PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的無(wú)模型電流預(yù)測(cè)控制

李宏韜，李紅梅

(合肥工業(yè)大學(xué)，合肥 230009)

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PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的無(wú)模型電流預(yù)測(cè)控制

李宏韜，李紅梅

(合肥工業(yè)大學(xué)，合肥 230009)

對(duì)于電動(dòng)汽車PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)而言，復(fù)雜多變的負(fù)載工況和運(yùn)行溫度使電機(jī)參數(shù)存在較大的不確定性，直接影響基于模型的PMSM電流預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)性能。論文創(chuàng)新性地將無(wú)模型控制和預(yù)測(cè)控制相結(jié)合，基于系統(tǒng)的輸入和輸出數(shù)據(jù)建立PMSM超局部模型，再設(shè)計(jì)PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的無(wú)模型電流預(yù)測(cè)控制器，架構(gòu)無(wú)模型電流預(yù)測(cè)控制的PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。最后，通過(guò)系統(tǒng)建模和仿真研究，評(píng)價(jià)所建議的PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)性能及其對(duì)參數(shù)變化的魯棒性并給出結(jié)論。

PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；參數(shù)不確定性；超局部模型；電流預(yù)測(cè)控制；魯棒性

0 引 言

永磁同步電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱PMSM)具有效率高、可靠性強(qiáng)、功率密度大和體積小等優(yōu)點(diǎn)，使其特別適合作為電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，而其驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高效安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)。對(duì)于電動(dòng)汽車PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，在要求系統(tǒng)高效運(yùn)行的同時(shí)，也要求其具有快速性、穩(wěn)態(tài)控制精度及抗參數(shù)變化的魯棒性[1]，提升電動(dòng)汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和平順性。

電流預(yù)測(cè)控制具有預(yù)見(jiàn)性和目的性、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)和易實(shí)現(xiàn)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在理論上能夠?qū)崿F(xiàn)零電流誤差控制，尤其適用于對(duì)電流控制器有高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的系統(tǒng)，因此電流預(yù)測(cè)控制是PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)理想的控制方法之一[2]。但是，因運(yùn)行溫度和不同運(yùn)行工況的影響，PMSM電樞電阻將會(huì)出現(xiàn)高達(dá)40%的變化；由于鐵磁材料的磁導(dǎo)率隨溫度變化，磁路飽和程度呈現(xiàn)非線性特性，定子電感也會(huì)在較大范圍內(nèi)變化，永磁體磁鏈可能會(huì)出現(xiàn)高達(dá)20%的變化，使電機(jī)參數(shù)存在較大的不確定性[3]。而傳統(tǒng)的電流預(yù)測(cè)控制依賴于系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，一旦受控電機(jī)存在較大的參數(shù)不確定性，勢(shì)必直接影響基于電流預(yù)測(cè)控制的PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能。為此，學(xué)者們一直致力于解決該問(wèn)題并已經(jīng)提出了各種可供借鑒的改進(jìn)方法。

文獻(xiàn)[4]僅針對(duì)變化的PMSM電感參數(shù)提出了魯棒電流預(yù)測(cè)控制，其實(shí)現(xiàn)思路是將定子電流預(yù)測(cè)公式中的定子實(shí)測(cè)電流修改為定子預(yù)測(cè)電流與定子實(shí)測(cè)電流的加權(quán)求和，實(shí)現(xiàn)大范圍電感參數(shù)變化條件下的PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。文獻(xiàn)[5]在價(jià)值函數(shù)設(shè)定中引入定子電流控制誤差，消除PMSM由于參數(shù)不確定性引起的模型誤差而產(chǎn)生的定子電流靜態(tài)誤差，但卻無(wú)法兼顧系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的提升。文獻(xiàn)[6]則是通過(guò)化簡(jiǎn)獲得只與電機(jī)電感參數(shù)相關(guān)的定子電流預(yù)測(cè)公式，再基于模型參考自適應(yīng)在線辨識(shí)出電機(jī)電感參數(shù)，提升PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)電感參數(shù)變化的魯棒性。但是，由于公式簡(jiǎn)化過(guò)程中忽略了相鄰兩個(gè)采樣周期電機(jī)轉(zhuǎn)速、磁鏈和定子電阻的變化，不可避免地存在控制誤差。文獻(xiàn)[7-8]采用了自抗擾控制，基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的設(shè)計(jì)補(bǔ)償PMSM參數(shù)不確定性引起的模型誤差，然而該方法主要存在所需整定的參數(shù)眾多且其參數(shù)整定多依賴于設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)不足。文獻(xiàn)[9]提出了基于無(wú)模型的PMSM電流預(yù)測(cè)控制，該控制方法只需測(cè)量定子電流并計(jì)算出它們?cè)谙噜徶芷诘牟钪担哂兴惴ê?jiǎn)單和不依賴于電機(jī)參數(shù)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但主要存在對(duì)采樣頻率和電流檢測(cè)精度均要求過(guò)高的不足。

Michel Fliess提出的無(wú)模型控制(以下簡(jiǎn)稱MFC)[10]是基于系統(tǒng)的輸入和輸出數(shù)據(jù)建立超局部模型，再基于超局部模型進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)非線性系統(tǒng)的實(shí)時(shí)高性能控制。

為了提升PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)控制精度，同時(shí)兼顧提升系統(tǒng)對(duì)電機(jī)參數(shù)變化的魯棒性，論文創(chuàng)新性地將無(wú)模型控制與電流預(yù)測(cè)控制相結(jié)合，首先建立PMSM超局部模型，再基于PMSM超局部模型設(shè)計(jì)d，q軸定子電流無(wú)模型預(yù)測(cè)控制器，架構(gòu)基于d，q軸定子電流無(wú)模型預(yù)測(cè)控制器的PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)系統(tǒng)仿真研究證實(shí)所提出的基于無(wú)模型PMSM電流預(yù)測(cè)控制方案的可行性和有效性，并通過(guò)與傳統(tǒng)的基于模型的PMSM電流預(yù)測(cè)控制方案的對(duì)比研究證實(shí)建議方案的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

1 基于模型的PMSM電流預(yù)測(cè)控制

1.1 PMSM 數(shù)學(xué)模型

同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的PMSM定子電壓方程可表示[11]：

(1)

式中：ud,uq分別表示定子d，q軸電壓；id,iq分別表示定子d，q軸電流；Ld,Lq為定子d，q軸電感；R為定子電阻；ψf表示永磁體磁鏈；ω代表轉(zhuǎn)子電角速度。

1.2 基于模型的PMSM 電流預(yù)測(cè)控制

使用一階歐拉法將式(1)離散化，獲得基于模型的PMSM電流預(yù)測(cè)控制表達(dá)式：

(2)

基于模型的電流預(yù)測(cè)控制器如圖1所示，其價(jià)值函數(shù)計(jì)算式：

(3)

圖1 基于模型的電流預(yù)測(cè)控制器

基于模型的PMSM電流預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)如圖2所示，該系統(tǒng)基于輸入的定子d,q軸指令電流和k時(shí)刻的實(shí)測(cè)定子d,q軸電流，根據(jù)式(2)計(jì)算k+1時(shí)刻的定子d,q軸預(yù)測(cè)電流，再計(jì)算價(jià)值函數(shù)并輸出使價(jià)值函數(shù)取最小值的逆變器開關(guān)信號(hào)控制逆變器輸出，實(shí)現(xiàn)PMSM控制。

圖2 基于模型的PMSM電流預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)

2 PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的無(wú)模型電流預(yù)測(cè)控制

基于PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸入和輸出數(shù)據(jù)，建立PMSM超局部模型，其表達(dá)式：

(4)

式中：αd，αq分別表示PMSM定子d，q軸電壓系數(shù)；Fd，F(xiàn)q包含了系統(tǒng)已知部分、未建模動(dòng)態(tài)和參數(shù)不確定性等未知部分。

將(4)式離散化，可獲得無(wú)模型電流預(yù)測(cè)控制的PMSM定子預(yù)測(cè)電流表達(dá)式：

(5)

(6)

3 系統(tǒng)建模與仿真

建議的無(wú)模型電流預(yù)測(cè)控制PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖3所示，其中無(wú)模型電流預(yù)測(cè)控制器如圖4所示。為了驗(yàn)證建議的PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制方案的有效性，將其與基于模型的PMSM電流預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)進(jìn)行性能對(duì)比研究。受控PMSM標(biāo)稱參數(shù)如表1所示，無(wú)模型預(yù)測(cè)控制器參數(shù)為αd=αq=650。

為了表征PMSM存在的參數(shù)不確定性，與標(biāo)稱參數(shù)相比，將永磁體基波磁鏈設(shè)置減小20%，定子電感減小30%，定子電阻減小20%，則有ψf=0.021 6Wb,L=0.7mH，R=0.076 6Ω。PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

圖3 無(wú)模型電流預(yù)測(cè)控制PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

圖4 無(wú)模型電流預(yù)測(cè)控制器

參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值額定轉(zhuǎn)矩Tn/(N·m)13q軸電感Lq/H1極對(duì)數(shù)12永磁體磁鏈ψpm/Wb0．027定子電阻Rr/Ω0．0957直流側(cè)電壓Udc/V48d軸電感Ld/H1額定電流In/A19

(a)標(biāo)稱參數(shù)下定子d，q軸電流動(dòng)態(tài)(b)參數(shù)變化時(shí)的定子d，q軸電流動(dòng)態(tài)

圖5 無(wú)模型電流預(yù)測(cè)控制PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的定子電流動(dòng)態(tài)

(a)標(biāo)稱參數(shù)時(shí)下定子d，q軸電流動(dòng)態(tài)(b)參數(shù)變化時(shí)的定子d，q軸電流動(dòng)態(tài)

圖6 基于模型的電流預(yù)測(cè)控制PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的定子電流動(dòng)態(tài)

4 結(jié) 語(yǔ)

鑒于電動(dòng)汽車PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行在復(fù)雜多變的運(yùn)行工況下，其PMSM存在的參數(shù)不確定性直接影響PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制性能。為此，論文創(chuàng)新性地將無(wú)模型控制與電流預(yù)測(cè)控制相結(jié)合，建立PMSM系統(tǒng)超局部模型，再基于PMSM超局部模型設(shè)計(jì)d，q軸定子電流無(wú)模型預(yù)測(cè)控制器，且架構(gòu)了基于d，q軸定子電流無(wú)模型預(yù)測(cè)控制器的PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。通過(guò)系統(tǒng)建模和仿真研究證實(shí)了建議的PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有不依賴于PMSM參數(shù)且兼具動(dòng)態(tài)性能好和穩(wěn)態(tài)控制精度高的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可望直接推廣應(yīng)用于電動(dòng)汽車PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其實(shí)時(shí)高性能控制。

[1] RAMAKRISHNAN R,ISLAM R,ISLAM M,et al.Real time estimation of parameters for controlling and monitoring permanent magnet synchronous motors[C]//IEEE International Electric Machines and Drives Conference.IEEE,2009:1194-1199.

[2] 洪俊杰,陳思哲,郭壯志,等.基于電流預(yù)測(cè)控制的電動(dòng)汽車用 PMSM 控制器設(shè)計(jì)[J].微特電機(jī),2015,43(8):99-102.

[3] RAMAKRISHNAN R,ISLAM R,ISLAM M,et al.Real time estimation of parameters for controlling and monitoring permanent magnet synchronous motors[C]//IEEE International Electric Machines and Drives Conference.IEEE,2009:1194-1199.

[4] 牛里,楊明,劉可述,等.永磁同步電機(jī)電流預(yù)測(cè)控制算法[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2012,32(6):131-137.

[5] MATSUTANI S,ZANMA T,SUMIYOSHI Y,et al.Optimal control of PMSMs using model predictive control with integrator[C]//ICCAS-SICE.IEEE,2009: 4847-4852.

[6] WANG Weihua,XIAO Xi.Adaptive incremental predictive control method for current of PMSM based on online identification of inductance[J].Electric Machines & Control,2014,18(2):75-82.

[7] WU Xuan,WANG Hui,HUANG Sheng,et al.Research on the recursive model predictive control algorithm of PMSM[C]//Transportation Electrification Asia-Pacific (ITEC Asia-Pacific),2014 IEEE Conference and Expo.IEEE,2014:1-6.

[8] LI Qiong,QIANG Xu,WU Ren.An improved predictive current method for permanent magnet synchronous motors[C]//Transportation Electrification Asia-Pacific (ITEC Asia-Pacific),2014 IEEE Conference and Expo.IEEE,2014:1-6.

[9] LIN C K,LIU T H,YU J T,et al.Model-free predictive current control for interior permanent-magnet synchronous motor drives based on current difference detection technique[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2014,61(2):667-681.

[10] FLIESS M,JOIN C.Model-free control[J].International Journal of Control,2013，86(12):2228-2252.

[11] 王偉華,肖曦,丁有爽.永磁同步電機(jī)改進(jìn)電流預(yù)測(cè)控制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2013,28(3):50-55.

Model-Free Current Predictive Control of PMSM Drive System

LI Hong-tao, LI Hong-mei

(Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)

For PMSM drive system in electrical vehicles (EVs), complex and changeable load conditions and operating temperature lead to the existence of large PMSM parameter uncertainty, which will directly affect the performance of conventional model-based current predictive controlled PMSM drive system. Therefore, a novel control method combining the model-free control and predictive control is proposed in this paper, the ultra-local model is firstly set up by only using the input and output data of PMSM drive system, then, a model-free current predictive controller is designed, and then, the model-free current predictive controlled PMSM drive system is architected. Finally, via the system modeling and numerical simulation, the dynamic and static performance and robustness against parameter variations for proposed PMSM drive system are tested and analyzed and the some conclusions are shown.

PMSM drive system; parameter uncertainty; ultra-local model; current predictive control; robustness

2016-01-19

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51377041)

TM351;TM341

A

1004-7018(2016)10-0050-04

李宏韜(1992-),男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姍C(jī)控制。