一种永磁同步电机预测转速控制的权系数优化方法及系统

本发明属于永磁同步电机调速控制，尤其涉及一种永磁同步电机预测转速控制的权系数优化方法及系统。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、永磁同步电机(permanent-magnet synchronous motor，pmsm)凭借效率高、功率密度高等优势，广泛用于工业制造、电动汽车和航空航天等领域。随着微处理器的发展，许多先进控制算法如滑模控制、模糊控制和模型预测控制等得到了越来越广泛的研究。

3、根据控制目标的不同，永磁同步电机的模型预测控制(model predictivecontrol，mpc)策略可分为以下几类：预测电流控制(predictive current control，pcc)、预测转矩控制(predictive torque control，ptc)和预测转速控制(predictive speedcontrol，psc)。在前两种控制策略中，都采取了双闭环的结构，外环通常由线性pi控制器实现转速控制，并给出电流(转矩)参考，内环则有所不同，ptc的内环由mpc实现电流控制，ptc的内环由mpc实现转矩和磁链控制，需在代价函数中添加权系数。

4、为进一步提升动态响应性能，psc建立转速与电流的数学模型，将转速控制与电流控制统一设计在代价函数中。该策略充分发挥了mpc可实现多目标控制的优势，省去了外环pi控制项。然而，在转速与电流的数学模型中，包含负载转矩项，若通过传感器来测量负载转矩的值，则会导致成本提升，且由于内外环境的影响，负载扰动难以测量，添加设计观测器用于估计负载转矩。除此之外，由于转速与电流的单位以及数量级不同，在代价函数中加入权系数，用于调整转速与电流对代价函数的影响。

5、发明人发现，预测转速控制代价函数中含有权系数，其大小会对系统控制性能产生重要影响，一般采用经验法进行调参，但这种方法比较繁琐耗时，往往需经过大量试错之后才可以得到较为理想的性能；同时由于电机运行工况复杂多变，转速与定子电流物理量纲不同，且不同工况下两者变化幅度不同，因此难以找到恒定的最优权系数，如转速参考从极低速突增至额定时，其与定子电流的幅值比值瞬间变化可达上千倍，因此难以通过恒定的权系数确定转速与定子电流权重。

技术实现思路

1、为了解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题，本发明提供一种永磁同步电机预测转速控制的权系数优化方法，其采用了一种单代价函数顺序级联的控制结构，取代了带权系数的代价函数结构，提出了一种级联模型预测转速控制(sequential predictivespeed control，spsc)，彻底消除了权系数。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明的第一方面提供一种永磁同步电机预测转速控制的权系数优化方法，包括如下步骤：

4、将构建的永磁同步电机的电流与转速的数学模型离散化；

5、基于给定的参考信号和离散化的永磁同步电机的电流与转速的数学模型，构建模型预测控制的代价函数；

6、将代价函数分成多个子代价函数，每个子代价函数包含单一的控制目标，以顺序结构的形式依次优化子代价函数，将上一个子代价函数优化得到的开关矢量作为控制集，优化下一个子代价函数，通过最后优化的子代价函数得到最终的开关矢量；

7、根据优化后的开关矢量，控制逆变器中开关管的通断来驱动电机运转。

8、进一步地，所述离散化的永磁同步电机的电流与转速的数学模型为：

9、

10、

11、

12、

13、其中，id(k+1)和iq(k+1)表示第k+1时刻d轴与q轴的电流预测值，ωm(k+1)表示第k+1时刻的转速预测值，id(k)和iq(k)表示第k时刻d轴与q轴的电流测量值，ωm(k)表示第k时刻转速测量值，ωe(k)由ωm(k)计算得到，te(k)和tl(k)表示第k时刻电磁转矩和负载转矩的估计值，ud(k)和uq(k)表示第k时刻d轴和q轴电压，ts表示采样周期，r表示定子电阻，ld、lq分别表示d轴和q轴电感，ψf表示永磁体磁链，b表示粘性摩擦系数，j表示转动惯量，np表示极对数。

14、进一步地，所述代价函数为：

15、

16、式中，为转速参考值，为d轴电流参考值，ωm(k+2)为转速预测值，id(k+1)为d轴电流预测值，权系数λ1、λ2表征了代价函数中不同控制目标的重要性。

17、进一步地，所述以顺序结构的形式依次优化子代价函数，包括：

18、先进行第一阶段寻优，将转速预测值与转速参考值之差作为转速项代价函数，通过最小化转速项代价函数，选出两个电压矢量，作为第二阶段寻优的控制子集；之后进行第二阶段寻优，将电流预测值与电流参考值之差作为电流项代价函数，通过最小化电流项代价函数，在控制子集中选出最优电压矢量。

19、进一步地，将原代价函数拆分为两个子代价函数：

20、

21、

22、式中，g1为转速项代价函数，g2为电流项代价函数，u(i)为第i个开关矢量对应的输出电压，为转速参考值，为d轴电流的参考值

23、进一步地，所述逆变器采用三相两电平逆变器，包含六个功率开关管，每相的两个功率开关管有两个不同的开关状态，则三相开关信号通过功率开关管的开关状态确定。

24、本发明的第二方面提供一种永磁同步电机预测转速控制的权系数优化系统，包括：

25、模型离散化模块，其用于将构建永磁同步电机的电流与转速的数学模型离散化；

26、代价函数构建模块，其用于基于给定的参考信号和离散化的永磁同步电机的电流与转速的数学模型，构建模型预测控制的代价函数；

27、预测优化模块，其用于将代价函数分成多个子代价函数，每个子代价函数包含单一的控制目标，以顺序结构的形式依次优化子代价函数，将上一个子代价函数优化得到的开关矢量作为控制集，优化下一个子代价函数，通过最后优化的子代价函数得到最终的开关矢量；

28、控制模块，其用于根据优化后的开关矢量，控制逆变器中开关管的通断来驱动电机运转。

29、本发明的第三方面提供一种计算机可读存储介质。

30、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的一种永磁同步电机预测转速控制的权系数优化方法中的步骤。

31、本发明的第四方面提供一种计算机设备。

32、一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的一种永磁同步电机预测转速控制的权系数优化方法中的步骤。

33、本发明的第五方面提供一种程序产品，

34、一种程序产品，所述程序产品为计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述所述的一种永磁同步电机预测转速控制的权系数优化方法中的步骤。

35、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

36、本发明针对权系数设计复杂的问题，采用了一种单代价函数顺序级联的控制结构，取代了带权系数的代价函数结构，提出了一种级联模型预测转速控制(spsc)，将转速和电流分别使用不同的代价函数依次寻优，既保留了高动态响应，又简化了控制架构，无需复杂的参数整定过程即获得理想的控制性能。

37、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。