模块化多绕组永磁电机系统参数免疫预测控制方法及系统
阅读说明：本技术 模块化多绕组永磁电机系统参数免疫预测控制方法及系统 (Modular multi-winding permanent magnet motor system parameter immune prediction control method and system ) 是由 黄守道 黄晟 汪逸哲 吴公平 吴轩 廖武 黄晓辉 于 2021-01-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种模块化多绕组永磁电机系统参数免疫预测控制方法及系统,本发明方法采用级联预测控制且设计了参数免疫定子磁链预测控制器、参数免疫转矩预测控制器以及未知转矩扰动观测器,数免疫定子磁链预测控制器和参数免疫转矩预测控制器构成级联结构,参数免疫定子磁链预测控制器用于计算出控制模块化多绕组永磁电机系统的d、q轴指令电压,参数免疫转矩预测控制器用于计算出下一时刻的d、q轴定子磁链指令值,未知转矩扰动观测器用于观测出外部负载转矩扰动和电机响应转速。对比参数失配下传统模型预测控制方法,本发明所提的参数免疫预测控制方法在提升定子磁链跟踪精度、抑制转矩/磁链脉动和降低定子电流畸变量等方面具有明显优势。(The invention discloses a modular multi-winding permanent magnet motor system parameter immune prediction control method and system, the method adopts cascade prediction control and designs a parameter immune stator flux prediction controller, a parameter immune torque prediction controller and an unknown torque disturbance observer, the parameter immune stator flux prediction controller and the parameter immune torque prediction controller form a cascade structure, the parameter immune stator flux prediction controller is used for calculating d and q axis instruction voltages for controlling the modular multi-winding permanent magnet motor system, the parameter immune torque prediction controller is used for calculating d and q axis stator flux instruction values at the next moment, and the unknown torque disturbance observer is used for observing external load torque disturbance and motor response rotating speed. Compared with the traditional model prediction control method under parameter mismatch, the parameter immune prediction control method provided by the invention has obvious advantages in the aspects of improving the stator flux linkage tracking precision, inhibiting torque/flux linkage pulsation, reducing stator current distortion and the like.)
技术领域
本发明涉及模块化多绕组永磁电机的控制技术，具体涉及一种模块化多绕组永磁电机系统参数免疫预测控制方法及系统。
背景技术
目前电机在我国装备制造业中的地位和作用越来越显著，我国已成为世界上最大的电动机制造、出口和使用大国。据统计，电机消耗了我国总发电量的60％至70％电量，其中工业领域的耗电量占工业部门总用电量的75％。随着我国制造业发展深度和广度的显著提升，模块化多绕组永磁电机凭借其容错性能强、可靠度高和结构简单等优势，在军事工程装备、先进轨道交通装备、航空航天装备等特殊应用领域中受到了广泛的关注和青睐。
目前研究学者对模块化多绕组永磁电机的本体优化设计进行了全面而深入的探索，但控制器仍然采用的是传统比例积分控制器。由于模块化多绕组永磁电机一个参数时变的高阶非线性系统，传统比例积分控制器难以保证电机系统宽转速和高品质运行。模型预测控制器凭借其控制精度高、动态响应快、零稳态误差及无超调等优点，在电机控制领域中已成为先进控制技术工程化应用的代表。然而，模型预测控制器是一种基于电机系统离散数学模型的高性能控制算法，会受制于电机系统实际参数及数学模型的准确度。当模块化多绕组永磁电机参数因自身材质的退化而发生变化时，将会导致预测控制器中的参数与实际电机系统中的参数出现不匹配的现象，致使电机系统无法输出额定转矩，恶劣情况下甚至失控。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种模块化多绕组永磁电机系统参数免疫预测控制方法及系统，本发明攻克了模型预测控制器对模块化多绕组永磁电机系统参数失配免疫的科学难题，可消除预测控制器受磁链参数、电感参数失配的影响。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种模块化多绕组永磁电机系统参数免疫预测控制方法，包括：
1)根据任意k时刻的转速ωe(k)及q轴电流iqj(k)，通过预设的未知转矩扰动观测器计算负载转矩扰动观测值及转速响应观测值
2)根据得到的负载转矩扰动观测值及转速响应观测值通过预设的参数免疫转矩预测控制器进行参数免疫转矩预测控制计算k+2时刻的d轴定子磁链指令值和q轴定子磁链指令值
3)根据得到的d轴定子磁链指令值和q轴定子磁链指令值通过预设的参数免疫定子磁链预测控制器进行参数免疫定子磁链预测控制计算k+1时刻的d轴指令电压和q轴指令电压作为驱动模块化多绕组永磁电机工作的控制信号。
可选地，步骤1)包括：
1.1)建立如式(1)所示的转速运动方程；
上式中，ωe为电机转速，N为模块化多绕组永磁电机中的单元电机个数，np为极对数，ψro为转子永磁体磁链，J为转动惯量，iqj为q轴电流，TL为负载转矩，t为时间；
1.2)针对转速运动方程设计如式(2)所示的积分终端滑模面；
上式中，sω为积分终端滑模面，eω为转速观测值与转速实际值之间的偏差，ωe为电机响应转速，为转速观测值，ωe为转速实际值，λ＞0为待设计的参数，τ为时间；
1.3)通过积分终端滑模面对式(3)所示的离散型积分终端滑模观测器观测获得转速响应观测值
上式中，为k+1时刻的转速观测值，为k时刻的转速观测值，iqj(k)为k时刻的q轴电流，η和δ为积分终端滑模观测器中待设计的增益，Ts为采样周期；
1.4)求解下式得到负载转矩扰动观测值；
上式中，为负载转矩扰动观测值。
可选地，步骤2)中通过预设的参数免疫转矩预测控制器进行参数免疫转矩预测控制计算k+2时刻的d轴定子磁链指令值和q轴定子磁链指令值的函数表达式为：
上式中，和分别为k+2时刻的d轴定子磁链指令值和q轴定子磁链指令值，ψro为转子永磁体磁链，Lo为电感，为k时刻的转速观测值，为转速指令值，为负载转矩扰动观测值，Td为第一采样周期。
可选地，第一采样周期Td与采样周期Ts之间满足关系Td＝10Ts。
可选地，步骤3)中通过预设的参数免疫定子磁链预测控制器进行参数免疫定子磁链预测控制计算k+1时刻的d轴指令电压和q轴指令电压的函数表达式为：
上式中，和分别为k+1时刻的d轴指令电压和q轴指令电压，udj(k)和uqj(k)分别为k时刻的d轴响应电压和q轴响应电压，ψdj(k)和ψqj(k)分别为k时刻的d轴定子磁链响应值和q轴定子磁链响应值，和分别为k+2时刻的d轴定子磁链指令值和q轴定子磁链指令值，idj(k)和iqj(k)分别为k时刻的d轴电流响应值和q轴电流响应值。
可选地，步骤3)之后还包括：将d轴指令电压和q轴指令电压经逆Park变换后获得两相静止坐标系下的α相指令电压和β相指令电压将两相静止坐标系下的α相指令电压和β相指令电压经SVPWM模块调制后生成用于驱动模块化多绕组永磁电机工作的PWM脉冲信号。
可选地，步骤1)之前还包括：采集模块化多绕组永磁电机k时刻的三相电流iabc，计算出单个模块的电流并经过克拉克变换得到α相电流和β相电流，将α相电流和β相电流通过帕克变换得到q轴电流iqj(k)，并通过对α相电流和β相电流求导得到k时刻的转速ωe(k)。
此外，本发明还提供一种模块化多绕组永磁电机系统参数免疫预测控制系统，包括：
未知转矩扰动观测器，用于根据任意k时刻的转速ωe(k)及q轴电流iqj(k)，计算负载转矩扰动观测值及转速响应观测值
参数免疫转矩预测控制器，用于根据得到的负载转矩扰动观测值及转速响应观测值进行参数免疫转矩预测控制计算k+2时刻的d轴定子磁链指令值和q轴定子磁链指令值
参数免疫定子磁链预测控制器，用于根据得到的d轴定子磁链指令值和q轴定子磁链指令值进行参数免疫定子磁链预测控制计算k+1时刻的d轴指令电压和q轴指令电压作为驱动模块化多绕组永磁电机工作的控制信号。
此外，本发明还提供一种模块化多绕组永磁电机系统参数免疫预测控制系统，包括相互连接的微处理器和存储器，该微处理器被编程或配置以执行所述模块化多绕组永磁电机系统参数免疫预测控制方法的步骤。
此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有被编程或配置以执行所述模块化多绕组永磁电机系统参数免疫预测控制方法的计算机程序。
和现有技术相比，本发明具有下述优点：
1、本发明所提的模块化多绕组永磁电机系统参数免疫预测控制方法对电机系统参数免疫，不受电机系统任何参数失配的影响，此外由于对外界负载转矩扰动进行了观测补偿，本发明所提的参数免疫预测控制方法可以满足电机系统对转速高品质控制的追求。
2、与传统模型预测控制方法相比，本发明所提的模块化多绕组永磁电机系统参数免疫预测控制方法在提升定子磁链跟踪精度、抑制转矩/磁链脉动和降低定子电流畸变量等方面具有明显优势。
附图说明
图1为本发明实施例方法的控制原理示意图。
图2为本发明实施例在电感参数失配的情况下定子磁链控制性能实验示意图。
图3为本发明实施例在电感参数失配的情况下转矩控制性能实验示意图。
图4为本发明实施例在磁链参数失配的情况下定子磁链控制性能实验示意图。
图5为本发明实施例在磁链参数失配的情况下转矩控制性能实验示意图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例模块化多绕组永磁电机系统参数免疫预测控制方法包括：
1)根据任意k时刻的转速ωe(k)及q轴电流iqj(k)，通过预设的未知转矩扰动观测器计算负载转矩扰动观测值及转速响应观测值
2)根据得到的负载转矩扰动观测值及转速响应观测值通过预设的参数免疫转矩预测控制器进行参数免疫转矩预测控制计算k+2时刻的d轴定子磁链指令值和q轴定子磁链指令值
3)根据得到的d轴定子磁链指令值和q轴定子磁链指令值通过预设的参数免疫定子磁链预测控制器进行参数免疫定子磁链预测控制计算k+1时刻的d轴指令电压和q轴指令电压作为驱动模块化多绕组永磁电机工作的控制信号。
本实施例中，步骤1)包括：
1.1)建立如式(1)所示的转速运动方程；
上式中，ωe为电机转速，N为模块化多绕组永磁电机中的单元电机个数，np为极对数，ψro为转子永磁体磁链，J为转动惯量，iqj为q轴电流，TL为负载转矩，t为时间；
1.2)针对转速运动方程设计如式(2)所示的积分终端滑模面；
上式中，sω为积分终端滑模面，eω为转速观测值与转速实际值之间的偏差，ωe为电机响应转速，为转速观测值，ωe为转速实际值，λ＞0为待设计的参数，τ为时间；
1.3)通过积分终端滑模面对式(3)所示的离散型积分终端滑模观测器观测获得转速响应观测值
上式中，为k+1时刻的转速观测值，为k时刻的转速观测值，iqj(k)为k时刻的q轴电流，η和δ为积分终端滑模观测器中待设计的增益，Ts为采样周期；
1.4)求解下式得到负载转矩扰动观测值；
上式中，为负载转矩扰动观测值。
本实施例中，步骤2)中通过预设的参数免疫转矩预测控制器进行参数免疫转矩预测控制计算k+2时刻的d轴定子磁链指令值和q轴定子磁链指令值的函数表达式为：
上式中，和分别为k+2时刻的d轴定子磁链指令值和q轴定子磁链指令值，ψro为转子永磁体磁链，Lo为电感，为k时刻的转速观测值，为转速指令值，为负载转矩扰动观测值，Td为第一采样周期。
本实施例中，第一采样周期Td与采样周期Ts之间满足关系Td＝10Ts。
本实施例中，步骤3)中通过预设的参数免疫定子磁链预测控制器进行参数免疫定子磁链预测控制计算k+1时刻的d轴指令电压和q轴指令电压的函数表达式为：
上式中，和分别为k+1时刻的d轴指令电压和q轴指令电压，udj(k)和uqj(k)分别为k时刻的d轴响应电压和q轴响应电压，ψdj(k)和ψqj(k)分别为k时刻的d轴定子磁链响应值和q轴定子磁链响应值，和分别为k+2时刻的d轴定子磁链指令值和q轴定子磁链指令值，idj(k)和iqj(k)分别为k时刻的d轴电流响应值和q轴电流响应值。
本实施例中，步骤3)之后还包括：将d轴指令电压和q轴指令电压经逆Park变换后获得两相静止坐标系下的α相指令电压和β相指令电压将两相静止坐标系下的α相指令电压和β相指令电压经SVPWM模块调制后生成用于驱动模块化多绕组永磁电机工作的PWM脉冲信号。
本实施例中，步骤1)之前还包括：采集模块化多绕组永磁电机k时刻的三相电流iabc，计算出单个模块的电流并经过克拉克变换得到α相电流和β相电流，将α相电流和β相电流通过帕克变换得到q轴电流iqj(k)，并通过对α相电流和β相电流求导得到k时刻的转速ωe(k)。
图2为本发明实施例在电感参数失配的情况下定子磁链控制性能实验示意图，其中为总定子磁链指令值，ψs(k)为总定子磁链响应值，ψαj(k)为α轴定子磁链响应值，ψβj(k)为β轴定子磁链响应值；由图2可知，在电感参数失配的情况下，采用本发明所提方法后总定子磁链响应值可以很好地跟踪指令值，且α轴定子磁链响应值和β轴定子磁链响应值可以保持很好的正弦度。采用本发明所提方法后电感参数失配情况下的定子磁链控制性能与正常情况一致，由此可知，本发明所提的模块化多绕组永磁电机系统参数免疫预测控制方法对电感参数失配具有免疫作用，抑制了电感参数失配对磁链控制的影响。
图3为本发明实施例在电感参数失配的情况下转矩控制性能实验示意图，其中Te(k)为模块化多绕组永磁电机的电磁转矩，iaj(k)为A相定子电流，ia(k)为A相单元电机定子电流，由图2可知，在电感参数失配的情况下，采用本发明所提方法后模块化多绕组永磁电机的电磁转矩脉动与正常运行情况一致，且A相定子电流和A相单元电机定子电流保持了很好的正弦度。采用本发明所提方法后电感参数失配情况下的电磁转矩控制性能与正常情况一致，由此可知，本发明所提的模块化多绕组永磁电机系统参数免疫预测控制方法对电感参数失配具有免疫作用，消除了电感参数失配引起的电磁转矩脉动。
图4为本发明实施例在磁链参数失配的情况下定子磁链控制性能实验示意图，其中为总定子磁链指令值，ψs(k)为总定子磁链响应值，ψαj(k)为α轴定子磁链响应值，ψβj(k)为β轴定子磁链响应值；由图2可知，在磁链参数失配的情况下，采用本发明所提方法后总定子磁链响应值可以很好地跟踪指令值，且α轴定子磁链响应值和β轴定子磁链响应值可以保持很好的正弦度。采用本发明所提方法后磁链参数失配情况下的定子磁链控制性能与正常情况一致，由此可知，本发明所提的模块化多绕组永磁电机系统参数免疫预测控制方法对磁链参数失配具有免疫作用，消除了磁链参数失配对模块化多绕组永磁电机磁链控制性能的影响。
图5为本发明实施例在磁链参数失配的情况下转矩控制性能实验示意图，其中Te(k)为模块化多绕组永磁电机的电磁转矩，iaj(k)为A相定子电流，ia(k)为A相单元电机定子电流，由图2可知，在磁链参数失配的情况下，采用本发明所提方法后模块化多绕组永磁电机的电磁转矩脉动与正常运行情况一致，且A相定子电流和A相单元电机定子电流保持了很好的正弦度。采用本发明所提方法后磁链参数失配情况下的电磁转矩控制性能与正常情况一致，由此可知，本发明所提的模块化多绕组永磁电机系统参数免疫预测控制方法对磁链参数失配具有免疫作用，抑制了磁链参数失配造成的模块化多绕组永磁电机电磁转矩脉动。
综上所述，本实施例方法采用级联预测控制且设计了参数免疫定子磁链预测控制器、参数免疫转矩预测控制器以及未知转矩扰动观测器，其中参数免疫定子磁链预测控制器和参数免疫转矩预测控制器构成级联结构，参数免疫定子磁链预测控制器用于计算出控制模块化多绕组永磁电机系统的d、q轴指令电压，参数免疫转矩预测控制器用于计算出下一时刻的d、q轴定子磁链指令值，未知转矩扰动观测器用于观测出外部负载转矩扰动和电机响应转速。本发明攻克了模型预测控制器对模块化多绕组永磁电机系统参数失配免疫的科学难题，可消除预测控制器受磁链参数、电感参数失配的影响。对比参数失配下传统模型预测控制方法，本发明所提的参数免疫预测控制方法在提升定子磁链跟踪精度、抑制转矩/磁链脉动和降低定子电流畸变量等方面具有明显优势。
此外，本实施例还提供一种模块化多绕组永磁电机系统参数免疫预测控制系统，包括：
未知转矩扰动观测器，用于根据任意k时刻的转速ωe(k)及q轴电流iqj(k)，计算负载转矩扰动观测值及转速响应观测值
参数免疫转矩预测控制器，用于根据得到的负载转矩扰动观测值及转速响应观测值进行参数免疫转矩预测控制计算k+2时刻的d轴定子磁链指令值和q轴定子磁链指令值
参数免疫定子磁链预测控制器，用于根据得到的d轴定子磁链指令值和q轴定子磁链指令值进行参数免疫定子磁链预测控制计算k+1时刻的d轴指令电压和q轴指令电压作为驱动模块化多绕组永磁电机工作的控制信号。
此外，本实施例还提供一种模块化多绕组永磁电机系统参数免疫预测控制系统，包括相互连接的微处理器和存储器，该微处理器被编程或配置以执行前述模块化多绕组永磁电机系统参数免疫预测控制方法的步骤。
此外，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有被编程或配置以执行前述模块化多绕组永磁电机系统参数免疫预测控制方法的计算机程序。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可读存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
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