阅读说明：本技术 一种鲁棒性的永磁同步电机单电流传感器预测控制方法 (Robust permanent magnet synchronous motor single current sensor prediction control method ) 是由 张硕 赵明威 张承宁 李雪萍 董岳林 于 2020-10-09 设计创作，主要内容包括：一种鲁棒性的永磁同步电机单电流传感器预测控制方法,该方法中α轴扩张状态量可以实时跟随由参数扰动引起的电压扰动而变化,结合推导出的α轴扩张状态量和β轴扩张状态量的关系,使得在电机模型参数不准确时β轴扩张状态量能够同步跟随β轴电压扰动,实现了参数的鲁棒性,有效克服电机模型参数不准确对电流重构准确性的制约。扩张状态观测器的算法执行过程中除了转子电角速度、转子位置、定子电压以及电机a相电流几个参数以外,不再需要其他额外的参数即可实现对电机三相电流完整信息的重构,显著降低了扩张观测器参数的获取难度和重构过程的运算量。(A single current sensor prediction control method of a permanent magnet synchronous motor with robustness is disclosed, wherein alpha axis expansion state quantity can change along with voltage disturbance caused by parameter disturbance in real time, and the beta axis expansion state quantity can synchronously follow beta axis voltage disturbance when motor model parameters are inaccurate by combining the deduced relation between the alpha axis expansion state quantity and the beta axis expansion state quantity, so that the robustness of the parameters is realized, and the restriction of the inaccurate motor model parameters on the accuracy of current reconstruction is effectively overcome. Besides the parameters of the rotor electrical angular velocity, the rotor position, the stator voltage and the motor phase a current, the reconstruction of the complete information of the motor three-phase current can be realized without other additional parameters in the algorithm execution process of the extended state observer, and the difficulty in obtaining the parameters of the extended state observer and the calculation amount in the reconstruction process are obviously reduced.)

一种鲁棒性的永磁同步电机单电流传感器预测控制方法

技术领域

本发明涉及永磁同步电机控制技术领域，尤其涉及一种提升鲁棒性的单个相电流传感器预测控制技术。

背景技术

目前，一些对永磁同步电机进行控制的现有技术中，利用了单电流传感器的方式实现，这种技术手段相对于无位置传感器的永磁同步电机控制，不仅能实现减少物理传感器数量的目的，在电机低速条件下也能够实现很好的电机速度控制效果。

现有的单电流传感器控制实现方式大多采用单直流母线电流传感器，根据母线电流和相电流之间的关系来重构电机的三相电流，但是这种方法首先是会引入无法消除的噪声误差，其次存在有电流重构盲区，而且对电流重构盲区进行补偿的方法都比较复杂。近期出现的少数现有技术中开始考虑基于单个相电流传感器进行相电流重构，但由于采用单个相电流传感器的电流重构方法大都是基于电机模型法，因而存在重构效果对电机模型参数准确性的依赖度极高的缺点。

发明内容

有鉴于此，

为解决现有永磁同步电机单个相电流传感器预测控制中，相电流重构过于依赖电机模型参数准确性的问题，本发明提供了一种鲁棒性的永磁同步电机单电流传感器预测控制方法，该方法具体包括以下步骤：

步骤一、在线实时采集永磁同步电机的a相电流、转速、转子位置角；

步骤二、在α-β坐标系下，以步骤一中采集到的a相电流、转速、转子位置角作为输入量，并推导出α轴、β轴电压扰动量的关系：

f_α＝-ΔR_s×i_α+ω_e×Δψ_f×sinθ

式中，f_α,f_β为电机模型参数不准确引起的电压扰动量；i_α为测量得到的α轴定子电流；Δψ_f为电机磁链估计误差；ΔR_s为定子电阻估计误差；ω_e为转子的电角速度；θ为转子位置角；

建立基于扩张状态观测器算法的相电流重构方程，实时更新计算α-β坐标系下的α轴、β轴电流并输出，实现abc三相电流的重构，再将所述α轴、β轴电流经过Park变换得到d-q坐标系下的d、q轴电流；

步骤三、建立无差拍电流预测控制模型，利用所述步骤一中采集的电机转速、转子位置角以及所述步骤二中得到的电流参数实时计算出下一时刻的参考电压；利用计算得到的参考电压进行SVPWM控制。

进一步地，所述步骤二中基于扩张状态观测器算法的相电流重构方程，具体采用以下公式：

其中，分别为α轴、β轴电流的观测值；u_α,u_β为α-β坐标系下定子电压；ψ_{r_change}为估计的转子磁链；R_{s_change}为估计的定子电阻；L_s为定子电感；ε为α轴观测电流与测量电流的i_α差值，为f_α的导数，α1，α2，δ为fal函数的可调节参数，用于实现所需的非光滑反馈，β₀₁、β₀₂均为可调节的参数，根据不同的电机参数选取控制效果最优值；t为时间；

通过上述公式可得到α-β坐标系下电流观测值取电流观测值作为扩张状态观测器的输出电流值；

扩张状态观测器方程中的fal函数为：

其中，α、δ为可调节参数，根据控制需求进行调节，当α＜1时，fal函数具有：小误差，大增益；大误差，小增益的特性。

由于，三相坐标系电流到α-β坐标系电流的变换为：

由于i_a+i_b+i_c＝0，用-(i_a+i_b)代替i_c，则上式可表示为：

可以看出：α-β静止坐标系下α轴电流i_α＝i_a,则α-β坐标系下α轴电流i_α即为采集到的a相电流，只需在α-β坐标系下估计出β轴电流i_β，即可得到完整的三相电流信息。因此，利用上述扩张观测器得到i_β电流。即完成了abc三相电流的重构。

进一步地，所述步骤三中利用无差拍电流预测控制模型得到下一时刻的参考电压，具体包括：

式中，u_d(k)、u_q(k)为当前时刻定子电压；u_d(k+1)、u_q(k+1)为下一时刻参考电压；T_s为控制周期；i_qref为q轴参考电流；ψ_r为电机转子磁链。

上述本发明所提供的方法，其α轴扩张状态量可以实时跟随由参数扰动引起的电压扰动而变化，结合所推导出的α轴扩张状态量和β轴扩张状态量的关系，使得在电机模型参数不准确时β轴扩张状态量能够同步跟随β轴电压扰动，实现了参数鲁棒性，有效克服电机模型参数不准确对电流重构准确性的制约。扩张状态观测器的算法执行过程中除了转子电角速度、转子位置、定子电压以及电机a相电流几个参数以外，不再需要其他额外的参数即可实现对电机三相电流完整信息的重构，显著降低了扩张观测器参数的获取难度和重构过程的运算量。

附图说明

图1为本发明所提供方法的永磁同步电机控制模型框图；

图2为基于本发明的一个优选实例中实现预测控制的永磁同步电机运行曲线。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明所提供的一种鲁棒性的永磁同步电机单电流传感器预测控制方法，如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤一、在线实时采集永磁同步电机的a相电流、转速、转子位置角；

步骤二、在α-β坐标系下，以步骤一中采集到的a相电流、转速、转子位置角作为输入量，并推导出α轴、β轴电压扰动量的关系：

f_α＝-ΔR_s×i_α+ω_e×Δψ_f×sinθ

式中，f_α,f_β为电机模型参数不准确引起的电压扰动量；i_α为测量得到的α轴定子电流；Δψ_f为电机磁链估计误差；ΔR_s为定子电阻估计误差；ω_e为转子的电角速度；θ为转子位置角；

建立基于扩张状态观测器算法的相电流重构方程，实时更新计算α-β坐标系下的α轴、β轴电流并输出，实现abc三相电流的重构，再将所述α轴、β轴电流经过Park变换得到d-q坐标系下的d、q轴电流；

步骤三、建立无差拍电流预测控制模型，利用所述步骤一中采集的电机转速、转子位置角以及所述步骤二中得到的电流参数实时计算出下一时刻的参考电压；利用计算得到的参考电压进行SVPWM控制。

步骤一中在线实时采集永磁同步电机的a相电流，由于，abc三相坐标系电流到α-β坐标系电流的变换为：

由于i_a+i_b+i_c＝0，用-(i_a+i_b)代替i_c，则上式可表示为：

可以看出：α-β静止坐标系下的α轴电流i_α＝i_a,则α-β坐标系下α轴电流i_α即为采集到的a相电流，只需在α-β坐标系下估计出β轴电流i_β，即可得到完整的三相电流信息。因此，利用上述扩张观测器得到i_β电流。即完成了abc三相电流的重构。

步骤二中首先建立永磁同步电机在α-β坐标系下的电压方程：

式中，u_α,u_β为α-β坐标系下定子电压；i_α,i_β为α-β坐标系下定子电流；ψ_r为实际转子磁链；R_s为实际定子电阻；L_s为定子电感；ω_e为转子的电角速度；θ为转子位置角。

根据上式的电压方程可以得到在估计的电机参数不准确时，永磁同步电机模型在α-β坐标系下的电压方程：

式中，分别为电机模型中α,β轴的定子电流；ψ_{f_change}为估计的电机转子磁链；R_{s_change}为估计的定子电阻；f_α,f_β分别为电机模型参数不准确引起的α，β轴电压的未知扰动量；其余参数同上式。

两式相减可得：

若想要实现电机模型的观测电流分别等于实际电流i_α,i_β，则需满足：

(R_{s_change}-R_s)×i_α-ω_e×(ψ_{f_change}-ψ_f)×sinθ+f_α＝0

(R_{s_change}-R_s)×i_β+ω_e×(ψ_{f_change}-ψ_f)×cosθ+f_β＝0

f_α＝-ΔR_s×i_α+ω_e×Δψ_f×sinθ

f_β＝-ΔR_s×i_β-ω_e×Δψ_f×cosθ

其中：ΔR_s＝(R_{s_change}-R_s)，表示电机模型电阻估计误差，Δψ_f＝(ψ_{f_change}-ψ_f)表示电机模型磁链估计误差。

由α-β坐标系到d-q坐标系的变换公式：i_d＝i_α×cosθ+i_β×sinθ以及参考电流则可以近似得到：

将其代入到电流观测值与实际电流的关系中可得到：

f_α＝-ΔR_s×i_α+ω_e×Δψ_f×sinθ

由上式可知：在α-β坐标系下，由电机模型参数不准确引起的电压

扰动量值满足：

由此，结合扩张状态观测器理论，将f_α,f_β作为扩张的状态变量，可得到基于扩张状态观测器算法的相电流重构方程：

其中，i_α为测量得到的α轴定子电流；分别为α轴、β轴电流的观测值；u_α,u_β为α-β坐标系下定子电压；f_α,f_β分别为α轴、β轴电压的未知扰动量；ψ_{r_change}为估计的转子磁链；R_{s_change}为估计的定子电阻；L_s为定子电感；ω_e为转子的电角速度；θ为转子位置角；ε为α轴观测电流与测量电流的i_α差值；为f_α的导数；α1，α2，δ为fal函数的可调节参数，用于实现所需的非光滑反馈；β₀₁、β₀₂均为可调节的参数，根据不同的电机参数选取控制效果最优值；

通过上述公式可得到α-β坐标系下电流观测值取电流观测值为扩张状态观测器的输出电流值；

优选地，为了防止趋于无限大，引起瞬时电流脉冲，应该对其进行限幅，在本发明的一个实例中采用：

扩张状态观测器方程中的fal函数为：

当α＜1时，fal函数具有：小误差，大增益；大误差，小增益的特性。

所述步骤三中利用无差拍电流预测控制模型得到下一时刻的参考电压，具体包括：

式中，u_d(k)、u_q(k)为当前时刻定子电压；u_d(k+1)、u_q(k+1)为下一时刻参考电压；T_s为控制周期；i_qref为q轴参考电流；ψ_r为电机转子磁链。

优选地，当计算得到的参考电压超出SVPWM的最大输出电压限制时，需要对输出参考电压进行调整，得到SVPWM输出范围内的参考电压：

式中，为d-q坐标系下修正后的SVPWM输出电压范围内的参考电压；U_dc为直流母线电压。

图2示出了基于本发明的一个优选实例中，在ψ_{r_change}＝1.5*ψ_r时，采用单电流传感器利用扩张状态观测器重构出的电流信息进行预测控制的电机转速、转矩、重构出的三相电流曲线图。从图2可以看出，在估计磁链为1.5倍实际磁链情况下，扩张状态观测器重构出的三相电流只有很小的电流波动，电流波形非常接近完美的正弦波；由电机的转速变化情况可以看出，利用扩张状态观测器重构出的三相电流进行电机的预测控制，转速能及时准确地跟随控制要求；由电机的转矩变化情况可以看出，利用扩张状态观测器重构出的三相电流进行电机的预测控制，电机仅有很小的转矩脉动(小于最大转矩的10％)。仿真结果表明，所提出的具有鲁棒性的单电流传感器预测控制方法，在电机模型参数不准确时，可以很好地重构出三相电流信息，且重构出的三相电流完全可以代替实际的三相电流作为闭环反馈量对电机进行控制。

应理解，本发明实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。