[发明专利]一种用于PMSM伺服系统的预测函数控制方法

摘要

本发明公开了一种用于PMSM伺服系统的预测函数控制方法，该方法首先采集PMSM伺服系统的转子位置信号θ和电机电流信号iq，利用Kalman滤波器观测转子负载扰动，得到转子负载转矩和转子转速然后将该转子负载转矩和最优控制量反馈给预测函数控制(PFC)的转速预测单元，得到转子转速的预测值ωm，将转子转速及转子转速的预测值ωm输入至预测函数控制的误差预测单元，得到转子的转速误差值e；最后，将e、ωm和输入至预测函数控制的优化控制单元，得到最优控制量实现PMSM伺服系统在扰动影响下的高精度控制。该方法将Kalman滤波器和预测函数控制有机结合，两者互补，能够优化伺服系统的控制量，提高PMSM伺服系统的控制精度和抗扰动能力。

主权项

一种用于PMSM伺服系统的预测函数控制方法，其特征在于，首先，采集PMSM伺服系统的转子位置信号θ和电机电流信号iq，将转子位置信号θ和电机电流信号iq作为Kalman滤波器的输入信号，根据转子位置信号θ和电机电流信号iq，利用Kalman滤波器观测转子负载扰动，得到转子负载转矩和转子转速然后，设预测函数控制(PFC)包括优化控制单元、误差预测单元和转速预测单元，将该转子负载转矩和优化控制单元输出的最优控制量输入至转速预测单元，得到转子转速的预测值ωm，同时，将转子转速及转子转速的预测值ωm输入至误差预测单元，得到转子的转速误差值e；最后，将转子转速误差值e、转子转速预测值ωm和转子转速输入至预测函数控制(PFC)的优化控制单元，得到最优控制量实现PMSM伺服系统在扰动影响下的高精度控制；其中，所述Kalman滤波器基于以下公式建立：w^k=Fw^k-1+GΓk-1+(xk|k-Ak-1x^k-1|k-1-Dk-1uk-1)---(4)]]>式(4)中，为伺服系统在k时刻的Kalman滤波器对转子负载扰动估计值，上标“∧”代表估计的含义；F为转子负载扰动估计值的系数、G为转子负载扰动系数矩阵的系数；为转子负载扰动系数矩阵在k‑1时刻的左逆矩阵，其表达式为：Γk-1+=(Dk-1TDk-1)-1Dk-1T]]>其中，为伺服系统在k‑1时刻的输入矩阵Dk‑1的转置，其上标“T”为矩阵转置的符号；Dk‑1为在k‑1时刻离散的输入矩阵，其表达式为：Dk-1=TsJ00T]]>其中，Ts为伺服系统采样周期时间，J为电机负载转动惯量；式(4)中，Ak‑1为伺服系统在k‑1时刻离散的矩阵，其表达式为：Ak-1=1-BTsJ0-TsJTs10001]]>其中，B为粘滞摩擦系数；式(4)中，xk|k为第k时刻Kalman滤波器对离散预测值xk的先验预测值，xk为电机状态变量x的第k时刻离散预测值，x的表达式为：x＝[ω θ TL]T，其中，ω为转子速度，θ为转子位置，TL为转子负载转矩；为第k‑1时刻Kalman滤波器对离散估计值的后验估计值，为电机状态变量的第k‑1时刻离散估计值，的表达式为：上标“∧”代表估计的含义；uk‑1为系统在k‑1时刻对电机状态变量u的离散输出量，u的表达式为：u＝[Te]，其中，Te为电机电磁转矩；所述转子转速的预测值ωm，基于以下公式建立：ωm(k+i)=αmiωm(k)+Km(1+...+αmi-1)iq*(k)+Km(1+...+αmi-1)TL(k)/Kt---(9)]]>式中，ωm(k+i)为伺服系统在k+i时刻的转子转速预测值，i＝1,2,…P，P为预测时域的长度，Km为预测函数控制(PFC)的转速预测单元第一系数，其表达式为：Km＝(1‑αm)Kt/B，αm为预测函数控制(PFC)的转速预测单元第二系数，其表达式为：为预测函数控制(PFC)的转速预测单元第二系数的i次幂，Kt为转子负载转矩常数，为伺服系统在k时刻的最优控制量，TL(k)为伺服系统在k时刻的转子负载转矩值；所述转子的转速误差值e基于以下公式建立：e(k+i)=...=e(k+1)=e(k)=ω^(k)-ωm(k)---(10)]]>式中，e(k+i)为在k+i时刻的转子转速的误差值，i＝1,2,…P，P为预测优化时域的长度，为k时刻Kalman滤波器观测得到的转子转速值，ωm(k)是伺服系统在k时刻的转子转速预测值；所述最优控制量基于以下公式建立：iq*=(W1TQW1+R)-1W1TQ[W2(k)-W3(k)-E(k)-W1TL(k)/Kt]---(14)]]>式(14)中，W1为预测函数控制(PFC)的优化控制单元第一系数矩阵，其表达式为：W1=[Km...Km(1+...+αmP-1)]T;]]>Q为优化控制单元的输入量加权系数矩阵，其表达式为：其中，为优化控制单元的输入量加权系数的平方；R为优化控制单元的控制量加权系数矩阵，其表达式为：R＝[r2]，其中，r2为优化控制单元的控制量加权系数的平方；W2(k)为k时刻预测函数控制(PFC)的优化控制单元第二系数矩阵，其表达式为：W2(k)＝[ωr(k+1)…ωr(k+P)]T，其中，ωr(k+1)为伺服系统在k+1时刻的转子转速参考值；W3(k)为k时刻预测函数控制(PFC)的优化控制单元第三系数矩阵，其表达式为：E(k)为转子的转速误差矩阵，其表达式为：E(k)＝[e(k+1)…e(k+P)]T。