[发明专利]适用于永磁同步电机的鲁棒非线性预测转矩控制方法

说明书

本发明涉及永磁同步电机控制领域，提出一种适用于永磁同步电机的鲁棒非线性预测转矩控制方法，有效提升算法的鲁棒性及系统对转矩和磁链的控制精度。为此，本发明采用的技术方案是，适用于永磁同步电机的鲁棒非线性预测转矩控制方法，步骤如下：步骤一、构建永磁同步电机非线性系统状态方程；步骤二、求取非线性预测转矩控制的最优控制率；步骤三、构建非线性扰动观测器；步骤四、构建鲁棒负载扰动观测器；步骤五、鲁棒非线性预测转矩控制算法的实现。本发明主要应用于同步电机控制场合。

技术领域

本发明涉及永磁同步电机控制领域，特别涉及在预测转矩控制的情况下，兼顾电机的运行性能的电机控制领域。具体讲，涉及适用于永磁同步电机的鲁棒非线性预测转矩控制方法。

背景技术

永磁同步电机具有宽调速范围、高转矩输出能力、高可控性等优点，被广泛应用于机器人、机车牵引、航天航空等诸多工业领域。近些年，随着电力电子技术和微处理器的飞速发展，模型预测控制算法逐渐被应用于电力电子控制和电机控制等领域。

目前，针对电压源逆变器馈电的永磁同步电机驱动系统，其常用的模型预测控制策略为有限控制集模型预测转矩控制，其原理是以逆变器的8种开关状态所对应的基本电压矢量作为备选矢量，基于系统模型预测出每种开关状态作用下系统的未来响应，通过价值函数对每种开关状态所产生的未来响应进行评估，进而选出最优的开关状态。传统有限控制集模型预测转矩控制算法依赖于电机模型，而电机系统运行过程中存在未建模扰动及参数变化，这些问题均有可能导致传统有限控制集模型预测转矩控制对系统的控制效果降低，甚至出现系统不稳定等现象；此外，有限控制集中只含有8个备选矢量，使得磁链和转矩的控制精度受到限制。

为此，众多学者提出改进模型预测转矩控制算法，以提高算法对永磁同步电机的控制性能。主要有鲁棒模型预测转矩控制和扩展控制集模型预测转矩控制。其中，为提高模型预测转矩控制的鲁棒性而提出的改进算法，由于考虑鲁棒性则通常会牺牲对系统转矩和磁链的控制精度；而在为降低转矩和磁链波动而提出的扩展控制集模型预测转矩控制算法中，主要有占空比模型预测控制和连续控制集模型预测控制，前者的思路是在传统有限控制集模型预测转矩控制的基础上对所选的最优矢量增加占空比调制，并最终结合PWM调制技术以实现算法。而在求取占空比的计算过程中常常需要电机参数，因而会降低算法的鲁棒性。与占空比模型预测控制不同，连续控制集模型预测控制直接结合SVPWM调制技术，生成电压复平面内任意幅值和相角的电压矢量作为备选矢量，再根据价值函数筛选最优矢量以实现转矩和磁链的精确控制。然而，由于连续控制集模型预测算法控制集内的备选矢量有无穷多个，因此难以直接根据价值函数最小原则实现对最优矢量的在线筛选。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种适用于永磁同步电机的鲁棒非线性预测转矩控制方法，有效提升算法的鲁棒性及系统对转矩和磁链的控制精度。为此，本发明采用的技术方案是，适用于永磁同步电机的鲁棒非线性预测转矩控制方法，步骤如下：

步骤一、构建永磁同步电机非线性系统状态方程：

永磁同步电机的数学模型表示为

式(1)中，u_d与u_q分别为定子电压的d、q轴分量；R为定子电阻；i_d与i_q分别为定子电流的d、q轴分量；L_d与L_q分别为PMSM的d、q轴电感；ω_r表示转子电角速度；ψ_f表示永磁体磁链；T_e为电磁转矩；p为极对数；J为转动惯量；δ_d与δ_q表示电机电气参数变化引起的建模误差及其他不确定性；δ_n表示电机机械参数变化引起的建模误差、负载扰动及其他不确定性；

永磁同步电机的转矩和磁链表达式分别为