本發(fā)明涉及永磁同步電機(jī)的電流預(yù)測，具體為一種基于獨立約束條件的高動態(tài)響應(yīng)無模型預(yù)測電流控制方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、永磁同步電機(jī)pmsm驅(qū)動系統(tǒng)高速運行時，動態(tài)過程中極易出現(xiàn)逆變器參考電壓幅值超過逆變器能夠輸出的最大電壓，致使電壓飽和，這不可避免的會影響參考電壓無法線性輸出，導(dǎo)致驅(qū)動系統(tǒng)電流動態(tài)響應(yīng)速度顯著下降。因此在電壓空間內(nèi)合理設(shè)置逆變器參考電壓矢量制約電壓飽和，實現(xiàn)pmsm驅(qū)動系統(tǒng)定子電流高動態(tài)快速響應(yīng)是未來應(yīng)用的趨勢之一。

2、目前實現(xiàn)電流高動態(tài)快速響應(yīng)的方案之一是固定逆變器參考電壓矢量的相位，將電壓矢量幅值縮小到最大限制電壓范圍內(nèi)，實現(xiàn)增加電壓裕度，提高驅(qū)動系統(tǒng)定子電流響應(yīng)速度。但是由于電壓矢量未考慮直交軸之間的耦合，可能會引起電流動態(tài)響應(yīng)速度的降低。

3、另外有一種直軸參考電流動態(tài)調(diào)整優(yōu)化的方案，通過分析pmsm驅(qū)動系統(tǒng)高速運行時導(dǎo)致電流響應(yīng)速度降低的根本原因是用于提升交軸定子電流的交軸電壓裕度不足。通過設(shè)計交軸電壓反饋外環(huán)對直軸參考電流進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，增加交軸電壓，提升定子交軸電流的響應(yīng)速度。但是該方案提升交軸電壓裕度實質(zhì)是在動態(tài)過程中提供額外的去磁電流，因此必須對定子直軸電流加以限制保證驅(qū)動系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的安全性。

4、利用dtc直接控制定子和轉(zhuǎn)子磁鏈的夾角提高轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)的思想，將foc基于模型思想和dtc的控制方法結(jié)合，獲得mptc模型預(yù)測轉(zhuǎn)矩控制。mptc通過代價函數(shù)評估每個逆變器電壓矢量，得出最優(yōu)的參考電壓矢量，提高驅(qū)動系統(tǒng)定子電流高動態(tài)響應(yīng)。但是受到硬件設(shè)備的限制，mptc的預(yù)測長度不能覆蓋整個動態(tài)過程，導(dǎo)致動態(tài)電流響應(yīng)性能提升有限。

5、在所述背景技術(shù)部分公開的上述信息僅用于加強(qiáng)對本公開的背景的理解，因此它可以包括不構(gòu)成對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的現(xiàn)有技術(shù)的信息。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種基于獨立約束條件的高動態(tài)響應(yīng)無模型預(yù)測電流控制方法及裝置，以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、一種基于獨立約束條件的高動態(tài)響應(yīng)無模型預(yù)測電流控制方法，具體步驟包括：

4、步驟1：把pmsm驅(qū)動系統(tǒng)運行的采樣周期設(shè)定為t，分別獲得pmsm驅(qū)動系統(tǒng)在第k個采樣周期tk的實際定子直軸電流id(k)、第k個采樣周期tk的實際定子交軸電流iq(k)、第k個采樣周期tk的轉(zhuǎn)子實際位置角θr(k)和第k個采樣周期tk的直流電源電壓us(k)，以及由于控制時序延遲施加在第k控制周期tk的定子直軸參考電壓定子交軸參考電壓

5、步驟2：通過獲得第k個采樣周期tk的定子直軸估計量和第k個采樣周期tk的包含擾動的定子交軸估計量建立pmsm驅(qū)動系統(tǒng)超局部模型；

6、步驟3：把相鄰的控制周期定子直軸估計值和定子交軸估計值當(dāng)作常值，在第k個采樣周期tk到第k+1個采樣周期tk+1之間利用一階前向歐拉法對pmsm驅(qū)動系統(tǒng)超局部模型進(jìn)行離散化，獲得第k+1采樣周期tk+1時的定子直軸預(yù)測電流id(k+1)和定子交軸預(yù)測電流iq(k+1)；

7、步驟4：在第k+1個采樣周期tk+1到第k+2個采樣周期tk+2之間采用一階前向歐拉法對pmsm驅(qū)動系統(tǒng)超局部模型進(jìn)行離散化，獲得第k+2采樣周期tk+2時的定子直軸預(yù)測電流id(k+2)和定子交軸預(yù)測電流iq(k+2)；

8、步驟5：設(shè)計與電流跟蹤誤差相關(guān)的定子直軸電流獨立代價函數(shù)和定子交軸電流獨立代價函數(shù)根據(jù)定子直軸代價函數(shù)和定子交軸代價函數(shù)獲得電壓矢量矩形約束空間；

9、步驟6：根據(jù)電壓矢量矩形約束空間四個區(qū)域?qū)Χㄗ又陛S電流id(k)和定子交軸電流iq(k)響應(yīng)的不同影響，構(gòu)建電壓反饋的代價函數(shù)約束，通過獲得d軸自適應(yīng)代價函數(shù)約束，選擇參考電壓矢量，并計算輸出電壓矢量的大小，獲得電壓矢量在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的定子直軸參考電壓和定子交軸參考電壓

10、步驟7：采用最小相位誤差法將定子直軸參考電壓和定子交軸參考電壓幅值縮小到電壓六邊形內(nèi)切圓內(nèi)，獲得定子直軸實際施加電壓ud(k)和定子交軸實際施加電壓uq(k)，將定子直軸實際施加電壓ud(k)和定子交軸實際施加電壓uq(k)進(jìn)行坐標(biāo)變化，獲得永磁同步電機(jī)定子三相實際施加電壓ua(k)、ub(k)、uc(k)，實現(xiàn)永磁同步電機(jī)的基于獨立約束的高動態(tài)無模型預(yù)測電流控制；

11、所述獲得電壓矢量在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的定子直軸參考電壓和定子交軸參考電壓的具體步驟為：

12、步驟6a：電壓矢量矩形約束空間分為四個區(qū)域id↓iq↓、id↑iq↓、id↓iq↑和id↑iq↑，對dq軸電流響應(yīng)具有不同影響，其中，id↑表示參考電壓使得d軸電流朝參考電流正向變化；id↓表示參考電壓使得d軸電流朝參考電流負(fù)向變化；iq↑表示參考電壓使得q軸電流朝參考電流正向變化；iq↓表示參考電壓使得q軸電流朝參考電流負(fù)向變化；

13、步驟6b：的大小會改變電壓矢量矩形約束空間的范圍，依據(jù)使定子電流高動態(tài)響應(yīng)速度提升為原則，d軸電流朝參考電流負(fù)向變化，增大q軸電壓裕度，避免電壓飽和，獲得dq軸電流獨立設(shè)置約束,如下式所示：

14、

15、其中，k為d軸反饋增益，為電流調(diào)節(jié)器生成的q軸參考電壓，uq為q軸出現(xiàn)電壓飽和后得到實際施加電壓；

16、步驟6c：依據(jù)d軸電流朝參考電流負(fù)向變化，即矩形約束空間收斂至直線段上，參考電壓和的解析式,利用park變化獲得park變化式為：

17、

18、進(jìn)一步地，所述實際定子直軸電流id(k)、實際定子交軸電流iq(k)、轉(zhuǎn)子實際位置角θr(k)、直流電源電壓us(k)獲取的具體步驟為；

19、步驟1a：利用電流傳感器檢測獲得第k個采樣周期tk的定子三相電流a相電流ia(k)和第k個采樣周期tk的b相電流ib(k)；

20、步驟1b：利用位置傳感器檢測獲得第k個采樣周期tk的轉(zhuǎn)子實際位置角θr(k)；

21、步驟1c：利用電壓傳感器檢測獲得第k個采樣周期tk直流電源電壓us(k)；

22、步驟1d：利用clark公式對a相電流ia(k)、b相電流ib(k)進(jìn)行等幅值變換，獲得基于兩相靜止坐標(biāo)系下永磁同步電機(jī)第k個采樣周期tk的實際定子α軸電流iα(k)和第k個采樣周期tk的實際定子β軸電流iβ(k)，變換公式為；

23、

24、其中，k≥1且k取為正整數(shù)，k＝1,2,3,…。

25、進(jìn)一步地，所述建立pmsm驅(qū)動系統(tǒng)超局部模型的具體步驟為：定義n為數(shù)據(jù)窗口長度，根據(jù)第k-n-2個采樣周期tk-2-n的定子直軸參考電壓至第k-2個采樣周期tk-2的定子直軸參考電壓第k-n-2個采樣周期tk-2-n的定子交軸參考電壓至第k-2個采樣周期tk-2的定子交軸參考電壓第k-n個采樣周期tk-n的實際定子直軸電流id(k-n)至第k個采樣周期tk的實際定子直軸電流id(k)、第k-n個采樣周期tk-n的實際定子交軸電流iq(k-n)至第k個采樣周期tk的實際定子交軸電流iq(k)，計算獲得第k個采樣周期tk的定子直軸估計值和第k個采樣周期tk的定子交軸估計值

26、所述定子直軸估計值和定子交軸估計值的計算公式分別為；

27、

28、其中：m為第k個控制周期的采樣點，αd為定子直軸電壓系數(shù)，αq為定子交軸電壓系數(shù)，當(dāng)m―n≤0時，令id(k-n)＝0，iq(k-n)＝0，

29、所述pmsm驅(qū)動系統(tǒng)超局部模型的計算公式為：

30、

31、其中，id為定子直軸電流，iq為定子交軸電流，αd為定子直軸電壓系數(shù)，αq為定子交軸電壓系數(shù)。

32、進(jìn)一步地，所述在第k個采樣周期tk到第k+1個采樣周期tk+1之間利用一階前向歐拉法對pmsm驅(qū)動系統(tǒng)超局部模型進(jìn)行離散化的具體公式為：

33、

34、其中，id(k+1)第k+1采樣周期tk+1時的定子直軸預(yù)測電流，iq(k+1)第k+1采樣周期tk+1時定子交軸預(yù)測電流，第k控制周期tk的定子直軸實際施加電壓，第k控制周期tk的定子交軸實際施加電壓，αd為定子直軸電壓系數(shù)，αq為定子交軸電壓系數(shù)。

35、進(jìn)一步地，所述在第k+1個采樣周期tk+1到第k+2個采樣周期tk+2之間采用一階前向歐拉法對pmsm驅(qū)動系統(tǒng)超局部模型進(jìn)行離散化的計算公式為；

36、

37、其中，id(k+2)第k+2采樣周期tk+2時的定子直軸預(yù)測電流，iq(k+2)第k+2采樣周期tk+2時定子交軸預(yù)測電流，第k+1控制周期tk+1的定子直軸實際施加電壓，第k+1控制周期tk+1的定子交軸實際施加電壓，αd為定子直軸電壓系數(shù)，αq為定子交軸電壓系數(shù)。

38、進(jìn)一步地，所述設(shè)計與電流跟蹤誤差相關(guān)的定子直軸電流獨立代價函數(shù)和定子交軸電流獨立代價函數(shù)根據(jù)定子直軸代價函數(shù)和定子交軸代價函數(shù)獲得電壓矢量矩形約束空間的具體步驟為：

39、步驟5a：設(shè)計定子直軸電流獨立代價函數(shù)定子交軸電流獨立代價函數(shù)

40、所述定子直軸電流獨立代價函數(shù)定子交軸電流獨立代價函數(shù)的數(shù)學(xué)公式為；

41、

42、其中，為定子直軸參考電流，為定子交軸參考電流，id(k+2)為第k+2個采樣周期tk+2定子直軸預(yù)測電流，iq(k+2)為第k+2個采樣周期tk+2定子交軸預(yù)測電流；

43、步驟5b：根據(jù)第k+1控制周期tk+1的定子直軸實際施加電壓和第k+1控制周期tk+1的定子交軸實際施加電壓經(jīng)過park變換，將和變換為兩相靜止坐標(biāo)系下的和

44、所述經(jīng)過park變換的公式為：

45、

46、步驟5c：根據(jù)兩相靜止坐標(biāo)系下的和獲得電流獨立代價函數(shù)，獨立代價函數(shù)為：

47、

48、步驟5d：根據(jù)定子直軸參考電流與對應(yīng)定子直軸預(yù)測電流id(k+2)的三種關(guān)系；大于0、等于0和小于0；定子交軸參考電流與對應(yīng)定子交軸預(yù)測電流iq(k+2)的三種關(guān)系：大于0、等于0和小于0；獲得九種組合方式，如下公式所述：

49、

50、步驟5e：將獨立代價函數(shù)分別代入定子直軸參考電流與對應(yīng)定子直軸預(yù)測電流id(k+2)的關(guān)系公式、定子交軸參考電流與對應(yīng)定子交軸預(yù)測電流iq(k+2)的關(guān)系公式：

51、

52、步驟5f：利用下式的不等關(guān)系，獲得在αβ軸兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系空間中不同區(qū)域?qū)軸、q軸和dq軸電流的影響；

53、

54、步驟5g：根據(jù)上述的等式關(guān)系，獲得和時在αβ軸中對應(yīng)的直線方程，直線方程為的公式為；

55、

56、其中，

57、kq＝tanθr,

58、依據(jù)直線方程在αβ軸兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系空間中獲得四條直線，形成電壓矢量矩形約束空間，當(dāng)取值不同值時，電壓矢量矩形約束空間范圍會發(fā)生變化。

59、本發(fā)明還提供一種基于獨立約束條件的高動態(tài)響應(yīng)無模型預(yù)測電流控制裝置，所述電流控制裝置用于執(zhí)行上述的一種基于獨立約束條件的高動態(tài)響應(yīng)無模型預(yù)測電流控制方法，包括：

60、電流傳感器，所述電流傳感器用于檢測獲得第k個采樣周期tk的定子三相電流a相電流ia(k)和第k個采樣周期tk的b相電流ib(k)；

61、電壓傳感器，所述電壓傳感器用于檢測獲得第k個采樣周期tk直流電源電壓us(k)；

62、位置傳感器，所述位置傳感器用于檢測獲得第k個采樣周期tk的轉(zhuǎn)子實際位置角θr(k)；

63、第一轉(zhuǎn)換模塊，所述第一轉(zhuǎn)換模塊用于對電流傳感器提供的定子a相電流和ia(k)定子b相電流ib(k)，利用clark坐標(biāo)變換，將三相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為兩相靜止坐標(biāo)系，獲得實際定子α軸電流iα(k)和實際定子β軸電流iβ(k)，與位置傳感器提供實際轉(zhuǎn)子位置角θr(k)進(jìn)行park坐標(biāo)變換，將兩相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，獲得實際定子直軸電流id(k)和實際定子交軸電流iq(k)；

64、延遲補(bǔ)償模塊，所述延遲補(bǔ)償模塊通過設(shè)n為數(shù)據(jù)窗口長度，第k-2個采樣周期的參考電壓生成第k+2采樣周期的定子電流，所述延遲補(bǔ)償模塊對第k-2-n個采樣周期tk-2-n的定子直軸參考電壓至第k-2個采樣周期tk-2的定子直軸參考電壓第k-n個采樣周期tk-n的實際定子直軸電流id(k-n)至第k個采樣周期tk的實際定子直軸電流id(k)進(jìn)行處理，獲得第k+1個采樣周期tk+1定子直軸預(yù)測電流id(k+1)，所述延遲補(bǔ)償模塊對第k-n-2個采樣周期tk-2-n的定子交軸參考電壓至第k-2個采樣周期tk-2的定子交軸參考電壓第k-n個采樣周期tk-n的實際定子交軸電流iq(k-n)至第k個采樣周期tk的實際定子交軸電流iq(k)進(jìn)行處理，獲得第k+1個采樣周期tk+1定子交軸預(yù)測電流iq(k+1)；

65、電流調(diào)節(jié)器，所述電流調(diào)節(jié)器用于設(shè)計定子直軸電流獨立代價函數(shù)為定子直軸參考電流與第k+2個采樣周期tk+2定子直軸預(yù)測電流id(k+2)之間誤差的平方設(shè)計定子交軸電流代價函數(shù)為定子交軸參考電流與第k+2個采樣周期tk+2定子交軸預(yù)測電流iq(k+2)之間誤差的平方

66、并根據(jù)設(shè)定的定子直軸電流獨立代價函數(shù)和定子交軸電流獨立代價函數(shù)進(jìn)行處理，獲得電壓矢量在αβ坐標(biāo)系下的矩形約束空間，利用矩形約束空間中四種不同區(qū)域?qū)軸q軸電流響應(yīng)的影響，選擇使d軸電流朝參考電流負(fù)向變化q軸電流朝參考電流負(fù)向變化的矩形約束空間分區(qū)，并計算輸出電壓矢量，得到第k個采樣周期tk定子直軸參考電壓和第k個采樣周期tk定子交軸參考電壓

67、相位誤差模塊，所述相位誤差模塊通過最小相位誤差法對施加在第k個采樣周期tk定子直軸參考電壓和第k個采樣周期tk定子交軸參考電壓進(jìn)行處理，獲得第k個采樣周期tk定子直軸實際施加電壓ud(k)和第k個采樣周期tk定子交軸實際施加電壓uq(k)；

68、第二轉(zhuǎn)換模塊，所述第二轉(zhuǎn)換模塊用于將定子直軸實際施加電壓ud(k)和定子交軸實際施加電壓uq(k)進(jìn)行坐標(biāo)變化，獲得永磁同步電機(jī)定子三相實際施加電壓ua(k)、ub(k)、uc(k)并傳遞給逆變器，現(xiàn)對永磁同步電機(jī)的基于獨立約束的高動態(tài)響應(yīng)無模型預(yù)測電流控制。

69、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明通過對pmsm驅(qū)動系統(tǒng)采集周期內(nèi)的電機(jī)運行參數(shù)，建立pmsm驅(qū)動系統(tǒng)超局部模型，并對部模型進(jìn)行離散化獲取定子直軸預(yù)測電流和定子交軸預(yù)測電流，通過設(shè)計定子直軸電流獨立代價函數(shù)和定子交軸電流獨立代價函數(shù)，獲得電壓矢量矩形約束空間，根據(jù)電壓矢量矩形約束空間四個區(qū)域?qū)λ姆Ndq軸電流動態(tài)變化趨勢，構(gòu)建電壓反饋的代價函數(shù)約束，獲得電壓矢量在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的定子直軸參考電壓和定子交軸參考電壓，通過坐標(biāo)變化，獲得永磁同步電機(jī)定子三相實際施加電壓，實現(xiàn)永磁同步電機(jī)的基于獨立約束的高動態(tài)無模型預(yù)測電流控制。

70、本發(fā)明基于pmsm驅(qū)動系統(tǒng)超局部模型推導(dǎo)出αβ軸中與dq軸電流動態(tài)響應(yīng)相關(guān)的矩形約束空間，分析得出參考電壓矢量位于該空間四個區(qū)域時對應(yīng)四種dq軸電流動態(tài)變化趨勢，給出了電壓飽和情況下，能夠提高q軸定子電流響應(yīng)速度的參考電壓矢量選取依據(jù)，實現(xiàn)了在電壓裕度不足導(dǎo)致的電壓飽和狀態(tài)下，提升電流動態(tài)響應(yīng)速度。

71、本發(fā)明還通過構(gòu)建了基于電壓反饋的代價函數(shù)約束生成方案，能夠根據(jù)電壓飽和程度自適應(yīng)的獲得d軸代價函數(shù)約束，結(jié)合參考電壓矢量的選取依據(jù)，通過使d軸電流朝參考電流負(fù)向變化，有效增大q軸電壓裕度，實現(xiàn)了pmsm驅(qū)動系統(tǒng)q軸定子電流高動態(tài)快速響應(yīng)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)dq軸電流精度的獨立控制，而且能夠在電壓飽和情況下，有效提高pmsm驅(qū)動系統(tǒng)q軸定子電流的動態(tài)響應(yīng)速度。此外，所提出獨立約束的高動態(tài)響應(yīng)無模型預(yù)測電流控制方法具有相同的動態(tài)與穩(wěn)態(tài)控制結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)動穩(wěn)態(tài)控制之間的平滑切換，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡單。