[发明专利]带有扰动观测器的永磁同步电机非线性预测控制器设计

权利要求书

1.带有扰动观测器的永磁同步电机非线性预测控制器的设计，其特征包括以下两个步骤：

步骤一：在dq坐标系下考虑所有模型误差和外部扰动，构建PMSM的非线性数学模型；

步骤二：在此模型基础上，分别进行外环速度环和内环电流环的预测控制器设计，根据广义预测控制理论，选取代价函数，在滚动时域中通过使其最小化寻找最优控制率，从而使系统在预测时间内的输出能够跟踪给定的参考轨迹，以达到预测控制的目的；同时考虑在存在控制装置限制时进行扰动观测器的设计，使系统在模型参数误差和负载变化时能够保持较强鲁棒性。

2.根据权利要求1所述的带有扰动观测器的永磁同步电机非线性预测控制器的设计，其特征在于，步骤一所述在dq坐标系下考虑所有模型误差和外部扰动，构建PMSM的非线性数学模型的过程为：

（1）

式中，、和表示模型误差和外部负载扰动。

3.根据权利要求1所述的带有扰动观测器的永磁同步电机非线性预测控制器的设计，其特征在于，步骤二所述在构建的PMSM非线性扰动模型基础上，分别进行外环速度环和内环电流环的预测控制器设计，同时考虑在存在控制装置限制时进行扰动观测器的设计，使系统在模型参数误差和负载变化时能够保持较强鲁棒性，其过程为：

（1）外环速度环控制器的设计

永磁同步电机速度环的状态空间模型为：

（2）

其中，；；；；；；；

非线性模型预测控制的目的是为了找到合适的交轴电流分量，使得所选取的代价函数 最小；

应用泰勒级数展开表示输出的预测和输出参考值的预测，并使得：成立，得到使代价函数最小的交轴电流分量最小值为：

（3）

其中，

（4）

扰动信号通常作为未知变量，必须被估计出来并在控制器中被取代以确保扰动抑制和参考信号连续的准确性，因此，控制率（3）可改写为：

（5）

其中， 表示估计的扰动；

（2）当存在交轴电流分量限制时的扰动观测器的设计

为了限制交轴电流分量，在控制环外环中引入了饱和模块，扰动观测器可以如下估计：

（6）

其中，，，且是观测器调节的参数；

考虑到（2），得到：

（7）

将和展开，并和（5）共同代入到（6）中，得：

（8）

其中，；

现在，如果我们将（8）代入到控制器（5）中，确保速度调节的交轴电流参考值写成下面的关系：

（9）

其中，

（10）

（11）

（3）内环电流环控制器的设计

内环电流环设计的目标是为了当电机参数发生变化时设计一个鲁棒预测型调节器；非线性形式的动态方程为：

（12）

其中，；；；；；；；

广义预测控制的目标是找到使下述代价函数最小的控制器变量：

（13）

输出和将来的参考值通过泰勒级数展开进行预测，最终代价函数对控制率的微分可以写为：

（14）

最优控制率使得代价函数最小，即满足，得到：

（15）

其中；；；；

在实际系统中，扰动被观测并进行补偿，因此式（15）可以改写为：

（16）

（4）当存在控制装置限制时的扰动观测器的设计

和在外环进行扰动观测器设计一样，允许扰动估计的初始观测器的形式为：

（17）

其中，，，且是一个常系数矩阵；

在进行观测器设计时对调节器输出和饱和模块输出间的误差可以进行积分：

（18）

因此：

（19）

最终，我们得到存在限制装置模块的扰动观测器为：

（20）

其中， （21）

和前面一样，控制器里观测器用（16）定义的来代替，得到

（22）

其中，

（23）

（24）。