一种航空机电作动器用永磁同步电机的转矩控制方法

本发明涉及航空电机控制，具体涉及一种航空机电作动器用永磁同步电机的转矩控制方法。

背景技术：

1、航空机电作动器是现代飞机的重要组成部分，用于控制飞机的运动和姿态。航空机电作动器具有精度高、可靠性强、响应速度快、维护简单的优势。与传统液压作动器相比，机电作动器使用电机驱动，不需要使用液体介质，因此更加节能环保。同时，随着飞机的不断发展，作动器的技术也在不断创新和改进，对机电作动器控制系统的要求也越来越高。

2、在航空机电作动器中，控制系统对飞机的稳定性和安全性有着至关重要的影响。航空机电作动器需要高性能闭环控制系统才能满足实际动静态应用要求，需要寻求响应快、调速精度高、可靠性高和鲁棒性强的控制方法。在实际控制器设计时，为了提高实时性，需尽量减少计算机的占用时间，使用算法简单、计算量较小的控制方法。此外，还需采用适应性强、动态响应快的控制方法。

3、航空机载电作动大多采用算法简单、计算量小的传统pid控制方法，但该方法应用于参数摄动工况的鲁棒性较弱。为了提高鲁棒控制性能，适应性较强的现代控制与智能控制方法被引入，如自适应控制方法、模糊控制方法、神经网络控制方法。这些控制方法将根据系统参数变化自适应改变控制参数，但控制系统较复杂，且对于模糊控制和神经网络控制而言，较好的控制性能需建立在完善的先验实验数据的基础上。近年来，模型预测转矩控制因具有结构简单、高动态及多目标非线性最优控制的优势，非常适用于航空机载电作动，但由于受到模型参数的限制，鲁棒性仍需提高。

4、综上，考虑到飞行器运行环境温差大且受雷暴影响，航空机电作动存在航空机电作动电机参数摄动问题；其次，现有的线性控制策略控制非线性航空机电作动器会使动态响应性能受限；最后，受控制器成本及空间的制约，机电作动系统的控制芯片资源少且实现功能复杂，需缩短控制系统算法的计算时长。

5、因此，需要提供一种航空机电作动器用永磁同步电机的转矩控制方法以解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明提供一种航空机电作动器用永磁同步电机的转矩控制方法，以解决现有的飞行器运行环境温差大且受雷暴影响，航空机电作动存在航空机电作动电机参数摄动问题；其次，现有的线性控制策略控制非线性航空机电作动器会使动态响应性能受限；最后，受控制器成本及空间的制约，机电作动系统的控制芯片资源少且实现功能复杂，需缩短控制系统算法的计算时长的问题。

2、本发明的一种航空机电作动器用永磁同步电机的转矩控制方法采用如下技术方案，包括：

3、根据永磁同步电机的三相电流获取永磁同步电机的α轴电流、β轴电流、d轴电流和q轴电流；根据永磁同步电机的d轴电流和q轴电流获取电磁转矩、α轴定子磁链、β轴定子磁链、d轴定子磁链和q轴定子磁链；

4、根据永磁同步电机的转子角速度和预设的转子角速度参考值，并利用比例积分控制算法获取电磁转矩参考值；

5、利用离散空间矢量调制技术获取待选电压矢量；根据电磁转矩、α轴定子磁链、β轴定子磁链、α轴电流、β轴电流以及待选电压矢量，构建基于扩张状态观测器的超局部预测模型，利用超局部预测模型获取永磁同步电机在每种待选电压矢量下的下一时刻的定子电流预测值、定子磁链预测值和电磁转矩预测值；

6、基于扩张状态观测器的带宽，电磁转矩参考值以及永磁同步电机在每种待选电压矢量下的下一时刻的电磁转矩预测值，获取永磁同步电机在每种待选电压矢量下的动态带宽；根据电磁转矩参考值、预设的定子磁链参考值以及动态带宽，获取永磁同步电机在每种待选电压矢量下的成本函数值；

7、将最小成本函数值对应的待选电压矢量作为最优电压矢量，根据最优电压矢量改变三相全桥逆变器开关管开关状态，以控制永磁同步电机的转矩。

8、优选地，根据永磁同步电机的三相电流获取永磁同步电机的α轴电流、β轴电流、d轴电流和q轴电流的步骤为：将永磁同步电机的三相电流经过park变换后，获得α轴电流和β轴电流，再使用clark变换后，获得永磁同步电机的d轴电流和q轴电流。

9、优选地，电磁转矩参考值的表达式为：

10、

11、式中，为永磁同步电机的时刻的电磁转矩参考值；

12、为转子角速度；

13、为预设的转子角速度参考值；

14、为比例积分控制算法的比例参数；

15、为比例积分控制算法的积分参数；

16、为比例积分控制算法的积分运算。

17、优选地，获取电磁转矩、α轴定子磁链、β轴定子磁链、d轴定子磁链和q轴定子磁链的步骤为：

18、

19、

20、

21、式中，为d轴定子磁链；

22、为q轴定子磁链；

23、为电磁转矩；

24、为永磁体极对数；

25、为永磁体磁链；

26、为定子电感；

27、为d轴电流；

28、为q轴电流；

29、基于d轴定子磁链和q轴定子磁链使用反clark变换后获得α轴定子磁链和β轴定子磁链。

30、优选地，利用离散空间矢量调制技术获取待选电压矢量的步骤为：

31、基于永磁同步电机的三相全桥逆变电路的基本电压矢量的电压幅值，获取二等分虚拟电压矢量和三等分虚拟电压矢量；

32、将二等分虚拟电压矢量和三等分虚拟电压矢量相加得到多种混合虚拟电压矢量；

33、将基本电压矢量、二等分虚拟电压矢量、三等分虚拟电压矢量以及混合虚拟电压矢量作为待选电压矢量。

34、优选地，获取二等分虚拟电压矢量和三等分虚拟电压矢量的步骤为：

35、将每个基本电压矢量的电压幅值除二得到一个第一目标电压矢量；

36、每两个第一目标电压矢量相加得到一个二等分虚拟电压矢量；

37、将每个基本电压矢量的电压幅值除三得到一个第二目标基本电压矢量；

38、将每两个第二目标基本电压矢量相加得到一个三等分虚拟电压矢量。

39、优选地，超局部预测模型的表达式为：

40、

41、

42、式中，时刻的定子电流；j为虚数单位；

43、时刻的定子电流预测值；为时刻的定子电流预测值；

44、时刻的定子磁链；

45、时刻的定子磁链预测值；为时刻的定子磁链预测值；为时刻的α轴定子磁链；为时刻的α轴定子磁链；

46、为时刻的电磁转矩预测值；为时刻的电磁转矩预测值；

47、为时刻的电流扰动估计值；为时刻的电流扰动估计值；

48、为时刻的磁链扰动估计值；为时刻的磁链扰动估计值；

49、为定子电感；

50、为永磁体极对数；

51、为时刻输入的待选电压矢量；

52、为算法执行周期参数；

53、为扩张状态观测器的第一可调增益参数、为扩张状态观测器的第二可调增益参数、为扩张状态观测器的第三可调增益参数、为扩张状态观测器的第四可调增益参数，其中，，，为扩张状态观测器的带宽。

54、优选地，永磁同步电机在每种待选电压矢量下的动态带宽的表达式为：

55、

56、式中，为动态带宽；

57、为扩张状态观测器的带宽；

58、为控制器参数，可取范围为0-1；

59、为双曲正切函数；

60、为永磁同步电机的时刻的电磁转矩参考值；

61、为时刻的电磁转矩预测值。

62、优选地，永磁同步电机在每种待选电压矢量下的成本函数值的表达式为：

63、

64、式中，为成本函数值；

65、为永磁同步电机的时刻的电磁转矩参考值；

66、为永磁同步电机的时刻的电磁转矩预测值；

67、为动态带宽；

68、为预设的定子磁链参考值；

69、为权重系数；

70、为定子磁链预测值。

71、本发明的有益效果是：

72、本发明提出的航空机电作动器用表贴式永磁同步电机的转矩控制方法，针对航空机电作动高低温强振动工况下的参数摄动问题、动态响应问题和算法计算时间问题，提出基于扩张状态观测器的超局部预测模型、离散空间矢量调制技术及成本函数，通过使用基于扩张状态观测器的超局部预测模型实时补偿参数摄动造成的预设电机参数与实际电机参数的误差，以提升控制系统的鲁棒性，针对航空机电作动器动态响应问题，设计成本函数，通过建立控制器带宽与待选电压矢量的关系式，将控制器动态性能作为一个控制目标添加在成本函数中，从而增强电机驱动系统的动态性能；针对航空机电作动器算法计算时长问题，设计离散空间电压矢量选择策略，通过既定评估流程对待选电压矢量进行评估，挑选出初始最优电压矢量，然后再利用初始最优电压矢量和超局部预测模型进行参数的预测，从而减少了数据量，缩短算法计算时间，即本发明提升了驱动系统的动静态性能，缩短算法计算时间，使得系统具有鲁棒性强、动态性高、可靠性高的优点。