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一种自动修正永磁同步电机参数偏移的无位置模型预测控制系统

1.本发明涉及永磁同步电机的控制领域，具体而言涉及一种自动修正永磁同步电机参数偏移的无位置模型预测控制系统，可用在电机因外部条件变化出现自身参数变化进而导致控制模型与电机实体发生参数失配时，且不使用位置传感器和转矩传感器的情况下，实时对控制系统进行参数偏移修正，实现永磁同步电机全过程无位置传感器控制。

背景技术：

2.随着永磁体材料的不断发展，绕线式同步电机转子被永磁体替代，进而发展出永磁同步电机。永磁同步电机具有结构简单、效率高、控制性能优良且易于实现的优点，被越来越多的行业所使用。由于其控制过程较异步电机来说简单，对永磁同步电机的控制系统的应用研究也占据日益重要的地位。
3.模型预测控制是一种较为新型的永磁同步电机控制方法。在系统模型的基础上，以系统当前周期的状态、控制变量预测下一个周期的输出，并循环滚动。它主要包含预测模型、滚动优化和反馈校正三个部分。当运用在电机控制领域时，模型预测控制具有响应速度快、准确度高的优点。
4.传统的永磁同步电机的矢量控制系统中，电机的转速闭环与矢量变换依赖于光电编码盘等高精度位置传感器，使转子位置信息与转速信号为控制系统所用。但是加装光电编码盘会使电机体积增大、成本增加，使控制系统的可靠性降低。因此，永磁同步电机的无位置传感器控制受到越来越多科研工作者的关注，不断有各种性能优良的观测器被研究并应用。
5.与此同时，模型预测控制依赖于控制模型与电机本体参数之间高度适配，由于外界影响和作用带来的两者参数的失配，必然会带来控制系统性能的下降，加之部分高精度观测器对参数变化也是非常敏感的，考虑参数的实时辨识与校正就显得格外重要。
6.考虑参数辨识主要考虑辨识电机的电阻、电感、磁链和转动惯量。电机的参数辨识分为离线辨识和在线辨识，要完成参数的实时校正就需要电机参数的在线辨识。电机参数的在线辨识是指：对运行电机建立参数辨识模型，通过此时的电机模型辨识出的电机参数值准确度较低，再通过实时采集电机的运行数据，对获得的电机运行数据进行在线辨识算法处理后，不断更新修正辨识出的电机参数值。当辨识出的电机参数值稳定后，即可认为辨识出的电机参数值即为电机的实际参数值。
7.上述三大部分内容构成该专利的技术背景。

技术实现要素：

8.立足于现有技术的改进与发展，本发明旨在提供一种永磁同步电机的控制系统，可在考虑参数辨识的同时实现电机全过程的无位置传感器控制。
9.为了完成上述目的，本发明的技术方案如下：
10.一种自动修正永磁同步电机参数偏移的无位置模型预测控制系统，包括：双环模型预测控制(i)、无微分扰动位置与转矩观测(ii)、参数辨识(iii)和永磁电机(14)。双环模型预测控制(i)包括：转速计算模块(01)、mpc速度环控制器(02)、mpc电流环控制器(03)、控制信号传导计算模块(04)、逆变器(05)、采样电路(06)、电流clark变换器(07)、电流park变换器(08)、电压clark变换器(09)；无微分扰动位置与转矩观测(ii)包括：、无微分扰动位置观测器(10)、无微分扰动转矩观测器(11)；参数辨识(iii)包括：电压clark变换器(12)、遗忘因子递推最小二乘法参数辨识器(13)。
11.(1)说明三大模块间的功能关系：
12.所述双环模型预测控制(i)为无微分扰动位置与转矩观测(ii)和参数辨识(iii)提供运行产生的电流电压信号；无微分扰动位置与转矩观测(ii)为双环模型预测控制(i)提供转速位置和转矩信息，为参数辨识(iii)提供转速位置信息；参数辨识(iii)为双环模型预测控制(i)和无微分扰动位置与转矩观测(ii)提供参数偏移修正。
13.(2)所述双环模型预测控制(i)具体的信号传递关系如下：
14.设定转子转速、转速计算模块(01)输出的估计转速、由无微分扰动转矩观测器(11)输出的估计转矩和由遗忘因子递推最小二乘法参数辨识(13)输出的磁链参数修正，四个信号输入给mpc速度环控制器(02)，进而mpc速度环控制器(02)输出参考转矩电流。
15.参考转矩电流、d轴参考电流、由无微分扰动位置观测器(10)输出的位置信息、由遗忘因子递推最小二乘法参数辨识(13)输出的电阻电感磁链参数修正和来自电流park变换器(08)的dq轴电流信号，六个信号输入给mpc电流环控制器(03)，并结合控制信号传导计算模块(04)，进而输出给逆变器(06)六路控制信号来控制永磁电机(14)。
16.在逆变器(06)和永磁电机(14)之间装设的采样电路(06)，将三相静止坐标系下电流信号输入到电流clark变换器(07)，得到两相静止坐标系下电流信号，进而输入到电流park变换器(08)构成闭环。
17.(3)所述无微分扰动位置与转矩观测(ii)具体的信号传递关系如下：
18.由所述的采样电路(06)采集到的三相静止坐标系下电压信号经电压clark变换器(09)转换为两相静止坐标系下的电压信号、电流clark变换器(07)输出的两相静止坐标系下电流信号、由遗忘因子递推最小二乘法参数辨识(13)输出的电阻电感参数修正，五个信号输入到无微分扰动位置观测器(10)，进而输出估计转速和位置信号，其中估计位置信号提供给mpc电流环控制器(03)，估计转速信号分别输入到转速计算模块(01)、无微分扰动转矩观测器(11)和遗忘因子递推最小二乘法参数辨识(13)。
19.由所述的无微分扰动位置观测器(10)输出的估计转速信息、由遗忘因子递推最小二乘法参数辨识(13)输出的电阻电感磁链参数修正和来自电流park变换器(08)的dq轴电流信号，四个信号同时输入到无微分扰动转矩观测器(11)，进而输出估计转矩信号供mpc速度环控制器(02)使用。以上信号传递过程实现了电机的无位置模型预测控制。
20.(4)为完成整个控制系统的运行，需要对所述的双环模型预测控制(i)、无微分扰动位置与转矩观测(ii)、参数辨识(iii)和永磁电机(14)进行基础理论分析与模型搭建，同时按照相应设计好的模块间的功能和信号关系进行相应的连接，具体可分为四步：
21.步骤一：建立永磁同步电机在同步旋转框架内的电流和运动方程；
22.步骤二：针对带遗忘因子的递推最小二乘参数辨识运用过程中存在电阻辨识精度
相对差、电感磁链辨识精度高的特点，对参数辨识方法进行改进；
23.步骤三：基于永磁同步电机静止两相坐标轴下方程，运用性能观测性能优良的无微分扰动位置与转速观测器，实现转子位置、转速与转矩的观测。
24.步骤四：建立双环模型预测控制模型，搭建“辨识-观测-控制”的完整闭环控制系统。由以上本发明的技术方案可知，本发明的有益效果在于：
25.1)保留模型预测控制所具有的响应速度快的优点的同时，避免了参数失配对控制的影响，使整个控制系统具有很好的鲁棒性。
26.2)无微分扰动位置和转矩观测器具有优良的观测性能，在参数辨识实时修正的情况下，其观测的稳定性也大大提高。
27.3)在“辨识-观测-控制”的基础上，系统实现了全过程的无位置传感器控制，仅需要采集三相电流、电压信号，大大简化了控制系统的复杂度，提高了可靠性。
附图说明
28.图1为本发明的一种自动修正永磁同步电机参数偏移的无位置模型预测控制系统的结构示意图。
29.图2为“辨识-观测-控制”组间关系图。
30.图3为电流环模型预测算法流程图。
31.图4为无微分扰动位置观测器内部结构图。
32.图5为无微分扰动转矩观测器内部结构图。
33.图6为模型预测控制的结构框图。
具体实施方式
34.为了更好地了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
35.如图1结合图2、图3所示。根据本发明的较优实施例，一种永磁同步电机的控制方法，该方法在自动修正参数的同时，实现全过程无位置传感器模型预测控制。
36.参考图1所示，一种自动修正永磁同步电机参数偏移的无位置模型预测控制系统，包括：双环模型预测控制(i)、无微分扰动位置与转矩观测(ii)、参数辨识(iii)和永磁电机(14)。双环模型预测控制(i)包括：转速计算模块(01)、mpc速度环控制器(02)、mpc电流环控制器(03)、控制信号传导计算模块(04)、逆变器(05)、采样电路(06)、电流clark变换器(07)、电流park变换器(08)、电压clark变换器(09)；无微分扰动位置与转矩观测(ii)包括：、无微分扰动位置观测器(10)、无微分扰动转矩观测器(11)；参数辨识(iii)包括：电压clark变换器(12)、遗忘因子递推最小二乘法参数辨识器(13)。
37.(1)说明三大模块间的功能关系：
38.所述双环模型预测控制(i)为无微分扰动位置与转矩观测(ii)和参数辨识(iii)提供运行产生的电流电压信号；无微分扰动位置与转矩观测(ii)为双环模型预测控制(i)提供转速位置和转矩信息，为参数辨识(iii)提供转速位置信息；参数辨识(iii)为双环模型预测控制(i)和无微分扰动位置与转矩观测(ii)提供参数偏移修正。
39.(2)所述双环模型预测控制(i)具体的信号传递关系如下：
40.设定转子转速、转速计算模块(01)输出的估计转速、由无微分扰动转矩观测器
(11)输出的估计转矩和由遗忘因子递推最小二乘法参数辨识(13)输出的磁链参数修正，四个信号输入给mpc速度环控制器(02)，进而mpc速度环控制器(02)输出参考转矩电流。
41.参考转矩电流、d轴参考电流、由无微分扰动位置观测器(10)输出的位置信息、由遗忘因子递推最小二乘法参数辨识(13)输出的电阻电感磁链参数修正和来自电流park变换器(08)的dq轴电流信号，六个信号输入给mpc电流环控制器(03)，并结合控制信号传导计算模块(04)，进而输出给逆变器(06)六路控制信号来控制永磁电机(14)。
42.在逆变器(06)和永磁电机(14)之间装设的采样电路(06)，将三相静止坐标系下电流信号输入到电流clark变换器(07)，得到两相静止坐标系下电流信号，进而输入到电流park变换器(08)构成闭环。
43.(3)所述无微分扰动位置与转矩观测(ii)具体的信号传递关系如下：
44.由所述的采样电路(06)采集到的三相静止坐标系下电压信号经电压clark变换器(09)转换为两相静止坐标系下的电压信号、电流clark变换器(07)输出的两相静止坐标系下电流信号、由遗忘因子递推最小二乘法参数辨识(13)输出的电阻电感参数修正，五个信号输入到无微分扰动位置观测器(10)，进而输出估计转速和位置信号，其中估计位置信号提供给mpc电流环控制器(03)，估计转速信号分别输入到转速计算模块(01)、无微分扰动转矩观测器(11)和遗忘因子递推最小二乘法参数辨识(13)。
45.由所述的无微分扰动位置观测器(10)输出的估计转速信息、由遗忘因子递推最小二乘法参数辨识(13)输出的电阻电感磁链参数修正和来自电流park变换器(08)的dq轴电流信号，四个信号同时输入到无微分扰动转矩观测器(11)，进而输出估计转矩信号供mpc速度环控制器(02)使用。以上信号传递过程实现了电机的无位置模型预测控制。
46.(4)为完成整个控制系统的运行，需要对所述的双环模型预测控制(i)、无微分扰动位置与转矩观测(ii)、参数辨识(iii)和永磁电机(14)进行基础理论分析与模型搭建，同时按照相应设计好的模块间的功能和信号关系进行相应的连接，具体可分为四步：
47.步骤一：建立永磁同步电机在同步旋转框架内的电流和运动方程；
48.步骤二：针对带遗忘因子的递推最小二乘参数辨识运用过程中存在电阻辨识精度相对差、电感磁链辨识精度高的特点，对参数辨识方法进行改进；
49.步骤三：基于永磁同步电机静止两相坐标轴下方程，运用性能观测性能优良的无微分扰动位置与转速观测器，实现转子位置、转速与转矩的观测。
50.步骤四：建立双环模型预测控制模型，搭建“辨识-观测-控制”的完整闭环控制系统。
51.进一步地，步骤一具体包括以下步骤：
52.s11：永磁同步电机在同步旋转框架内的电流和运动方程可描述为：
[0053][0054][0055]
其中ud和uq是d轴和q轴定子电压，id和iq是d轴和q轴定子电流，ls和是d轴和q轴定子电感，rs是定子电阻，ωr为转子角速度。
[0056]
s12：永磁同步电机在同步旋转框架内的运动方程可描述为：
[0057][0058]
其中ωe是转子电气角速度，p是极对数，ψf是磁链，t
l
是负载转矩，b是粘性阻尼系数，j是惯性矩。
[0059]
进一步地，步骤二具体包括以下步骤：
[0060]
s21：最小二乘的遗忘因子递推辨识模块(13)的算法具体为：
[0061][0062][0063][0064]
其中：是第k个θ的估计值；k(k)是增益向量；p(k)是协方差矩阵；为信息向量。
[0065]
对应于永磁同步电机控制系统(i)来说
[0066]
y＝ωeid[0067][0068][0069]
式中令θ＝[a b c]，则可知三个参数ls、r和ψf的辨识结果如下所示。
[0070][0071]
式(9)代入带遗忘因子λ的方程中，可得：
[0072][0073]
s22：辨识参数的改进应用
[0074]
由于控制系统(i)采取的是双闭环矢量控制，且id＝0的矢量控制策略，暂时不考虑电流变化率对辨识稳定性所造成的影响，即整个辨识是建立在系统稳态下进行的。但当负载转矩突增时，转速突变，会产生大的电流变化率，进而造成电阻辨识的短暂性失稳，进而造成mpc控制系统的失稳。由于转矩的突变对磁链的辨识影响比较小，提出通过电阻、磁
链和温度三者之间的耦合关系，改进参数辨识的方法，使其在发生转矩波动时依然可以保持辨识的稳定性。
[0075]
永磁体室温下磁链值的计算式可由式表示，可得出永磁体剩余磁链随环境温度的变化呈线性变化趋势。
[0076]
ψf(t)＝ψ
f0
[1+α
br
(t-20)]
[0077]
其中，ψf(t)是温度t下永磁体的磁链值；ψ
f0
是20℃时永磁体的磁链值；α
br
是永磁体的磁链可逆温度系数，为-0.001℃-1
。
[0078]
spmsm定子绕组材料是铜线，铜的阻值与温度和铜的温度系数有关，铜的温度系数也随温度变化。永磁体室温下电阻值的计算式可由式表示，可得出永磁体电阻值随环境温度的变化呈线性变化趋势。
[0079][0080]
其中，rs(t)是温度t下永磁体的电阻值；r
s0
是20℃时永磁体的电阻值；是永磁体的电阻温度系数，为0.00393℃-1
。
[0081]
根据式(12)和(13)得到由磁链经温度耦合表示的电阻值：
[0082][0083]
进一步地，步骤三具体包括以下步骤：
[0084]
无微分扰动观测器的数学模型可以表示为
[0085][0086]
由数学模型可知，spmsm的电流状态方程在静止两相坐标轴下可以用以下公式表示
[0087][0088]iα
和i
β
指定子电流矢量，u
α
和u
β
指定子电压矢量，反电动势e
α
和e
β
是可以根据下面公式算出
[0089][0090]
s31：基于无微分扰动观测器模型搭建的反电动势观测器模型(10)可以由以下公式表示
[0091]
[0092][0093]
公式中，z＝[z
1 z2]
t
为代换变量，le是位置观测器的反电动势增益值，其取值为负数值。
[0094]
s32：基于无微分扰动观测器的负载转矩估计模型(11)可以由以下公式表示
[0095][0096]
其中，l
t
是负载转矩观测器增益。上面的无微分负载转矩观测器将用于步骤四中的速度环无差拍模型预测控制的设计。
[0097]
进一步地，步骤四具体包括以下步骤：
[0098]
s41：mpc速度环控制器(02)预测参考电流模型建立：
[0099][0100]
其中在一个采样时间内认为负载转矩是不变的，对应于负载转矩观测器(11)的观测值，ts是速度环的采样时间，是预测下一时刻的pmsm的转矩电流的参考值，是上一时刻的pmsm的转矩电流的参考值，ω
*
是pmsm的机械角速度的参考值，ωk对应于上一时刻位置观测器(10)观测得到的机械角转速。
[0101]
s42：mpc电流环控制器(03)实现流程与性能指标函数建立，如图3所示。其中，由逆变器的组成电路可知，共有八种开关状态，将两个零基本空间电压矢量视作是一种状态，也就是有七种开关状态。然后根据当前时刻得到的电机转子位置并通过离散化的永磁同步电机数学模型可以算出下一周期的基本电压空间矢量作用下的d-q轴预测电流id(k+1)、iq(k+1)，得到七个d轴预测电流值(id(k+1)，i)和七个q轴预测电流值(iq(k+1)，i)。控制流程图中的代价函数为：
[0102][0103]
其中(id(k+1)，i)是d轴预测电流值，(iq(k+1)，i)是q轴预测电流值。是设定的d轴电流参考值，是速度环控制器(02)提供的预测转矩参考电流。
[0104]
最后电流环控制器(03)得到的最优开关信号传递给控制信号传导计算模块(04)后，直接控制逆变器(05)，进而控制电机(14)。
[0105]
然本发明以已以较佳实例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更改与润。因此，本发明的保护范围当视权利要求书界定者为准。

技术特征：

1.一种自动修正永磁同步电机参数偏移的无位置模型预测控制系统，包括：双环模型预测控制(i)、无微分扰动位置与转矩观测(ii)、参数辨识(iii)和永磁电机(14)；双环模型预测控制(i)包括：转速计算模块(01)、mpc速度环控制器(02)、mpc电流环控制器(03)、控制信号传导计算模块(04)、逆变器(05)、采样电路(06)、电流clark变换器(07)、电流park变换器(08)、电压clark变换器(09)；无微分扰动位置与转矩观测(ii)包括：、无微分扰动位置观测器(10)、无微分扰动转矩观测器(11)；参数辨识(iii)包括：电压clark变换器(12)、遗忘因子递推最小二乘法参数辨识器(13)；双环模型预测控制(i)为无微分扰动位置与转矩观测(ii)和参数辨识(iii)提供运行产生的电流电压信号；无微分扰动位置与转矩观测(ii)为双环模型预测控制(i)提供转速位置和转矩信息，为参数辨识(iii)提供转速位置信息；参数辨识(iii)为双环模型预测控制(i)和无微分扰动位置与转矩观测(ii)提供参数偏移修正。2.如权利要求1所述的一种自动修正永磁同步电机参数偏移的无位置模型预测控制系统，其特征在于：设定转子转速、转速计算模块(01)输出的估计转速、由无微分扰动转矩观测器(11)输出的估计转矩和由遗忘因子递推最小二乘法参数辨识(13)输出的磁链参数修正，四个信号输入给mpc速度环控制器(02)，进而mpc速度环控制器(02)输出参考转矩电流；参考转矩电流、d轴参考电流、由无微分扰动位置观测器(10)输出的位置信息、由遗忘因子递推最小二乘法参数辨识(13)输出的电阻电感磁链参数修正和来自电流park变换器(08)的dq轴电流信号，六个信号输入给mpc电流环控制器(03)，并结合控制信号传导计算模块(04)，进而输出给逆变器(06)六路控制信号来控制永磁电机(14)；在逆变器(06)和永磁电机(14)之间装设的采样电路(06)，将三相静止坐标系下电流信号输入到电流clark变换器(07)，得到两相静止坐标系下电流信号，进而输入到电流park变换器(08)构成闭环。3.如权利要求1所述的一种自动修正永磁同步电机参数偏移的无位置模型预测控制系统，其特征在于：由采样电路(06)采集到的三相静止坐标系下电压信号经电压clark变换器(09)转换为两相静止坐标系下的电压信号、电流clark变换器(07)输出的两相静止坐标系下电流信号、由遗忘因子递推最小二乘法参数辨识(13)输出的电阻电感参数修正，五个信号输入到无微分扰动位置观测器(10)，进而输出估计转速和位置信号，其中估计位置信号提供给mpc电流环控制器(03)，估计转速信号分别输入到转速计算模块(01)、无微分扰动转矩观测器(11)和遗忘因子递推最小二乘法参数辨识(13)；由无微分扰动位置观测器(10)输出的估计转速信息、由遗忘因子递推最小二乘法参数辨识(13)输出的电阻电感磁链参数修正和来自电流park变换器(08)的dq轴电流信号，四个信号同时输入到无微分扰动转矩观测器(11)，进而输出估计转矩信号供mpc速度环控制器(02)使用。以上信号传递过程实现了电机的无位置模型预测控制。4.如权利要求1所述的一种自动修正永磁同步电机参数偏移的无位置模型预测控制系统，其特征在于：
采样电路(06)包含对电压采样和对电流采样；mpc速度环控制器(02)和mpc电流环控制器(03)采用的原理分别为无差拍模型预测控制原理和有限集模型预测控制原理，两种同属于模型预测的范畴但略有不同，其基本结构框图见附图6；转速计算模块(01)将电角速度转变为机械角速度；控制信号传导计算模块(04)将mpc电流控制器(03)输出的三路控制信号转变为六路控制信号，其中两两信号相反；电流clark坐标变换器(07)和电流clark坐标变换器(09)将电流和电压信号从三相静止坐标系转变为两相静止坐标系；电流park坐标变换器(08)将电流信号从两相静止坐标系转变为两相旋转坐标系。5.如权利要求1所述的一种自动修正永磁同步电机参数偏移的无位置模型预测控制系统，其特征在于：无微分扰动位置观测器(10)和无微分扰动转矩观测器(11)采用的是相同的原理，其在传统有微分扰动观测器数学方程的基础上，引入中间变量，使得新的方程无需计算状态变量(电流)的微分，降低了噪声对观测结果的影响，具体公式如下：

技术总结

本发明提供一种自动修正永磁同步电机参数偏移的无位置模型预测控制系统，该系统包括由速度环无差拍模型预测控制和电流环有限集模型预测控制构成的双环模型预测控制系统；基于改进型无微分扰动观测原理构建的位置与负载转矩观测器；参数辨识通过基于遗忘因子递推最小二乘法模型来实现。本发明可以实现永磁同步电机的无位置模型预测控制，并且当参数发生参数偏移时，通过辨识环矫正，实现电机的精确控制。方案考虑了实时参数变化对模型预测控制器与位置观测器的影响，保证了整个系统的平稳与鲁棒运行。与鲁棒运行。与鲁棒运行。