[发明专利]连续控制集永磁同步直线电机模型预测控制方法

说明书

本发明涉及一种连续控制集永磁同步直线电机模型预测控制方法，包括利用永磁同步直线电机的数学模型得到旋转坐标系下的定子电流状态方程；根据定子电流状态方程确定成本函数，并将其转换为二次优化方程；计算二次优化方程的最优解，确定最优解所在的扇区；确定扇区合成最优电压矢量的三个电压矢量，计算三个电压矢量分别的作用时间，对三个电压矢量的时间进行PWM调制，同时定义电机的参考转速与反馈转速之间的误差为状态变量，根据状态变量确定非奇异终端滑模面，对滑模面进行微分得到滑模控制器的输出表达式。本发明减少多步预测的在线计算量，且在不考虑对开关状态的相关约束后得到一个非布尔量的最优开关状态，显著提高了控制性能。

技术领域

本发明涉及永磁同步直线电机控制技术领域，尤其是指一种连续控制集永磁同步直线电机模型预测控制方法。

背景技术

永磁同步直线电机，由于取消了机械传动环节，具有高速、高精和零传动特性，因此其机械损耗小，推力密度大，动态响应快而受到广泛关注，已被大量应用于电梯、半导体制造设备和计算机数控机床等精密应用领域。

目前应用较广泛的主要是矢量控制，直接转矩控制以及有限控制集模型预测控制等。相对于直接转矩控制，模型预测控制在矢量选择上更加准确有效，它通过对电机状态进行预测来选取当前时刻的最优电压矢量，从而能够获得更好的稳态性能。上述模型预测控制具有动态响应快、电流控制性能好、易于考虑系统非线性约束以及控制灵活等特点。传统的电流预测控制通过一步电流预测就可以得到较好的控制效果，但是一步电流预测控制方法忽略了算法计算和系统采样耗时，如果采样时间小，计算耗时长，从检测到应用开关状态之间就会出现延时问题，系统就会一直应用前一个时刻的开关状态，电流预测出现偏差从而导致控制精度不准，在系统进入稳态过程中转速波动较大且进入稳态后电流谐波较大。还有，使用传统遍历方法的多步预测控制虽然可以带来更好的控制效果，但随之而来的是呈指数增长的计算量，不利于系统的在线执行。其中，有限控制集模型预测控制在一个周期内只选择一个开关状态直接送入逆变器，其避免了PWM调制，控制简单，但是该算法会带来较大的电流脉动和转矩脉动，控制精度较差。而且传统的滑模控制算法一般采用线性滑模面，状态误差收敛时间长，且会带来严重的抖振问题。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术存在的问题，提出一种连续控制集永磁同步直线电机模型预测控制方法，对实现永磁同步直线电机高性能控制具有重要意义。

为解决上述技术问题，本发明提供一种连续控制集永磁同步直线电机模型预测控制方法，包括以下步骤：

利用永磁同步直线电机的数学模型得到旋转坐标系下的定子电流状态方程；

根据所述定子电流状态方程确定成本函数，并将所述成本函数转换为二次优化方程；

计算所述二次优化方程的最优解，得到理想状态下的逆变器连续开关状态，并确定所述最优解所在的扇区；

确定所述扇区合成最优电压矢量的三个电压矢量，计算所述三个电压矢量分别的作用时间，对三个电压矢量的时间进行PWM波形调制，并将调制过后的PWM波形输入到所述逆变器中，同时定义电机的参考转速与反馈转速之间的误差为状态变量，根据所述状态变量确定非奇异终端滑模面，对所述滑模面进行微分得到滑模控制器的输出表达式。

在本发明的一个实施例中，利用永磁同步直线电机的数学模型得到旋转坐标系下的定子电流状态方程包括：

所述定子电流状态方程如下：