基于滑模抗扰动的永磁同步电机无差拍预测电流控制方法

本发明涉及一种基于滑模抗扰动的永磁同步电机无差拍预测电流控制方法，具体适用于三电平npc驱动的pmsm提出一种基于滑模抗扰动的预测电流控制方法。

背景技术：

1、pmsm作为交流电机中最具代表的一类，具有结构简单、高转矩惯性比、体积小、效率高等诸多优点，在精密控制、机车牵引等领域应用前景广阔。就控制方式而言，基于pi调节器的转子磁链定向矢量控制(foc)应用极为广泛，其关键在于定子电流幅值和空间位置的控制，分别对转速和定子交、直轴电流进行双闭环控制，系统稳态性能好。然而pi调节器的参数选择依赖于电机数学模型，由于pmsm一个强耦合的非线性系统，电机电阻r、电感l及磁链f等参数变化对系统稳态性能影响较大，因此pi控制不能直接满足电机高性能、高精度控制要求。

2、pmsm模型预测控制的核心思想是根据逆变器和电机的数学模型，以及电机当前时刻的状态，预测未来时刻的状态，与给定值进行比较，选择出最优的电压矢量作用于电机。相对于pi调节器，模型预测控制省去了复杂的参数整定，具有更好的稳态性能。与pi调节器相同，电机模型不准确或模型参数偏差会导致控制电压矢量的选取不准确，导致系统输出电流产生偏差，随着时间推移，系统累计偏差持续增大，从而恶化系统的控制性能。滑模控制作为对参数和外部干扰不敏感的强鲁棒控制，近年来一直是pmsm的研究热点。有的控制方法为一种高阶滑模观测器，利用观测器输出的n阶微分实现对电机磁通和电阻的观测，但多次微分极易形成高次谐波，难以完全保证观测结果的准确性；有的控制方法利用d轴和q轴的电流、电压偏差构建参数辨识模型，设计合适的控制率，保证观测参数的收敛性；一种基于快速傅里叶变换电机参数离线辨识方法，采用定子电压和电流的基波离线辨识定子d轴和q轴电感，但该方法获取的数据无法适应电机的不同工况；有的采用扩展卡尔曼滤波器对磁链f和电感l进行在线辨识，实现最小方均误差意义下的系统最优估计。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服现有技术中存在的多次微分极易形成高次谐波的问题，提供了一种可有效抑制电阻、电感、磁链等扰动的基于滑模抗扰动的永磁同步电机无差拍预测电流控制方法。

2、为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：

3、一种基于滑模抗扰动的永磁同步电机无差拍预测电流控制方法，所述无差拍预测电流控制方法用于控制永磁同步电机的npc结构三电平逆变电路，所述无差拍预测电流控制方法包括以下步骤：

4、第一步：搭建永磁同步电机滑模抗扰动无差拍预测电流矢量控制结构模型：

5、

6、

7、

8、

9、上式中：ud为定子电压d轴分量，uq为定子电压q轴分量，id为定子电流d轴分量，iq为定子电流q轴分量，rs为定子绕组相电阻，ωe为转子电角度，ψd为d轴磁链分量，ψq为q轴磁链分量，ls为定子电感，p＝d/dt为微分算子，ψf为永磁体磁链，te为电磁转矩，np为极对数，tm为折算到轴端的负载扭矩，j为机械负载折算到轴端的转动惯量，ωm为转子机械角速度，b为黏滞摩擦系数；

10、第二步：建立基于等速趋近律的内环dq轴双滑模抗扰动观测器模型，如下：

11、d轴观测器：

12、

13、式中：为下一时刻d轴电流分量，为当前时刻d轴电流分量，iq(k)为当前时刻q轴电流分量，为当前时刻d轴总扰动估计值，ud(k)为当前时刻d轴电压分量；

14、q轴观测器：

15、

16、式中：为下一时刻q轴电流分量，为当前时刻q轴电流分量，id(k)为当前时刻d轴电流分量，uq(k)为当前时刻q轴电压分量，为当前时刻q轴总扰动估计值；

17、第三步：建立基于模型速度外环滑模控制器模型，采用指数趋近律方式设计滑模控制器：

18、

19、

20、式中：为滑模面函数的微分，为给定速度与反馈速度的差值的变化率，为给定速度与反馈速度的差值的二阶微分量，c2为任意正实数,m为任意正实数，ξs＞0，k＞0；

21、第四步：建立基于指数趋近律方式的电流内环模型预测电流控制器模型，

22、预测电流方程：

23、

24、式中：ωe(k)为当前时刻的转子电角速度；对上式进行移项，可解出ud(k)、uq(k)值：

25、

26、此时基于指数趋近律方式的电流内环模型预测电流控制器模型构建完成；

27、第五步：构建一种基于注入虚拟矢量的近似两电平svpwm无差拍控制器模型，将于指数趋近律方式的电流内环模型预测电流控制器模型的输出作为基于注入虚拟矢量的近似两电平svpwm无差拍控制器模型输入，利用改进的svpwm算法，合理分配各电压矢量的占空比，有效降低逆变器开关损耗。

28、第一步中，永磁同步电机滑模抗扰动无差拍预测电流控制系统以d轴给定电流矢量id*＝0的转子磁链定向矢量控制为基础，系统由转速外环与电流内环组成，转速外环通过滑模控制器提供定子电流q轴分量给定值iq*，id*、iq*与由滑模抗扰动观测器输出的d、q轴电流的观测值共同作为无差拍预测电流控制器的输入，输出可获得控制电压vd与vq，将电压变换到αβ静止坐标系后采用改进型svpwm技术控制三电平npc逆变器向永磁同步电机供电；电流内环以滑模抗扰动观测器为核心，电流互感器测量得到的d、q轴电流实时值id、iq，与转子电角度ωe共同作为滑模抗扰动观测器输入，输出作为预测电流控制器输入，其中，转子电角度ωe由转子位置角θ求导取得。

29、第二步：建立基于等速趋近律的内环dq轴双滑模抗扰动观测器模型中，假设永磁同步电机参数带来的扰动是有界的，且在极短的采样周期tsw内是恒定不变的，电机的d轴、q轴电压方程可以表述为：

30、

31、

32、式中：fd为d轴参数所引起的扰动，fq为q轴参数所引起的扰动，fd为fd的变化率，fq为fq的变化率，△ls为定子电感扰动量，△rs为定子电阻扰动量,δψf为定子磁链扰动量；以id及fd为状态变量，ωe为转子电角速度；

33、以d轴反馈电流为观测对象，设计滑模抗扰动观测器：

34、

35、式中：为d轴电流估计值的变化率，为d轴扰动估计值的变化率，为d轴电流，为d轴扰动的估计值，m为滑模控制增益(m＞0)，eid为d轴观测电流与反馈电流的误差u(eid)代表d轴滑模控制率；

36、将d轴扰动值补偿到电压方程中，可得：

37、

38、对上式其进行离散化，最终得到d轴观测器：

39、

40、式中：为下一时刻d轴电流分量，为当前时刻d轴电流分量，iq(k)为当前时刻q轴电流分量，为当前时刻d轴总扰动估计值，ud(k)为当前时刻d轴电压分量；

41、同理，以q轴反馈电流为观测对象，设计滑模抗扰动观测器如下：

42、

43、式中：为q轴电流估计值的变化率，为q轴扰动估计值的变化率，为q轴电流，为q轴扰动的估计值，n为滑模控制增益(n＞0)，eiq为q轴观测电流与反馈电流的误差u(eiq)为q轴滑模控制率；

44、将d轴扰动值补偿到电压方程中，可得：

45、

46、将上式离散化：得到q轴观测器：

47、

48、式中：为下一时刻q轴电流分量，为当前时刻q轴电流分量，id(k)为当前时刻d轴电流分量，uq(k)为当前时刻q轴电压分量，为当前时刻q轴总扰动估计值；

49、此时，基于等速趋近律的内环dq轴双滑模抗扰动观测器模型构建完成。

50、第三步：建立基于模型速度外环滑模控制器模型，建立基于模型速度外环滑模控制器模型，为加快系统运动点进行滑模面速度，降低滑模面附近的抖振，速度外环滑模控制器基于指数趋近律法进行设计；定义控制器状态变量：

51、

52、式中：ωm*为给定转子机械角速度，ωm为编码器测得的实际转子机械角速度即反馈转子机械角速度，eω为给定转子机械角速度与反馈转子机械角速度的差值，为给定速度与反馈速度的差值的变化率，为给定速度的变化率；

53、采用指数趋近律方式设计滑模控制器：

54、

55、

56、式中：为滑模面函数的微分，为给定速度与反馈速度的差值的二阶微分量，c2为任意正实数,m为任意正实数，ξs＞0，k＞0；

57、此时基于模型速度外环滑模控制器模型构建完成。

58、第四步：建立基于指数趋近律方式的电流内环模型预测电流控制器模型，

59、建立基于指数趋近律方式的电流内环模型预测电流控制器模型，永磁同步电机同步旋转坐标系下的电压方程：

60、在极小的采样周期tsw内，将上式中d、q轴电流进行离散化得到：

61、

62、利用离散方程来预测下一时刻的电流id(k+1)及iq(k+1)，假定d轴电流给定值id*＝id(k+1)，q轴电流给定值iq*＝iq(k+1)；以d、q轴定子电压给定值ud、uq为控制率，得到预测电流方程：

63、

64、式中：ωe(k)为当前时刻的转子电角速度；对上式进行移项，可解出ud(k)、uq(k)值：

65、

66、此时基于指数趋近律方式的电流内环模型预测电流控制器模型构建完成。

67、第五步：构建一种基于注入虚拟矢量的近似两电平svpwm无差拍控制器模型中；

68、扇区划分：划分输入电压空间矢量大、小扇区，对svpwm算法进行改进：以隐去中矢量、大矢量，仅利用零矢量、小矢量和虚拟矢量进行调制为原则，将电压空间矢量经过的区域划分为不对称的12扇区；

69、制定开关顺序：整理电压各小扇区逆变器开关顺序，形成开关顺序图表，为减少开关器件的应力，采取7段对称电压矢量与9段对称电压矢量相互切换的方式控制，采用可变采样周期的方式，根据目标空间电压矢量vref落入的扇区号，制定基本电压矢量的作用顺序表；

70、矢量作用时间计算：确定各开关矢量的作用时间、形成svpwm的控制模型，定义零矢量为vs0、大扇区内左侧的小矢量为vs1、大扇区内右侧的小矢量为vs2，当采用7段对称电压矢量方式控制时，采用两电平算法，使用vs1、vs2、vs0共同合成目标电压矢量vref，vs1、vs2、vs0矢量作用时间分别对应为t1、t2、t0；当采用9段对称电压矢量方式控制时，采用注入虚拟矢量的近似两电平算法，进一步定义虚拟矢量为vs3，vs1、vs2矢量用于合成虚拟矢量vs3，使用vs0、vs1、vs2、vs3共同合成目标电压矢量vref，vs1、vs2、vs0矢量作用时间分别对应为(t1′+tsw′)、t2′、t0′；tsw为一个开关周期，根据不同小扇区的矢量合成规律，分别计算出在各小扇区内的各矢量作用时间；然后根据基本矢量作用时间得出各扇区对应的组合开关控制脉冲情况；

71、最后根据各扇区的开关状态和触发时间，梳理各扇区开关器件触发时间表形成svpwm的控制模型，上述控制模型用于控制永磁同步电机npc逆变电路。

72、一种基于滑模抗扰动的永磁同步电机无差拍预测电流控制系统，所述基于滑模抗扰动的永磁同步电机无差拍预测电流控制系统为所述的基于滑模抗扰动的永磁同步电机无差拍预测电流控制方法构建的无差拍预测电流控制模型；

73、所述控制系统包括：

74、无差拍预测电流矢量控制器：为同步电机滑模抗扰动无差拍预测电流矢量控制数学模型；

75、内环dq轴双滑模抗扰动观测器：用于执行内环的dq轴双滑模抗扰动观测器的算法；

76、速度环滑模控制器：用于执行模型速度外环滑模控制算法；

77、预测电流控制器：用于执行基于指数趋近律方式的电流内环模型算法；

78、基于注入虚拟矢量的近似两电平svpwm无差拍控制器：用于执行改进的svpwm算法。

79、一种基于滑模抗扰动的永磁同步电机无差拍预测电流控制设备，包括存储器和处理器，所述存储器，用于存储计算机程序代码，并将所述计算机程序代码传输给所述处理器；

80、所述处理器，用于根据所述计算机程序代码中的指令执行所述的基于滑模抗扰动的永磁同步电机无差拍预测电流控制方法。

81、一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的基于滑模抗扰动的永磁同步电机无差拍预测电流控制方法。

82、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

83、1、本发明涉及一种基于滑模抗扰动的永磁同步电机无差拍预测电流控制方法，电流内环采用等速趋近律滑模观测器来估计系统所受到的总参数扰动，并对模型实现实时前馈补偿，该方法可有效抑制电阻、电感、磁链等参数扰动给系统带来的影响，提升系统控制的鲁棒性。

84、2、本发明涉及一种基于滑模抗扰动的永磁同步电机无差拍预测电流控制方法，转速外环采用基于指数趋近律的滑模控制器，相比于传统基于pi控制器的转速外环控制，系统响应迅速，且可有效抑制负载转矩扰动带来的影响，鲁棒性增强。

85、3、本发明涉及一种基于滑模抗扰动的永磁同步电机无差拍预测电流控制方法，在svpwm调制过程中隐去大矢量及中矢量，仅涉及小矢量与零矢量合成运算。该方法对逆变器直流侧中点电位的偏移均具有较好的抑制作用，可有效减小永磁同步电机定子电流谐波分量。

86、4、本发明一种基于滑模抗扰动的永磁同步电机无差拍预测电流控制系统，包括：无差拍预测电流矢量控制器：为同步电机滑模抗扰动无差拍预测电流矢量控制数学模型；内环dq轴双滑模抗扰动观测器：用于执行内环的dq轴双滑模抗扰动观测器的算法；速度环滑模控制器：用于执行模型速度外环滑模控制算法；预测电流控制器：用于执行基于指数趋近律方式的电流内环模型算法；基于注入虚拟矢量的近似两电平svpwm无差拍控制器：用于执行改进的svpwm算法。

87、5、本发明一种基于滑模抗扰动的永磁同步电机无差拍预测电流控制设备包括处理器以及存储器，存储器用于存储计算机程序代码，并将计算机程序代码传输给所述处理器，处理器用于根据计算机程序代码中的指令执行上述任一技术方案中提供的基于滑模抗扰动的永磁同步电机无差拍预测电流控制放法。因此，该设备同时包括如上述任一技术方案中提供的基于滑模抗扰动的永磁同步电机无差拍预测电流控制方法的全部有益效果，在此不再赘述。

88、6、本发明一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一技术方案中提供的基于滑模抗扰动的永磁同步电机无差拍预测电流控制方法的步骤。因此，该计算机可读存储介质同时包括如上述任一技术方案中提供的基于滑模抗扰动的永磁同步电机无差拍预测电流控制方法的全部有益效果，在此不再赘述。