[发明专利]永磁同步电机周期性扰动双环预测抑制方法

说明书

本发明公开了一种永磁同步电机周期性扰动双环预测抑制方法，包括：设计电流环主预测控制器并嵌入抑制非周期性扰动的电流环扰动观测器，构造成本函数并通过最小化求解获得最优的定子给定控制电压；设计电流环额外嵌入的扰动抑制环路及扰动控制器；设计速度环主预测控制器并嵌入抑制非周期性扰动的速度环扰动观测器，构造另一成本函数并解得最优参考q轴电流；设计速度环上额外嵌入的扰动抑制环路及扰动控制器；利用电流环和速度环的闭环传递函数，根据期望的带宽和观测器极点确定预测控制器及观测器的参数；权衡扰动抑制能力与噪声灵敏度，并综合考虑对特定次谐波的高抑制能力和对其他频率处信号的低影响力，确定扰动控制器参数。

技术领域

本发明涉及永磁同步电机控制领域，尤其涉及一种具备给定跟踪和扰动抑制解耦特性的永磁同步电机扰动抑制的预测控制方法。

背景技术

永磁同步电机具有气隙磁密高、效率高、结构紧凑和调速范围宽等特点，因而被广泛地应用于工业速度控制领域^[1]。磁场定向控制是在永磁同步电机控制中应用十分成熟的一种控制策略，其内外环一般均采用传统的比例积分控制器^[2]。近年来，模型预测控制成为另一种备受关注的控制策略^[3]。在处理非线性系统、多控制对象等情况下，模型预测控制策略优势显著。该策略采用动态模型预测状态的未来行为，通过对特定成本函数最小化来获得最优控制命令。在永磁同步电机的控制中通常采用级联型模型预测控制算法，为单输入单输出的电流控制内环和速度控制外环分别设计模型预测控制器并获得相应的控制信号^[4]。

然而，模型预测控制是基于系统动态模型实现的，其控制性能受到参数不确定性和扰动的影响，特别是永磁同步电机控制中存在的周期性扰动^[5]。电流采样误差、磁链谐波和逆变器死区时间等将引入主要包含1，2和6次谐波的周期性扰动。如果没有采取适当的措施抑制谐波干扰，这些低频谐波会导致转速振荡，使永磁同步电机的稳态性能恶化。

为了提高模型预测控制的扰动抑制能力，国内外学者在该领域内进行了大量的研究，提出了不同的解决方案。一种典型的方法是采用基于观测器的前馈补偿。通过设计标准Luenberger观测器或扩张状态观测器，将扰动估计值以前馈形式传递到预测模型。但是，观测器带宽有限，只能跟踪恒定扰动或低频扰动^[6]。另一种典型策略是基于内模原理实现的，为了抑制周期性扰动，控制器分母多项式应当包含对应于周期性扰动的衍生多项式。通过在预测模型中添加周期模式或采用具有预测功能的重复控制器，可以将内模原理与模型预测控制相结合，但抑制如永磁同步电机中的多个频率的扰动时，模型较为复杂，限制了其在实际中的应用^[7]。另外，该方法属于单自由度策略，无法实现给定跟踪和周期性扰动抑制的解耦，将导致给定跟踪时不能达到期望的瞬态响应。

此外，还可以采用传统的并联结构实现扰动抑制，这种控制结构将对应不同次谐波频率的几个谐振控制器与主控制器并联。然而，该方法也无法实现给定跟踪和周期性扰动抑制的解耦，在给定信号发生阶跃变化时，系统响应会产生显著的瞬态振荡^[8]。因此，传统的周期性扰动抑制策略无法保证给定跟踪性能。

参考文献

[1]Zhao N,Wang G,Xu D,et al.Inverter Power Control Based on DC-LinkVoltage Regulation for IPMSM Drives Without Electrolytic Capacitors[J].IEEETransactions on Power Electronics,2018,33(1):558-571.

[2]Yan Y,Wang S,Xia C,et al.Hybrid control set-model predictivecontrol for field-oriented control offVSI-PMSM[J].IEEE Transactions on EnergyConversion,2016,31(4):1622-1633.