本公开涉及永磁同步电机转速和电流控制技术领域，特别涉及一种基于模型预测控制的永磁同步电机非级联控制方法及系统。
背景技术：
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
永磁同步电机作为一类典型的复杂非线性系统，具有高阶、多变量、强耦合等特点，矢量控制策略通常用于永磁同步电机转速控制中，并采用转速环和电流环级联的系统结构。同时，由于比例-积分(pi)控制具有方法简单、可靠性强等优点，常用于永磁同步电机转速环和电流环控制中。
但是，本公开发明人发现，随着永磁同步电机应用的进一步拓展，目前已应用于电动汽车、机器人、航空航天等领域，这对电机控制系统的性能提出了更高的要求，如高动态性、低谐波、强鲁棒性等。另外，受电机参数时变和外部负载扰动等因素的影响，容易造成pi控制方法的性能下降，因此，传统的pi控制方法已不能满足一些场合对电机系统性能的要求。模型预测控制方法因具有动态性能好，能有效处理约束等优点，近年来已被广泛应用于电力电子和电机控制等领域。在目前针对永磁同步电机的研究中，大多将模型预测控制方法用于电机转速环或电流环的控制中，取代pi控制方法，系统仍采用级联控制结构。这种结构存在的问题是转速和电流单独控制，系统不能作为一个整体来控制，其动态性能必将受到级联回路带宽的限制。
技术实现要素：
为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种基于模型预测控制的永磁同步电机非级联控制方法及系统，基于模型预测控制方法设计永磁同步电机转速电流整体控制器，采用单环控制结构，替代了传统转速环和电流环的级联控制，实现了电机转速在面临参数和负载扰动等复杂工作环境下的快速跟踪控制。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
本公开第一方面提供了一种基于模型预测控制的永磁同步电机非级联控制方法。
一种基于模型预测控制的永磁同步电机非级联控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取永磁同步电机在同步旋转坐标系下的d轴电流、q轴电流以及实际运行中的转子机械角速度；
将获取的永磁同步电机的转子机械角速度、d轴电流和q轴电流输入到扰动观测器，得到扰动量；
将给定的电机转速参考值、给定d轴电流、电机的转速、d轴电流、q轴电流和扰动量输入到预测控制器模块，得到d轴电压和q轴电压，用于永磁同步电机的控制。
本公开第二方面提供了一种基于模型预测控制的永磁同步电机非级联控制系统。
一种基于模型预测控制的永磁同步电机非级联控制系统，包括：
数据采集模块，被配置为：获取永磁同步电机在同步旋转坐标系下的d轴电流、q轴电流以及实际运行中的转子机械角速度；
扰动量计算模块，被配置为：将获取的永磁同步电机的转子机械角速度、d轴电流和q轴电流输入到扰动观测器，得到扰动量；
预测控制模块，被配置为：将给定的电机转速参考值、给定d轴电流、电机的转速、d轴电流、q轴电流和扰动量输入到预测控制器模块，得到d轴电压和q轴电压，用于永磁同步电机的控制。
本公开第三方面提供了一种介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开第一方面所述的基于模型预测控制的永磁同步电机非级联控制方法中的步骤。
本公开第四方面提供了一种电子设备，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程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开第一方面所述的基于模型预测控制的永磁同步电机非级联控制方法中的步骤。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
本公开所述的方法、系统、介质及电子设备，针对永磁同步电机驱动系统，采用模型预测控制和扰动观测器设计了一种新的永磁同步电机转速单环控制器，替代了传统电机驱动系统中的比例-积分(pi)控制器，并采用转速-电流非级联控制方式替代控制器中转速环和电流环级联的控制结构，实现了电机转速的快速跟踪控制，且具有较强的抗扰动性能，为工程实现提供了有效途径。
本公开所述的方法、系统、介质及电子设备，为了实现永磁同步电机的快速动态响应，基于模型预测控制方法设计了永磁同步电机非级联单环速度控制器，可实现电机转速的快速跟踪控制。
本公开所述的方法、系统、介质及电子设备，所设计的控制器能够实现对系统扰动的有效估计，可降低电机参数变化和负载转矩等对系统性能影响，提高系统的抗扰动性能。
本公开所述的方法、系统、介质及电子设备，所设计的控制器采用转速-电流非级联控制结构，相比传统控制器，减少了一个控制环，设计较为简单，控制器参数更容易调节，便于在实际系统中的应用。
附图说明
图1为本公开实施例1提供的基于模型预测控制的永磁同步电机非级联控制方法的框图。
图2a为本公开实施例1提供的给定参考转速n＝200r/min时，电机起动过程中的转速跟踪曲线与对比。
图2b为本公开实施例1提供的给定参考转速n＝800r/min时，电机起动过程中的转速跟踪曲线与对比。
图3a为本公开实施例1提供的给定参考转速n＝200r/min，负载转矩突变时的转速响应曲线与对比。
图3b为本公开实施例1提供的给定参考转速n＝800r/min，负载转矩突变时的转速响应曲线与对比。
图4a为本公开实施例1提供的电机运行过程中，转动惯量变大时的转速响应曲线。
图4b为本公开实施例1提供的电机运行过程中，转动惯量变小时的转速响应曲线。
图5a为本公开实施例1提供的电机运行过程中，电感变大时的转速响应曲线。
图5b为本公开实施例1提供的电机运行过程中，电感变小时的转速响应曲线。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1：
本公开实施例1提供了一种基于模型预测控制的永磁同步电机非级联控制方法，首先建立考虑系统扰动量的永磁同步电机在d-q轴同步旋转坐标系下的数学模型，取采样时间ts并将其离散化。
然后建立包括电机转速、d-q轴电流、转速误差和电流误差等状态变量的永磁同步电机离散化状态空间模型，根据模型预测控制原理，通过定义成本函数，得到电机转速和电流单环速度控制器，与传统方法比，该控制器采用非级联控制结构。但该控制器中含有q轴电流的期望值，且存在参数变化等对系统的影响，为此设计了扰动观测器，完成了对q轴电流期望值的估计和对电机参数等扰动量的有效补偿，最终实现了电机转速的快速动态响应和强鲁棒性控制。
具体如图1所示，包括以下步骤：
(1)首先获取检测到的所述永磁同步电动机的定子电流ia，ib经过clark变换模型得到在两相静止坐标系下的定子电流iα和iβ，然后再经过park模块转化为电机在同步旋转坐标系下的d-q轴电流id和iq；
(2)通过转速/位置传感器模块检测电机运行过程中的转速和位置信息，进而得到电机实际运行中的转子机械角速度ω和转子位置θ；
(3)将电机的转子机械角速度ω，d-q轴电流id和iq输入到扰动观测器模块，得到系统的扰动量fd，fq和fw；
(4)将给定的电机转速参考值ω*，给定d轴电流
(5)将ud和uq经过park逆变换模块生成两相静止坐标系下的两相控制电压uα和uβ；
(6)根据svpwm调制模块生成pwm调制波控制三相全桥逆变器开关器件，输出三相电压ua，ub和uc，进而控制所述永磁同步电机的运行。
详细步骤如下：
首先根据磁场定向原理，建立永磁同步电机在d-q轴同步旋转坐标系下的数学模型为
其中，id，iq和ud，uq分别表示d-q轴坐标系下的定子电流和电压，ld和lq表示d轴电感和q轴电感，rs表示定子电阻，np表示极对数，ω表示电机转子机械角速度，φ表示转子磁链，j表示转动惯量，b表示阻尼系数，fd，fq和fw表示由系统参数变化和负载转矩产生的扰动量，可表示为：
其中，δrs＝rst-rs，δld＝ldt-ld，δlq＝lqt-lq，δφ＝φt-φ，δj＝jt-j，δb＝bt-b，τl表示负载转矩，rst，ldt，lqt，φt，jt和bt表示电机在运行中的实际参数值。
对于表面式永磁同步电机，ld和lq的差值通常很小，假设ld≈lq＝l，定义ud1＝ud fd，uq1＝uq fq，那么模型(1)可表示为：
取采样时间为ts，将式(3)离散化可得
在实际系统中，一个采样时间内系统的扰动量变化较慢，即假设δfw(k)≈0。另外，系统的机械动态比电磁动态慢的多，且ts很小，因此可认为转速在一个采样周期内为常数，即
其中，δid(k 1)＝id(k 1)-id(k)，δiq(k 1)＝iq(k 1)-iq(k)，δω(k 1)＝ω(k 1)-ω(k)，δid(k)＝id(k)-id(k-1)，δiq(k)＝iq(k)-iq(k-1)，δω(k)＝ω(k)-ω(k-1)，δud1(k)＝ud1(k)-ud1(k-1)，δuq1(k)＝uq1(k)-uq1(k-1)。
由式(6)得：
进而：
定义系统状态变量x(k)＝[δid(k)δiq(k)δω(k 1)id(k)iq(k)ω(k)]t，输入变量u(k)＝[ud1(k)uq1(k)]t，输出变量为y(k)＝[id(k)iq(k)ω(k)]t。由式(6)(7)(8)可得离散化的系统状态空间模型为：
其中，
定义系统的预测时域和控制时域分别为np和nc。根据预测控制的原理，当i>nc-1时，u(k i)是相同的值(i＝0,1,…,np-1；nc＝1)，即在一个预测时域内把k时刻的控制输入作为这一个预测时域内的控制输入，表示为：
u(k)＝u(k 1)＝…＝u(k np-1)(10)
根据式(10)，则有δu(k 1)＝δu(k 2)＝…＝δu(k np-1)＝0。
进一步可得：
定义：
y＝fx(k) ψδu(k)(12)
令
其中，
根据δud1(k)＝ud1(k)-ud1(k-1)，δuq1(k)＝uq1(k)-uq1(k-1)，且δu(k)＝[δud1(k)δuq1(k)]，进而可计算可到ud1(k)和uq1(k)，可得永磁同步电机非级联预测控制器为：
ud(k)＝ud1(k)-fd(k)，uq(k)＝uq1(k)-fq(k)(14)
由式(14)得到的控制器包含参考变量r(k)，本实施例的目的是实现转速跟踪控制，因此ω*可直接给定，本实施例中采用
由于步骤2设计的控制器中含有q轴电流的期望值，且存在由参数变化带来的扰动量，为此设计扰动观测器。
根据永磁同步电机的数学模型(1)可推导得：
其中，
进而可设计系统的扰动观测器为：
其中，
由式(13)、(14)、(16)可得最终的永磁同步电机非级联模型预测速度控制器，实现电机转速的快速跟踪控制。
最后通过北京灵思创奇公司提供的links-rt永磁同步电机驱动控制平台，对基于模型预测控制的永磁同步电机非级联控制方法进行实验，验证所提出的控制方法在永磁同步电机控制系统中的可行性，结果如图2a-图5b所示。
分别给定电机参考转速200r/min和800r/min，采用本实施例所提出的基于模型预测控制的永磁同步电机非级联控制方法(mpc ndo)设计转速单环控制器，并与传统的基于pi控制的永磁同步电机转速控制方法对比，图2a为给定参考转速n＝200r/min时，电机起动过程中的转速跟踪曲线与对比，图2b为给定参考转速n＝800r/min时，电机起动过程中的转速跟踪曲线与对比。从图中看出，电机起动时，与采用pi控制方法相比，采用本实施例所设计的非级联控制器时，电机转速响应更快，超调量更小，具有更好的起动性能。
图3a和图3b为电机稳定运行在200r/min和800r/min时，在t＝10s时，给电机突加3.5n·m的负载转矩，在t＝15s时，给电机突降3.5n·m的负载转矩。图3a为给定参考转速n＝200r/min，负载转矩突变时的转速响应曲线与对比，图3b为给定参考转速n＝800r/min，负载转矩突变时的转速响应曲线与对比。在转矩突变时，与pi相比，本实施例设计的控制器转速动态跌落更小，而且能快速的恢复到给定转速，具有更好的鲁棒性。
图4a和图4b为给定电机参考转速600r/min，转动惯量变化时的转速和电流响应曲线，具体实施为在t＝5s时，将电机控制器中转动惯量分别增大50％和减小50％，图4a为电机运行过程中，转动惯量变大时的转速响应曲线，图4b为电机运行过程中，转动惯量变小时的转速响应曲线。
图5a和图5b为给定电机参考转速600r/min，电感变化时的转速和电流响应曲线，具体实施为在t＝5s时，将电机控制器中电感参数分别增大90％和减小90％，图5a为电机运行过程中，电感变大时的转速响应曲线，图5b为电机运行过程中，电感变小时的转速响应曲线。
从图4a、图4b、图5a和图5b可以看出，电机参数变化后，系统仍能够实现电机转速的快速跟踪控制，结果表明，本实施例所设计控制器对系统参数变化具有较强的抗扰动能力，可使得电机驱动系统在复杂环境下保持较好的转速跟踪性能。
实施例2：
本公开实施例2提供了一种基于模型预测控制的永磁同步电机非级联控制系统，包括：
数据采集模块，被配置为：获取永磁同步电机在同步旋转坐标系下的d轴电流、q轴电流以及实际运行中的转速；
扰动量计算模块，被配置为：将获取的永磁同步电机的转速、d轴电流和q轴电流输入到扰动观测器，得到扰动量；
预测控制模块，被配置为：将给定的电机转速参考值、给定d轴电流、电机的转速、d轴电流、q轴电流和扰动量输入到预测控制器模块，得到d轴电压和q轴电压，用于永磁同步电机的控制。
所述控制系统的工作方法与实施例1中介绍的基于模型预测控制的永磁同步电机非级联控制方法相同，这里不再赘述。
实施例3：
本公开实施例3提供了一种介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开实施例1所述的基于模型预测控制的永磁同步电机非级联控制方法中的步骤。
实施例4：
本公开实施例4提供了一种电子设备，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程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开实施例1所述的基于模型预测控制的永磁同步电机非级联控制方法中的步骤。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。
1.一种基于模型预测控制的永磁同步电机非级联控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取永磁同步电机在同步旋转坐标系下的d轴电流、q轴电流以及实际运行中的转速；
将获取的永磁同步电机的转速、d轴电流和q轴电流输入到扰动观测器，得到扰动量；
将给定的电机转速参考值、给定d轴电流、电机的转速、d轴电流、q轴电流和扰动量输入到预测控制器模块，得到d轴电压和q轴电压，用于永磁同步电机的控制。
2.如权利要求1所述的基于模型预测控制的永磁同步电机非级联控制方法，其特征在于，获取永磁同步电机在同步旋转坐标系下的d轴电流和q轴电流，具体为：
获取检测到的永磁同步电动机的定子电流，经过clark变换模型得到在两相静止坐标系下的定子电流，然后再经过park模块转化为电机在同步旋转坐标系下的d轴电流和q轴电流。
3.如权利要求1所述的基于模型预测控制的永磁同步电机非级联控制方法，其特征在于，得到d轴电压和q轴电压后，将d轴电压和q轴电压经过park逆变换模块生成两相静止坐标系下的两相控制电压；
根据svpwm调制模块生成pwm调制波控制三相全桥逆变器开关器件，输出三相电压，进而控制所述永磁同步电机的运行。
4.如权利要求1所述的基于模型预测控制的永磁同步电机非级联控制方法，其特征在于，所述预测控制器的构建方式，具体为：
按转子磁链定向原理，得到永磁同步电机在d-q轴同步旋转坐标系下的电磁方程和运动方程，并将其离散化；
然后建立包括电机转速、d轴电流、q轴电流、转速误差和电流误差的状态空间模型；
采用
5.如权利要求4所述的基于模型预测控制的永磁同步电机非级联控制方法，其特征在于，所述预测控制器，具体为：
ud(k)＝ud1(k)-fd(k)
uq(k)＝uq1(k)-fq(k)
其，ud1(k)和uq1(k)为定义的系统的输入变量，fd(k)和fq(k)表示由系统参数变化和负载转矩产生的扰动量。
6.如权利要求4所述的基于模型预测控制的永磁同步电机非级联控制方法，其特征在于，采用
得到预测控制器的参考变量为：
其中，b预设系数，np表示极对数，ω表示电机转速，φ表示转子磁链，fw表示由系统参数变化和负载转矩产生的扰动量。
7.如权利要求1所述的基于模型预测控制的永磁同步电机非级联控制方法，其特征在于，所述扰动观测器，具体为：
其中，
8.一种基于模型预测控制的永磁同步电机非级联控制系统，其特征在于，包括：
数据采集模块，被配置为：获取永磁同步电机在同步旋转坐标系下的d轴电流、q轴电流以及实际运行中的转速；
扰动量计算模块，被配置为：将获取的永磁同步电机的转速、d轴电流和q轴电流输入到扰动观测器，得到扰动量；
预测控制模块，被配置为：将给定的电机转速参考值、给定d轴电流、电机的转速、d轴电流、q轴电流和扰动量输入到预测控制器模块，得到d轴电压和q轴电压，用于永磁同步电机的控制。
9.一种介质，其上存储有程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任一项所述的基于模型预测控制的永磁同步电机非级联控制方法中的步骤。
10.一种电子设备，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程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-7任一项所述的基于模型预测控制的永磁同步电机非级联控制方法中的步骤。
技术总结