[发明专利]一种适用于永磁电机系统的增量式直接预测速度控制方法

说明书

本发明公开了一种适用于永磁电机系统的增量式直接预测速度控制方法，主要包括增量式速度预测模型、两阶段穷举寻优、边界矢量合成方法这三部分；增量式速度预测模型：采用增量式建模方法，建立的增量式速度预测模型，可满足速度预测精度的同时，大幅降低多步预测计算量；两阶段穷举寻优：从扩张控制集中确定系统输出矢量需要两步完成，为此而设计出一种与扩张控制集对应的穷举寻优法；边界矢量合成方法：可在无需复杂三角函数运算，仅利用基本电压矢量的基础上，确定控制集内所有虚拟矢量的幅值与相角。本发明既能保持现有技术优良的转速动态控制性能，又能够大幅降低了实现多步速度预测的在线计算量，有效保证预测速度控制的稳定性。

技术领域

本发明属于永磁同步电机控制技术领域，涉及一种基于增量式直接预测速度控制方法的非级联速度控制方案，更具体地说，是涉及一种适用于永磁电机系统的增量式直接预测速度控制方法。

背景技术

永磁电机具有结构简单、比功率高、调速范围宽等优点，在精密数控机床、高速机车牵引和人工智能等领域得到了广泛应用。永磁电机速度控制算法通常采用以电流环为内环、以速度环为外环的级联控制结构，该种控制结构要求内环控制带宽远大于外环，以满足系统稳定性要求，但限制了电机转速的动态响应速度。有限集预测控制因具备动态性能优良、可实现多变量在线寻优、无需调制等显著优点，是构建永磁电机无级联直接速度控制结构的合适方案。

近年来，关于永磁电机直接预测速度控制(Direct Predictive Speed Control，DPSC)的研究备受关注。DPSC的完整实现方案最早于2012年提出，并成功用于永磁直驱系统。然而，考虑到速度预测模型维度高、运算复杂，该方法并没有讨论多步预测的实现问题，从而无法保证输出矢量为所设计优化问题的最优解。为降低算法的在线计算量，有学者通过将预测控制对应优化问题转化为多参数优化问题，可离线确定出不同凸分区下的输出矢量，但因凸分区数目过多，降低了算法的实用性。为此，有学者通过在电流参考值中引入数字PI控制器的形式，来保证短预测时域下算法的稳定性。然而，PI控制器的引入势必会降低DPSC的转速响应速度。近年来，随着研究的不断深入，无需PI控制器辅助，直接将转速误差项纳入DPSC价值函数，以取代多步预测，成为改进DPSC的可行途径之一，但仍缺乏有力的稳定性证明与价值函数权重整定方法。同时，为改善稳态速度控制精度，需要扩充DPSC控制集中的备选电压矢量数目，增加控制自由度。但是，由于经典速度预测模型过于繁杂，尚缺乏成熟的方法来实现基于扩张控制集的预测速度控制策略。此外，由于PI控制器和积分效应的缺失，DPSC的抗参数扰动能力较差。为此，有必要在其中增加相应的补偿环节，如扰动观测器、比例-谐振控制器、滑模结构等来增强算法的参数鲁棒性

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提出一种适用于永磁电机系统的增量式直接预测速度控制方法，该方法既能保持现有技术优良的转速动态控制性能，又能够大幅降低了实现多步速度预测的在线计算量，有效保证预测速度控制的稳定性。同时，通过增加备选控制矢量数目，该方法增加了电机的控制自由度，使得电机具备了平稳的速度性能。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明适用于永磁电机系统的增量式直接预测速度控制方法，包括增量式速度预测模型、两阶段穷举寻优、边界矢量合成方法这三部分；具体设计过程如下：

1)将电压复平面以基本电压矢量V₁,V₂,…,V₆为边界，划分为6个大扇区I、II、…、VI，同时，在各扇区内依照相同相角间隔虚拟出N_v个虚拟电压矢量，将6个基本电压矢量和6N_v个虚拟电压矢量组成的矢量全部纳入控制集，形成扩张控制集；