[发明专利]凸极式永磁同步电机精确转矩输出的自适应容错控制方法

权利要求书

1.一种凸极式永磁同步电机精确转矩输出的自适应容错控制方法，设置凸极式永磁同步电机的控制系统中各模块包括：电流指令表、电流调节器、无模型自适应控制器、自适应容错转矩调节器、电流传感器、位置传感器；所述电流调节器包括直轴电流PI调节器和交轴电流PI调节器；所述自适应容错转矩调节器包括转矩PI调节器和故障判断模块；其特征在于：所述凸极式永磁同步电机精确转矩输出的自适应容错控制方法按以下步骤进行；

步骤一、设置控制系统运行的采样周期为T_s，假设当前采样时刻为第k个采样周期，k>0，且k为整数；

步骤二、按如下方式获得第k个采样周期的实际定子直轴电流i_d(k)，第k个采样周期的实际定子交轴电流i_q(k)，第k个采样周期的实际转子电角度θ(k)和第k个采样周期的实际转子电角速度ω_e(k)；

(1)、利用由电流传感器检测获得的第k个采样周期定子a相电流i_a(k)和第k个采样周期定子b相电流i_b(k)，以及由位置传感器检测获得的第k个采样周期实际转子电角度θ(k)，按式(1)进行坐标变换获得基于转子磁场定向的同步旋转坐标系下凸极式永磁同步电机第k个采样周期的实际定子直轴电流i_d(k)和第k个采样周期的实际定子交轴电流i_q(k)：

$\left[\begin{array}{c}{i}_d\left(k\right)\\ i_q\left(k\right)\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}\cos \left(\mathrm{\θ}\right(k\left)\right)& \cos \left(\mathrm{\θ}\right(k)-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& \cos \left(\mathrm{\θ}\right(k)+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ -\sin \left(\mathrm{\θ}\right(k\left)\right)& -\sin \left(\mathrm{\θ}\right(k)-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& -\sin \left(\mathrm{\θ}\right(k)+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\left(k\right)\\ i_b\left(k\right)\\ -\left(i_a\right(k)+i_b(k\left)\right)\end{array}\right]---\left(1\right);$

(2)、利用所述第k个采样周期实际转子电角度θ(k)计算获得第k个采样周期的实际转子电角速度ω_e(k)；

步骤三、按如下方式获得第k个采样周期定子直轴电流指令和第k个采样周期的定子交轴电流指令

(1)、利用式(2)计算获得第k个采样周期的转矩扰动估计量

$\mathrm{\Δ}{\hat{T}}_e\left(k\right)=\frac{3P}{2}\frac{\mathrm{\Δ}{\hat{v}}_d(k-1)i_d\left(k\right)+\mathrm{\Δ}{\hat{v}}_q(k-1)i_q\left(k\right)}{{\mathrm{\ω}}_e\left(k\right)+\mathrm{\ϵ}}---\left(2\right),$

式(2)中，P为凸极式永磁同步电机极对数，ε为设定值，为了保证算法在转子电角速度等于0的情况下不失效，设置ε为0.00001；

为无模型自适应控制器输出的第k-1个采样周期的直轴参考电压扰动量；

为第k-1个采样周期的交轴参考电压扰动量；

若k-1＝0时，则有：

利用式(3)计算获得第k个采样周期的转矩估计

${\hat{T}}_e\left(k\right)=\frac{3P}{2}\[{\mathrm{\ψ}}_{mo}{i}_q\left(k\right)+(L_{do}-L_{qo})i_d\left(k\right)i_q\left(k\right)\]+\mathrm{\Δ}{\hat{T}}_e\left(k\right)---\left(3\right),$

式(3)中，L_do为凸极式永磁同步电机直轴标称电感、L_qo为凸极式永磁同步电机交轴标称电感，ψ_mo为凸极式永磁同步电机永磁体标称基波磁链；

(2)、按如下方式获得第k个采样周期的转矩指令修正量

a、在故障判断模块中将所述第k个采样周期的转矩扰动估计量的绝对值与第k个采样周期的转矩误差阈值γ|T_e^*(k)|进行比较；

若：则生成第k个采样周期的逻辑判断结果为0；

若：则生成第k个采样周期的逻辑判断结果为1；

取γ＝5％；

b、利用所述第k个采样周期的逻辑判断结果与第k-1、…、k-9个采样周期的逻辑判断结果作与运算，当全部10个采样周期的逻辑判断结果均为1时，故障判断模块输出第k个采样周期的故障判断结果为1，表示故障；其他情况下故障判断模块输出第k个采样周期的故障判断结果为0，表示正常；设定第1个采样周期之前的采样周期的逻辑判断结果初值为0；

c、利用所述故障判断模块的输出，由自适应容错转矩调节器按如下方式输出第k个采样周期的转矩指令修正量若第k个采样周期的故障判断结果为1，则有：

${\mathrm{\ΔT}}_e^{*}\left(k\right)=k_{PT}\[T_e^{*}\left(k\right)-{\hat{T}}_e\left(k\right)\]+k_{IT}{T}_s\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}\[T_e^{*}\left(i\right)-{\hat{T}}_e\left(i\right)\]---\left(4\right),$

式(4)中，k_PT为转矩PI调节器的比例系数，k_IT为转矩PI调节器的积分系数；

若第k个采样周期的故障判断结果为0，则：

${\mathrm{\ΔT}}_e^{*}\left(k\right)=0---\left(5\right);$

(3)、将第k个采样周期的给定转矩指令与第k个采样周期的转矩指令修正量相加，得到第k个采样周期的修正转矩指令并利用所述第k个采样周期的修正转矩指令查询电流指令表获得第k个采样周期的定子直轴电流指令和第k个采样周期的定子交轴电流指令

步骤四、利用所述直轴电流PI调节器和交轴电流PI调节器，根据式(6)计算获得第k个采样周期的直轴参考电压u_d(k)以及第k个采样周期的交轴参考电压u_q(k)：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_d\left(k\right)=k_{pd}\[i_d^{*}\left(k\right)-i_d\left(k\right)\]+k_{id}{T}_s\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}\[i_d^{*}\left(i\right)-i_d\left(i\right)\]\\ u_q\left(k\right)=k_{pq}\[i_q^{*}\left(k\right)-i_q\left(k\right)\]+k_{iq}{T}_s\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}\[i_q^{*}\left(i\right)-i_q\left(i\right)\]\end{array}\right.---\left(6\right)$

式(6)中，k_pd为直轴电流PI调节器的比例系数，k_id为直轴电流PI调节器的积分系数；k_pq为交轴电流PI调节器的比例系数，k_iq为交轴电流PI调节器的积分系数；

步骤五、按如下方式获得第k个采样周期的直轴参考电压指令以及第k个采样周期的交轴参考电压指令

(1)、利用式(7)计算获得凸极式永磁同步电机第k个采样周期的直轴反电动势e_do(k)，以及凸极式永磁同步电机第k个采样周期的交轴反电动势e_qo(k)：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_{do}\left(k\right)=-L_{qo}{i}_q\left(k\right){\mathrm{\ω}}_e\left(k\right)\\ e_{qo}\left(k\right)=\left(L_{do}{i}_d\right(k)+{\mathrm{\ψ}}_{mo}){\mathrm{\ω}}_e\left(k\right)\end{array}\right.---\left(7\right);$

(2)、按如下步骤利用无模型自适应控制器获得第k个采样周期的直轴参考电压扰动量和第k个采样周期的交轴参考电压扰动量

a、利用式(8)计算获得第k个采样周期的定子直轴预测电流i_dm(k)以及第k个采样周期的定子交轴预测电流i_qm(k)：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{dm}\left(k\right)=(1-R_o{T}_s/L_{do})i_{dm}(k-1)+(T_s/L_{do})u_d(k-1)\\ i_{qm}\left(k\right)=(1-R_o{T}_s/L_{qo})i_{qm}(k-1)+(T_s/L_{qo})u_q(k-1)\end{array}\right.---\left(8\right),$

式(8)中，R_o为凸极式永磁同步电机定子标称电阻；

i_dm(k-1)表示第k-1个采样周期的定子直轴预测电流；

i_qm(k-1)表示第k-1个采样周期的定子交轴预测电流；

u_d(k-1)表示第k-1个采样周期的直轴参考电压；

u_q(k-1)表示第k-1个采样周期的交轴参考电压；

当k-1＝0时，i_dm(0)＝0、i_qm(0)＝0、u_d(0)＝0、u_q(0)＝0；

b、利用式(9)计算获得第k个采样周期的直轴电流误差值e_id(k)以及第k个采样周期的交轴电流误差值e_iq(k)：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_{id}\left(k\right)=i_d\left(k\right)-i_{dm}\left(k\right)\\ e_{iq}\left(k\right)=i_q\left(k\right)-i_{qm}\left(k\right)\end{array}\right.---\left(9\right)$

c、根据所述第k个采样周期的直轴电流误差值e_id(k)和第k个采样周期的交轴电流误差值e_iq(k)，利用无模型自适应控制器，按如下方式获得第k个采样周期的直轴参考电压扰动量和第k个采样周期的交轴参考电压扰动量

(i)、定义无模型自适应控制器的第k个采样周期期望输入量e^*(k)＝[0 0]^T；定义无模型自适应控制器的第k个采样周期输入量e(k)＝[e_id(k) e_iq(k)]^T、第k个采样周期输出量

(ii)、利用式(10)计算获得无模型自适应控制器的第k个采样周期输入量一阶差分Δe(k)以及第k-1个采样周期输出量一阶差分

$\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}e\left(k\right)=e\left(k\right)-e(k-1)\\ \mathrm{\Δ}\hat{u}(k-1)=\hat{u}(k-1)-\hat{u}(k-2)\end{array}---\left(10\right)$

e(k-1)表示无模型自适应控制器的第k-1个采样周期输入量；

表示无模型自适应控制器的第k-1个采样周期输出量；

表示无模型自适应控制器的第k-2个采样周期输出量；

当k-1＝0时，e(0)＝[0 0]^T、利用式(11)，计算获得第k个采样周期伪Jacobi矩阵的估计值

${\widehat{\mathrm{\Φ}}}_c\left(k\right)={\widehat{\mathrm{\Φ}}}_c(k-1)+\frac{\mathrm{\η}(\mathrm{\Δ}e\left(k\right)-{\widehat{\mathrm{\Φ}}}_c(k-1)\mathrm{\Δ}\hat{u}(k-1))\mathrm{\Δ}{\hat{u}}^T(k-1)}{\mathrm{\μ}+\left|\right|\mathrm{\Δ}\hat{u}(k-1)|{|}^2}---\left(11\right),$

式(11)中，0<η<1、μ>0、表示第k-1个采样周期输出量一阶差分的二范数；

表示第k-1个采样周期伪Jacobi矩阵的估计值；

当k-1＝0时，为设定初值

由式(12)计算获得无模型自适应控制器的第k个采样周期输出量

$\hat{u}\left(k\right)=\hat{u}(k-1)+\frac{\mathrm{\&rho;}{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}_c\left(k\right)(e^{*}(k+1)-e\left(k\right))}{\mathrm{\&lambda;}+\left|\right|{\widehat{\mathrm{\&Phi;}}}_c\left(k\right)|{|}^2}---\left(12\right),$

式(12)中，0<ρ<1、λ>0、e^*(k+1)是无模型自适应控制器的第k+1个采样周期期望输入量，表示第k个采样周期伪Jacobi矩阵的估计值的二范数；

(3)、由式(13)计算获得第k个采样周期的直轴参考电压指令以及第k个采样周期的交轴参考电压指令

$\left\{\begin{array}{c}{v}_d^{*}\left(k\right)=u_d\left(k\right)+\mathrm{\&Delta;}{\hat{v}}_d\left(k\right)+e_{do}\left(k\right)\\ v_q^{*}\left(k\right)=u_q\left(k\right)+\mathrm{\&Delta;}{\hat{v}}_q\left(k\right)+e_{qo}\left(k\right)\end{array}\right.---\left(13\right);$

步骤六、利用所述第k个采样周期的直轴参考电压指令和第k个采样周期的交轴参考电压指令以及所述第k个采样周期的实际转子电角度θ(k)经SVPWM调制算法，获得三相PWM驱动信号，驱动逆变器的开关管，输出三相电压驱动凸极式永磁同步电机运行，使得第k个采样周期凸极式永磁同步电机的输出转矩精确跟踪第k个采样周期的给定转矩指令

步骤七、按采样周期T_s循环依次实施步骤二到步骤六，实现对凸极式永磁同步电机精确转矩输出的自适应容错控制。