永磁同步电机单电流传感器预测控制方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010296703.9 (22)申请日 2020.04.15 (71)申请人 北京理工大学 地址 100081 北京市海淀区中关村南大街5 号 (72)发明人 张硕赵明威张承宁李雪萍 董岳林 (74)专利代理机构 北京市诚辉律师事务所 11430 代理人 范盈 (51)Int.Cl. H02P 21/18(2016.01) H02P 21/13(2006.01) H02P 21/22(2016.01) (54)发明名称 一种永磁同步电机单电流传感器预测控制 方法 (57)摘。

2、要 本发明提供了一种永磁同步电机单电流传 感器预测控制方法， 采用了扩张观测器， 其扩张 状态量可以实时跟随电压扰动而变化， 且扩张状 态观测器的算法只需要输入转子电角速度、 转子 位置、 定子电压以及a相电子电流， 即可实现对电 机三相电流完整信息的重构， 扩张状态观测器所 需信息都很容易获得、 结构简单、 运算量小。 权利要求书2页 说明书5页 附图2页 CN 111478636 A 2020.07.31 CN 111478636 A 1.一种永磁同步电机单电流传感器预测控制方法， 其特征在于： 具体包括以下步骤： 步骤一、 在线实时采集永磁同步电机的a相电流、 转速、 转子位置角； 步骤。

3、二、 在 - 坐标系下， 以步骤一中采集到的a相电流、 转速、 转子位置角作为输入量， 基于扩张状态观测器算法的相电流重构方程， 实时更新计算 - 坐标系下的 轴、 轴电流并 输出， 实现abc三相电流的重构， 再将所述 轴、 轴电流经过Park变换得到d-q坐标系下的d、 q轴电流； 步骤三、 建立无差拍电流预测控制模型， 利用所述步骤一中采集的电机转速、 转子位置 角以及所述步骤二中得到的电流参数实时计算出下一时刻的参考电压； 利用所计算的参考 电压进行SVPWM控制。 2.如权利要求1所述的方法， 其特征在于： 所述扩张状态观测器算法的相电流重构方 程， 具体采用以下公式： 其中， i、。

4、 i为 - 坐标系下定子电流； u、 u为 - 坐标系下定子电压； f、 f分别为 轴、 轴电压的未知扰动量；r为转子磁链； Rs为定子电阻； Ls为定子电感； e为转子的电角速度； 为转子位置角；分别为 轴、 轴电流的观测值， 为 轴观测电流与实际电流的i 差值， f、 f分别为 、 轴电压的未知扰动量，分别为f、 f的导数， 1、 2、 、 为fal 函数的可调节参数， 用于实现所需的非光滑反馈， 01、 02、 03、 04均为可调节的参数， 根据不 同的电机参数选取控制效果最优值； 通过上述公式可得到 - 坐标系下电流观测值取电流观测值为扩张状态观 测器的输出电流值； 扩张状态观测器方。

5、程中的fal函数为： 其中， 为可调节参数。 3.如权利要求2所述的方法， 其特征在于： 所述步骤三中利用无差拍电流预测控制模型 得到下一时刻的参考电压， 具体包括： 权利要求书 1/2 页 2 CN 111478636 A 2 式中， ud(k)、 uq(k)为当前时刻定子电压； ud(k+1)、 uq(k+1)为下一时刻参考电压； Ts为控 制周期； iqref为q轴参考电流；r为转子磁链。 权利要求书 2/2 页 3 CN 111478636 A 3 一种永磁同步电机单电流传感器预测控制方法 技术领域 0001 本发明涉及永磁同步电机控制技术领域， 尤其涉及永磁同步电机只有一个相电流 传。

6、感器的单电流传感器控制。 背景技术 0002 在永磁同步电机的控制过程中， 获取电机的三相电流、 电机的转子位置、 转子转速 对得到相应的控制量至关重要。 常规的永磁同步电机驱动系统至少需要一个位置传感器和 两个电流传感器， 但是多个传感器的使用不仅会使电机的结构变得复杂、 电机驱动系统的 可靠性下降， 而且可能会由于各个传感器之间的测量误差导致电机驱动系统控制精度下 降。 通过适当减少物理传感器的数量， 可以显著提高电机控制系统的控制性能， 现有技术中 在永磁同步电机无位置传感器控制方面已有诸多成果， 基本可以实现中高速条件下的电机 控制要求。 然而， 在电机低速条件下， 无位置传感器控制系。

7、统则很难精准的控制电机的速 度。 为克服这种缺点， 部分现有技术在不违背减少物理传感器数量的前提下， 利用了单电流 传感器的方式来进行永磁同步电机控制。 单电流传感器控制可以依靠单个电流传感器的输 入信息， 提升电机控制的精确性， 抵抗电机参数的变化。 现有的实现方式主要集中在使用单 直流母线电流传感器， 根据母线电流和相电流之间的关系来重构电机的三相电流， 但是这 种方法首先是会引入无法消除的噪声误差， 其次存在有电流重构盲区， 而且对电流重构盲 区进行补偿的方法都比较复杂。 发明内容 0003 为解决现有永磁同步电机单电流传感器预测控制中， 相电流重构过程存在的噪声 和电流重构盲区问题， 。

8、本发明提供了一种永磁同步电机单电流传感器预测控制方法， 该方 法具体包括以下步骤： 0004 步骤一、 在线实时采集永磁同步电机的a相电流、 转速、 转子位置角； 0005 步骤二、 在 - 坐标系下， 以步骤一中采集到的a相电流、 转速、 转子位置角作为输 入量， 基于扩张状态观测器算法的相电流重构方程， 实时更新计算 - 坐标系下的 轴、 轴 电流并输出， 实现abc三相电流的重构， 再将所述 轴、 轴电流经过Park变换得到d-q坐标系 下的d、 q轴电流； 0006 步骤三、 建立无差拍电流预测控制模型， 利用所述步骤一中采集的电机转速、 转子 位置角以及所述步骤二中得到的电流参数实时。

9、计算出下一时刻的参考电压； 利用所计算的 参考电压进行SVPWM控制。 0007 进一步地， 所述扩张状态观测器算法的相电流重构方程， 具体采用以下公式： 0008 0009 说明书 1/5 页 4 CN 111478636 A 4 0010 0011 0012 0013 其中， i、 i为 - 坐标系下定子电流； u、 u为 - 坐标系下定子电压； f、 f分别为 轴、 轴电压的未知扰动量； r为转子磁链； Rs为定子电阻； Ls为定子电感； e为转子的电角 速度； 为转子位置角；分别为 轴、 轴电流的观测值， 为 轴观测电流与实际电流 的i差值， f、 f分别为 、 轴电压的未知扰动量， 。

10、1、 2、 、 为fal函数的可调节参数， 通过 选取合适的值实现所需的非光滑反馈， 01、 02、 03、 04均为可调节的参数。 0014通过上述公式可得到 - 坐标系下电流观测值取电流观测值为扩张状 态观测器的输出电流值。 0015 扩张状态观测器方程中的fal函数为： 0016 0017 当 1时， fal函数具有： 小误差， 大增益； 大误差， 小增益的特性。 0018 由于， 三相坐标系电流到 - 坐标系电流的变换为： 0019 0020 由于ia+ib+ic0， 用-(ia+ib)代替ic， 则上式可表示为： 0021 0022 可以看出： - 静止坐标系下 轴电流iia,则 -。

11、 坐标系下 轴电流i即为采集到 的a相电流， 只需在 - 坐标系下估计出 轴电流i， 即可得到完整的三相电流信息。 因此， 利 用上述扩张观测器即可得到i电流。 由此即完了abc三相电流的重构。 0023 进一步地， 所述步骤三中利用无差拍电流预测控制模型得到下一时刻的参考电 压， 具体包括： 0024 0025 说明书 2/5 页 5 CN 111478636 A 5 0026 式中， ud(k)、 uq(k)为当前时刻定子电压； ud(k+1)、 uq(k+1)为下一时刻参考电压； Ts 为控制周期； iqref为q轴参考电流；r为电机转子磁链。 0027 本发明所提出的上述方法， 其扩张。

12、状态量可以实时跟随电压扰动而变化， 且扩张 状态观测器的算法只需要输入转子电角速度、 转子位置、 定子电压以及a相电子电流， 即可 实现对电机三相电流完整信息的重构， 扩张状态观测器所需信息都很容易获得、 结构简单、 运算量小。 附图说明 0028 图1为本发明所提供方法的模型框图； 0029 图2为现有的采用两个电流传感器实现预测控制的参数曲线图； 0030 图3为基于本发明的方法实现预测控制的参数曲线图。 具体实施方式 0031 下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、 完整地描述， 显然， 所描述的实施 例是本发明一部分实施例， 而不是全部的实施例。 基于本发明中的实施例， 本领域普通。

13、技术 人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例， 都属于本发明保护的范围。 0032 本发明提供的一种永磁同步电机单电流传感器预测控制方法， 如图1所示， 具体包 括以下步骤： 0033 步骤一、 在线实时采集永磁同步电机的a相电流、 转速、 转子位置角； 0034 步骤二、 在 - 坐标系下， 以步骤一中采集到的a相电流、 转速、 转子位置角作为输 入量， 基于扩张状态观测器算法的相电流重构方程， 实时更新计算 - 坐标系下的 轴、 轴 电流并输出， 再将所述 轴、 轴电流经过Park变换得到d-q坐标系下的d、 q轴电流； 0035 步骤三、 建立无差拍电流预测控制模型， 利用。

14、所述步骤一中采集的电机转速、 转子 位置角以及所述步骤二中得到的电流参数实时计算出下一时刻的参考电压； 利用所计算的 参考电压进行SVPWM控制。 0036 步骤二中首先建立永磁同步电机在 - 坐标系下的电压方程： 0037 0038 0039 式中， u、 u为 - 坐标系下定子电压； i、 i为 - 坐标系下定子电流； f、 f分别为 、 轴电压的未知扰动量；r为转子磁链； Rs为定子电阻； Ls为定子电感； e为转子的电角速 度； 为转子位置角。 0040 根据上式的电压方程可以得到永磁同步电机在 - 坐标系下电流的状态方程： 0041 0042 0043 由此， 结合扩张状态观测器理论。

15、， 将f、 f作为扩张的状态变量， 可得到扩张状态观 说明书 3/5 页 6 CN 111478636 A 6 测器算法的相电流重构方程： 0044 0045 0046 0047 0048 0049 其中， i、 i为 - 坐标系下定子电流； u、 u为 - 坐标系下定子电压； f、 f分别为 轴、 轴电压的未知扰动量； r为转子磁链； Rs为定子电阻； Ls为定子电感； e为转子的电角 速度； 为转子位置角；分别为 轴、 轴电流的观测值， 为 轴观测电流与实际电流 的i差值， f、 f分别为 、 轴电压的未知扰动量， 1、 2、 、 为fal函数的可调节参数， 通过 选取合适的值实现所需的非。

16、光滑反馈， 01、 02、 03、 04均为可调节的参数； 0050通过上述公式可得到 - 坐标系下电流观测值取电流观测值为扩张状 态观测器的输出电流值。 0051 扩张状态观测器方程中的fal函数为： 0052 0053 当 1时， fal函数具有： 小误差， 大增益； 大误差， 小增益的特性。 0054 由于， 三相坐标系电流到 - 坐标系电流的变换为： 0055 0056 由于ia+ib+ic0， 用-(ia+ib)代替ic， 则上式可表示为： 0057 0058 可以看出： - 静止坐标系下 轴电流iia,则 - 坐标系下 轴电流i即为采集到 的a相电流， 只需在 - 坐标系下估计出 。

17、轴电流i， 即可得到完整的三相电流信息。 因此， 利 用上述扩张观测器即可得到i电流。 0059 所述步骤三中利用无差拍电流预测控制模型得到下一时刻的参考电压， 具体包 括： 0060 说明书 4/5 页 7 CN 111478636 A 7 0061 0062 式中， ud(k)、 uq(k)为当前时刻定子电压； ud(k+1)、 uq(k+1)为下一时刻参考电压； Ts 为控制周期； iqref为q轴参考电流；r为电机转子磁链。 0063 优选地， 当计算得到的参考电压超出SVPWM的最大输出电压限制时， 需要对输出参 考电压进行调整， 得到SVPWM输出范围内的参考电压： 0064 00。

18、65 0066式中为d-q坐标系下根据式(3)计算出的定子参考电压；为d-q坐 标系下修正后的SVPWM输出电压范围内的参考电压； Udc为直流母线电压。 0067 在基于本发明所提供方法的一个实例中， 图(2)示出了常规的采用两个电流传感 器情况下基于预测控制的电机转速、 转矩、 三相电流曲线图， 图(3)示出了采用单电流传感 器利用扩张状态观测器重构出的电流信息进行预测控制的电机转速、 转矩、 重构出的三相 电流曲线图， 将图(2)和图(3)进行对比可以看出， 扩张状态观测器重构出的三相电流与实 际的三相电流波形几乎完全一致， 而且由电机的转速和转矩变化情况可以看出， 利用扩张 状态观测器。

19、重构出的三相电流进行电机的预测控制， 其控制效果与采用两个电流传感器的 控制效果也非常一致， 仿真结果表明， 基于扩张状态观测器的相电流重构方法， 可以很好地 重构出三相电流信息， 且重构出的三相电流完全可以代替实际的三相电流对电机进行控 制。 0068 应理解， 本发明实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后， 各过 程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定， 而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限 定。 0069 尽管已经示出和描述了本发明的实施例， 对于本领域的普通技术人员而言， 可以 理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、 修改、 替换 和变型， 本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。 说明书 5/5 页 8 CN 111478636 A 8 图1 图2 说明书附图 1/2 页 9 CN 111478636 A 9 图3 说明书附图 2/2 页 10 CN 111478636 A 10 。