期的d、q轴电压给定

对于表贴式永磁同步电机，交直轴同步电感L_d＝L_q＝L，用表示其估计值，表示定子电阻估计值，均提前通过离线方法测量获得。

首先由公式(1)，根据k时刻与k-1时刻的d、q轴电流实际值之差计算出Δi_dq(k)，与前一控制周期计算出的一起代入公式(2)计算得到然后由公式(3)，k时刻d、q轴电流实际值加上k+1时刻的d、q轴增量电流估计值得到同k时刻、k-1时刻的d、q轴电流给定值代入公式(4)计算出最后由公式(5)，第k+1个控制周期的d、q轴增量电压加上第k个控制周期的d、q轴电压给定即得到第k+1个控制周期的d、q轴电压给定第k个控制周期内计算得到的电压给定对应的PWM占空比将于第k+1个控制周期起始时刻更新，使第k+1个控制周期内逆变器作用于电机的dq轴电压为

本发明的工作原理如下：

电机参数存在误差时，用Δe_d(k+1)、Δe_q(k+1)分别表示k+1时刻d、q轴增量电流实际值与估计值之差：

则根据分析可得k时刻的dq轴电流给定值与k+2时刻的dq轴电流实际值之差为：

在电机稳态运行时，忽略电流纹波与电压纹波，可以近似认为dq轴电流与dq轴电压给定值保持不变，即dq轴的增量电流与dq轴的增量电压均为0，故有Δe_d(k+1)、Δe_d(k+2)＝0，且i_dq(k+2)＝i_dq(k+1)，方程(10)可以化简为：

由公式(11)的成立可知k+2时刻的电流实际值与k时刻的电流给定值相等，故所发明的基于增量式电机模型的无差拍电流预测鲁棒控制方法即使在电机参数存在误差时也不存在静差，而定子电阻、同步电感和永磁体磁链的误差均会导致传统无差拍电流预测控制下的电流产生静差。

考虑相位延迟和逆变器非线性因素的影响时，由于相位延迟造成的dq轴电压误差仅与电机转速相关，因此在控制周期足够短的情况下，可以认为其为常数；逆变器非线性造成的dq轴电压误差包含直流分量和平均值为零的六脉波分量。

假设由相位延迟和逆变器非线性造成的dq轴电压误差为u_edq，则dq轴电压给定与实际施加于电机的dq轴电压u_dq之间满足：

则k时刻的d轴电压实际增量Δu_d(k)、q轴电压实际增量Δu_q(k)分别为：

在电机稳态运行时，不考虑逆变器非线性电压误差六脉波分量的情况下，可以近似认为u_edq(k)＝u_edq(k-1)。故稳态时所发明的增量式无差拍电流预测鲁棒控制方法在相位延迟和逆变器非线性导致的电压误差直流分量的影响下，电压实际增量依然等于电压给定增量。而电压实际增量等于电压给定增量时，由前述可得电流不存在静差。

分析电机参数误差对系统稳定性的影响时，由于电机参数通常满足的条件，故可以忽略方程中的电阻有关项。定义k时刻d、q轴电流给定值与k+1时刻d、q轴电流实际值之差分别为d轴误差电流i_ed(k+1)和q轴误差电流i_eq(k+1)：

根据公式(4)可得：

将与反电势相关的项作为扰动项，由方程(15)可得电压给定与误差电流的离散传递函数G_eu(z)：

结合电流实际值与电压给定的离散传递函数G_ui(z)如公式(17)，可得基于增量式电机模型的无差拍电流预测鲁棒控制下电流环传递函数框图，如图2所示。

由图2可进一步得到电流环的闭环离散传递函数G_c(z)：

为了保证系统稳定运行，电流环闭环离散传递函数的极点必须落在单位圆内，即电感估计值应满足0＜L＜2L。当计算采用的电感估计值与电感实际值相等时，电流环的闭环离散传递函数可以化简为z^-2，即电流环的输出实现对输入延迟两个控制周期的无差跟踪。而如前所述，改进前的基于增量式电机模型的无差拍电流预测控制方法只有当0.8L＜L＜1.25L时才能稳定工作，改进后方法的鲁棒性明显增强。

实验

为了验证本发明方法的可靠性，进行了相关实验，令测试电机由单电流环控制，电流环控制器采用所发明的基于增量式电机模型的无差拍电流预测鲁棒控制方法，其转速由负载电机提供。实验中使用的表贴式永磁同步电机的参数见下表1。

表1电机参数

图3是负载电机的给定转速为600rpm时，q轴电流给定值在0.15s时由1A突增至1.5A，在0.25s时由1.5A突减至0.5A的工况下的dq轴电流响应。此时电阻和电感参数均代入测量值。图3的(a)为dq轴电流响应波形，图3的(b)和图3的(c)分别为给定突增和突减时过渡过程电流放大波形。可见所发明的控制方法在电机参数基本没有误差的情况下，电流稳态无差，动态响应迅速，延迟两个控制周期就能跟随给定。

图4工况与图3相同。此时电感参数代入1.5倍测量值，该电感参数在基于增量式电机模型的无差拍电流预测控制方法0.8-1.25倍电感参数实际值的稳定运行范围之外。图4的(a)为dq轴电流响应波形，图4的(b)和图4的(c)分别为给定突增和突减时过渡过程电流放大波形。可见所发明的控制方法在电机参数估计值近似实际值的1.5倍时，与传统无差拍电流预测控制方法一样产生了超调、动态性能下降，但是电流稳态无差，且相比基于增量式电机模型的无差拍电流预测控制方法仍能保持稳定。

图5工况与图3相同。此时电感参数代入0.5倍测量值，该电感参数同样在基于增量式电机模型的无差拍电流预测控制方法0.8-1.25倍电感参数实际值的稳定范围之外。图5的(a)为dq轴电流响应波形，图5的(b)和图5的(c)分别为给定突增和突减时过渡过程电流放大波形。可见所发明的控制方法在电机参数估计值近似实际值的0.5倍时，尽管略有超调、动态性能有所下降，但是同样保持了电流稳态无差，且相比基于增量式电机模型的无差拍电流预测控制方法仍能保持稳定。