一种直线振荡电机的鲁棒预测电流控制方法及系统与流程

本发明属于电机驱动与控制，具体涉及一种直线振荡电机的鲁棒预测电流控制方法及系统。

背景技术：

1、直线振荡电机能够直接产生往复直线运动，省去了曲柄连杆等中间传动机构，具有结构紧凑、摩擦损耗小、功率密度高和能量转换链短等优点，已广泛应用于线性压缩机、斯特林制冷机等往复运动驱动场合。

2、在上述应用中，直线振荡电机通常与活塞或负载机构直接连接。由于动子运动方向上通常缺乏刚性机械限位，当瞬态行程超出安全范围时，容易引起碰缸或结构损坏。因此，动子行程闭环控制是保证系统安全运行的重要条件。另一方面，直线振荡电机具有特定的机械谐振频率，当驱动频率与机械谐振频率匹配时，系统可获得较高运行效率。因此，行程控制和谐振运行控制需要协同实现。

3、为降低系统成本并提高长期运行可靠性，无位置传感器控制已成为直线振荡电机控制中的重要研究方向。传统方法通常基于电压方程估算反电动势，并通过积分获得位移信息，但该类方法易受参数误差、测量噪声和直流偏置影响，且积分环节容易引入积分漂移和相位滞后。

4、直线振荡电机属于单相交流驱动系统，原始电气量不具有三相电机天然的正交绕组结构。为了在该类系统中建立旋转坐标系下的电流分量控制模型，通常需要先构造虚拟正交分量，再通过同步旋转坐标变换获得轴电流分量。由于电流、速度和位移之间存在机电耦合关系，直线振荡电机的谐振状态调节与动子行程控制之间存在一定耦合关系，现有控制方法在高效率谐振运行、行程控制精度以及动态响应速度之间仍难以兼顾。

5、模型预测电流控制具有动态响应快、控制结构直观、易于处理约束等优点，适合用于提高直线振荡电机电流内环的瞬态调节能力。然而，模型预测电流控制的预测精度依赖于电机模型参数的准确性。在实际运行过程中，定子电阻可能随温升发生变化，定子电感可能随磁饱和程度发生变化，导致控制器内部模型参数与实际对象参数不一致。

6、当电阻、电感等参数存在失配时，预测模型会产生电流预测误差，该误差在延时补偿和滚动优化过程中可能进一步影响电压矢量选择，使轴电流产生稳态跟踪偏差。对于采用位移定向的直线振荡电机控制系统而言，轴电流偏差会影响谐振运行状态，轴电流偏差会影响行程控制精度。

7、现有针对参数失配的改进方法多采用在线参数辨识、模型参数修正或无模型控制等方式，但实现结构相对复杂，且不一定适合直线振荡电机的单相往复运动驱动系统。因此，需要一种能够在不直接辨识或修正模型参数的情况下，抑制参数失配引起的稳态电流偏差，并保持模型预测电流控制快速动态响应特性的鲁棒控制方法。

技术实现思路

1、为了解决所述现有技术的不足，本发明提供了一种直线振荡电机的鲁棒预测电流控制方法及系统，能够在不直接辨识或修正模型参数的情况下，抑制参数失配引起的稳态电流偏差，并保持模型预测电流控制快速动态响应特性。

2、本发明所要达到的技术效果通过以下技术方面来实现：

3、第一方面，本发明提供一种直线振荡电机的鲁棒预测电流控制方法，包括以下步骤：

4、采集直线振荡电机的单相电气量并构造虚拟正交分量以形成虚拟两相静止坐标系，利用同步旋转角进行park变换，构建轴对准动子位移矢量的位移定向同步旋转坐标系，并在所述位移定向同步旋转坐标系下获得轴电流分量、轴电流分量及其原始参考值；

5、设定轴电流参考值为零，并根据动子行程控制目标以及动子位移幅值估计值生成轴电流参考值；

6、建立用于模型预测电流控制的离散电流预测模型，并基于所述离散电流预测模型预测未来时刻的轴电流；

7、计算轴电流实际值与所述原始参考值之间的电流跟踪误差，对所述电流跟踪误差进行积分补偿，生成轴积分补偿量和轴积分补偿量，并将所述轴积分补偿量和所述轴积分补偿量分别叠加至对应所述原始参考值，得到轴虚拟参考电流和轴虚拟参考电流；

8、以所述轴虚拟参考电流和所述轴虚拟参考电流作为所述模型预测电流控制的跟踪目标，构建代价函数并优化逆变器输出电压矢量及电压矢量作用时间，生成pwm驱动信号，以抑制模型参数失配引起的稳态电流偏差。

9、在一些实现方式中，所述的采集直线振荡电机的单相电气量并构造虚拟正交分量以形成虚拟两相静止坐标系中，构造虚拟正交分量以形成虚拟两相静止坐标系具体包括：

10、将直线振荡电机的单相电流、电压或反电动势信号作为轴分量，并通过正交信号生成单元得到与所述轴分量正交的轴分量，从而形成虚拟两相静止坐标系下的空间矢量。

11、在一些实现方式中，所述的设定轴电流参考值为零，并根据动子行程控制目标以及动子位移幅值估计值生成轴电流参考值中，所述动子位移幅值估计值根据轴反电动势分量与基波角频率进行代数计算得到，所述计算如下：

12、，其中，为动子位移幅值估计值，为q轴反电动势分量，为电磁推力系数，为基波角频率。

13、在一些实现方式中，所述离散电流预测模型包括一拍计算延时补偿，以刻采样得到的状态量预测时刻电流，再以时刻预测电流作为初始状态预测时刻电流。

14、在一些实现方式中，所述的计算轴电流实际值与所述原始参考值之间的电流跟踪误差，对所述电流跟踪误差进行积分补偿中，所述积分补偿的计算如下：

15、；

16、；

17、其中，所述和所述分别为轴积分补偿量和轴积分补偿量，所述和所述分别为轴积分增益和轴积分增益，所述和所述为对应的原始参考值，所述和所述分别为轴电流实际值和轴电流实际值。

18、在一些实现方式中，所述轴虚拟参考电流和轴虚拟参考电流的计算分别如下：

19、；

20、；

21、其中，为轴虚拟参考电流，所述为轴虚拟参考电流。

22、在一些实现方式中，所述的以所述轴虚拟参考电流和所述轴虚拟参考电流作为所述模型预测电流控制的跟踪目标，构建代价函数并优化逆变器输出电压矢量及电压矢量作用时间，具体包括：

23、采用双矢量模型预测电流控制，在一个控制周期内组合施加一个有效电压矢量和一个零电压矢量，并基于代价函数：

24、，

25、求解最优占空比，其中，所述和所述为预测得到的时刻轴电流。

26、在一些实现方式中，所述的求解最优占空比，具体包括：

27、对单相全桥逆变器的正向有效电压矢量和反向有效电压矢量分别计算最优占空比及对应代价值，并选取代价值较小的一组作为当前控制周期的输出。

28、在第二方面，本发明提供了一种系统，用于实现上述任一项所述的直线振荡电机的鲁棒预测电流控制方法，包括：

29、位移定向状态获取模块，用于对直线振荡电机的单相电气量构造虚拟正交分量，形成虚拟两相静止坐标系，并通过同步旋转角进行park变换，获得位移定向同步旋转坐标系下的轴电流分量、轴电流分量及其原始参考值；

30、行程外环控制器，用于设置轴电流参考值，并根据动子行程控制目标以及动子位移幅值估计值生成轴电流参考值；

31、积分补偿模块，用于计算轴电流实际值与所述原始参考值之间的电流跟踪误差，对所述电流跟踪误差进行积分补偿，生成积分补偿量并重构虚拟参考电流；

32、模型预测电流控制模块，用于一所述虚拟参考电流作为跟踪目标，根据离散电流预测模型优化逆变器输出电压矢量及电压矢量作用时间，并输出pwm驱动信号；以及

33、pwm生成模块及单相逆变器，用于根据所述pwm驱动信号驱动直线振荡电机。

34、在一些实现方式中，所述积分补偿模块设置在所述模型预测电流控制模块的参考电流输入侧，所述积分补偿模块不改变所述模型预测电流控制模块的预测模型结构和模型参数。

35、综上所述，本发明至少具有以下有益之处：

36、（1）本发明通过积分补偿重构虚拟参考电流，在不直接辨识或修正电机模型参数的情况下，能够抑制电阻、电感参数失配引起的稳态电流跟踪偏差，工程实现较为简单；

37、（2）本发明在位移定向控制框架下维持轴电流接近谐振运行参考值，有助于在参数失配条件下保持系统运行于机械谐振点附近，同时通过轴电流调节实现动子行程闭环控制；

38、（3）本发明将积分补偿设置在参考电流侧，不改变模型预测电流控制器的基本预测模型和模型参数，可在提升稳态鲁棒性的同时保持较快动态响应；

39、（4）本发明可结合双矢量调制和最优占空比求解，实现固定开关频率下的平滑电流跟踪，降低稳态电流纹波。