本发明属于电机控制，具体的说，涉及一种基于混沌调制的永磁同步电机最大转矩电流比控制方法。
背景技术：
1、永磁同步电机具有高功率密度、体积小、效率高等优点，在农用拖拉机、植保无人机、采摘机器人等领域得到广泛应用。永磁同步电机驱动系统包括电机、驱动电路和控制电路等。永磁同步电机最大转矩电流比控制充分利用了凸极电机的磁阻转矩，降低了成本，具有较强的带载能力，降低损耗，提高效率，从而得到广泛应用。而恒定频率脉宽调制变频器由于输出信号在开关频率及其倍数频率上产生峰值谐波，因此产生的高频开关电压会使驱动电路对相邻的其它设备有较高的电磁干扰，对其它电子设备的正常运行产生不利影响。现有的抑制逆变器电磁干扰技术中，滤波和屏蔽是最常用的方法，这些方法会增加硬件体积和使用成本，在一些场合并不适用。恒定频率脉宽调制逆变器输出电压中的谐波成分，容易引起电磁噪声污染。
技术实现思路
1、本发明为了解决现有技术中的不足之处，混沌系统具有较强的内在随机性，利用混沌的内在随机性，混沌脉宽调制能够从机理上分散谐波干扰能量从而减弱系统的电磁干扰，将混沌脉宽调制与永磁同步电机最大转矩电流比控制控制相结合，提供一种减少电磁干扰的基于混沌调制的永磁同步电机最大转矩电流比控制方法。
2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
3、基于混沌调制的永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，包括以下步骤：
4、(1)通过logistic映射生成一组随机混沌序列；
5、(2)设计混沌svpwm；
6、(3)搭建基于混沌脉宽调制的永磁同步电机最大转矩电流比控制模型；
7、(4)验证控制效果。
8、步骤(1)的具体过程为：logistic映射是一种典型的离散混沌系统，使用logistic映射来产生混沌序列，其表示为：
9、
10、式中：a为分岔参数；f(a,xn)为非线性函数；n为迭代代数；logistic映射的状态与分岔参数a相关，包括稳定点、周期规律和混沌三种状态；
11、lyapunov指数对判别混沌系统具有严格性，因此用其来判断系统是否进入混沌运行状态；当选择参数大于分岔点参数a0＝3.57时，映射出现混沌现象，产生混沌序列；
12、使用三角波调制，每个载波周期里，信号的周期ts可以由下式给定：
13、ts＝tc+δtm (2)
14、δtm＝tmxk (3)
15、式中xk是由式(1)产生的一组混沌序列，tm为载波扩频的周期变化值；
16、由于混沌spwm模型的载波频率包含了混沌扩频项，混沌扩频项使载波的频率在不同时刻都不相同，使得频谱分布呈现分散状态，当a＝4，tc＝0.0005s，tm＝0.0001s时，产生一组混沌序列应用于混沌扩频。
17、步骤(2)的具体过程为：直-交变换的脉宽调制中，脉宽调制、电流跟踪控制使逆变器输出电压和电流尽可能接近似弦波，而空间矢量脉宽调制的目标是产生圆形旋转磁场，磁链跟踪控制是通过逆变器功率开关状态来控制电机的端电压，使其内部形成的磁链轨迹跟踪期望的磁链圆；
18、电压型脉宽调制逆变器通过逆变电路功率开关管(igbt)的不同开关模式，以及控制开关导通时间，来使电压空间矢量近似圆形运行轨迹，用v1～v6表示六个功率开关管，a、b、c为三个桥臂的开关状态；规定：当上桥臂为“关”，下桥臂须为“开”，开关状态为“0”；当上桥臂处于“开”，下桥臂为“关”，开关状态为“1”时，则输出的线电压[uab ubc uca]t与开关状态[a b c]t的关系为：
19、
20、逆变器输出的相电压[ua ub uc]t与[a b c]t的关系为：
21、
22、其中ud是直流母线电压；
23、混沌svpwm通过参考电压ur，分解出两相静止坐标分量，而后计算对应的主矢量，并求出对应的开关状态，用两个相邻有效矢量ua、ub及零矢量合成参考矢量ur，得到：
24、uatx+ubty+u0(u7)t0＝urts (6)
25、根据三角关系：
26、
27、可得：
28、
29、相邻两相矢量及零矢量导通的时间为：
30、
31、
32、t0＝ts-tx-ty (11)
33、由上可知，混沌svpwm的信号调制需要两相静止坐标系电压分量uα、uβ和pwm周期t；
34、混沌svpwm的算法实现包括下面几个步骤：
35、①判断矢量ur所在的扇区；
36、②计算x分量，y分量，零分量及其作用时间tx，ty，to；
37、③计算矢量切换点tcm1，tcm2，tcm3；
38、④生成pwm波；
39、混沌svpwm具有固定的开关周期ts，其谐波主要在开关频率fs及其倍频处，从而引起较大的电磁噪声；混沌svpwm包含按混沌映射规律变化的采样周期，第n个采样周期的长度为：
40、t'sn＝xnts (12)
41、式中ts为给定的周期值，xn是一组混沌序列x中的第n个数值，可以使用式(1)生成一组混沌数值，混沌svpwm的电压空间矢量在每次采样间隔转过的角度其中ω为期望的电机电源角速度，而混沌svpwm的电压矢量采样转过的角度为ωxits，xi为混沌序列的第i个值；
42、svpwm逆变器的开关频率和采样频率为比例倍数关系，可以通过在采样频率上加上混沌变化量，即fc＝1/xits，fc是混沌化以后的逆变器采样频率，从而按照混沌序列改变每个扇区内采样数，形成混沌化的开关频率，混沌svpwm每次转过的角度都不相同。
43、步骤(3)的具体过程为：基于混沌调制的永磁同步电机最大转矩电流比控制模型需要电机的参数，包含两个电流分量，即d轴电流和q轴电流，采用pi控制器实现电流控制环路，以使iq跟随参考值，以便产生所需的磁动势，采用混沌空间矢量脉宽调制方法来驱动永磁同步电机，通过在采样频率上加上混沌变化量，从而按照混沌序列改变每个扇区内采样数，形成混沌化的开关频率；
44、设置定子电流is超前d轴β角，根据定子电流在d、q坐标系关系，有下式
45、
46、根据永磁同步电机电压方程和磁链方程，可得输出转矩为
47、
48、式中β＝arctan(iq/id)，
49、在is幅值不变的情况下，转矩te为β的函数，要获得最大的电磁转矩，需要满足条件：
50、
51、当转矩te对β的一阶偏导数为零时，获得最大的电磁转矩，最大转矩电流比控制实质上是：在一定的定子电流情况下获得最大转矩输出和在一定转矩输出情况下定子电流幅值最小，最大转矩电流比控制下的定子电流is就是恒转矩曲线上离原点最近的点，把所有转矩下离原点最近的点连接起来就是最大转矩电流轨迹，轨迹曲线关于d轴对称，并且在原点关于q轴相切；
52、最大转矩电流比控制模型是在转矩一定的条件下，使得定子电流幅值最小的一种控制方式，即is最小，限制条件为电机的电磁转矩方程，可表示为：
53、
54、可以构造拉格朗日函数为：
55、
56、分别求偏导等于零后，表示为：
57、
58、由上式可以解得最大转矩电流比控制的交、直轴电流为：
59、
60、
61、由上式可以看出，基于解析公式法的永磁同步电机的最大转矩电流比控制依赖电机参数，在计算过程中需明确电机的交、直轴电感ld、lq以及永磁体磁链电机运行过程中由于磁路饱和作用，电感和磁链会不断变化，参数误差大会使电机性能变差；为提高驱动系统的性能，可以采用在线参数辨识的方法获得永磁同步电机参数；使用模型参考自适应控制对永磁同步电机ld、lq、进行辨识，在线得到的电机参数用于计算当前最大转矩电流比控制转矩轨迹，当电机参数变化时，最大转矩电流比控制转矩轨迹能够得到及时调整；
62、模型参考自适应系统包括参考模型、可调模型和自适应律，把不存在辨识参数的表达式用作期望模型，而把存在辨识参数的表达式用作可调模型，并且两个模型的输出量有着同样的物理含义，利用作差后的结果经过合适的自适应律使之趋近于零，来获得对未知参数的估算值；
63、对于永磁同步电机，由其同步旋转坐标系下的电压方程式可变换为
64、
65、选取d轴作为参考模型来设计交轴电感可调模型，并以估计值表示为
66、
67、式中为id估计值；
68、将式(22)的估计量与式(21)中的量作差，设误差为则有
69、
70、根据popov超稳定性理论，若要令辨识系统渐进稳定，就必须要满足下述积分不等式，即
71、
72、令对上式进行化简，可得
73、
74、将带入上式可得
75、
76、可分别使
77、利用不等式
78、
79、取
80、
81、
82、对式(28)两边求导，可得
83、
84、同理可以由得到
85、
86、将式(30)和式(31)带入式(26)，可满足popov积分不等式条件，可以得到辨识后参数为：
87、
88、式中，kpq和kiq分别为交轴电感辨识器中pi调节器的积分系数和比例系数；
89、选取q轴作为参考模型，设计交轴电感可调模型，估计值表示为
90、
91、将式(21)中q轴电流微分分量与式(33)作差，设误差为则有
92、
93、根据popov超稳定性理论，令有
94、
95、可得的估计量为
96、
97、式中，kpd和kid分别为直轴电感辨识器中pi控制器的积分系数和比例系数，
98、选取q轴作为参考模型来设计永磁体磁链的可调模型，估计值表示为
99、
100、推导过程同计算过程相似，可以得到为：
101、
102、式中，和分别为磁链辨识器中pi控制器的积分系数和比例系数；
103、在最大转矩电流比控制驱动系统的基本框图可知，经过电流环后，pi控制器将给定信号分解成两相旋转坐标系下互相垂直的直流信号，然后通过park逆变换和clark逆变换，得到控制信号a、b、c，进而控制逆变桥；在永磁同步电机最大转矩电流比控制系统中，通过在采样频率上加上混沌变化量，从而按照混沌序列改变每个扇区内采样数，形成混沌化的开关频率，混沌svpwm每次转过的角度都不相同。
104、步骤(4)的具体过程为：使用混沌svpwm与传统svpwm分别在永磁同步电机最大转矩电流比控制系统中，做对比实验；采用两台参数相同的永磁同步电机，分别进行了仿真和实验验证，采用混沌svpwm的永磁同步电机最大转矩电流比控制方法和采用传统svpwm的永磁同步电机最大转矩电流比控制方法相比，在保证相同性能的条件下，永磁同步电机的定子电流谐波得到了改善；
105、将混沌svpwm应用到永磁同步电机控制中，分别对基于svpwm和混沌svpwm的永磁同步电机最大转矩电流比控制进行数值仿真；
106、为了验证所设计的pi控制器，使用电机控制平台进行了实验验证，两台电机进行对拖实验，其中1台为被测内置式永磁同步电机，1台为负载电机；永磁同步电机驱动系统由电压和电流检测电路、保护电路、功率电路、驱动电路以及速度位置检测电路组成，pi控制器以dsp为核心，功率驱动电路采用智能功率模块，使用dsp芯片产生混沌svpwm控制信号，并完成电机速度环和电流环的控制；混沌svpwm控制周期为开关频率调制信号周期xits，每个开关频率调制信号周期xits结束后下一个调制信号周期xi+1ts需要更新一次；
107、软件模块按控制原理进行标准化设计，其中电流和速度调节模块、矢量变换模块以及相应初始化模块等使用实验套件附带程序，利用混沌序列设计混沌矢量脉宽调制逆变模块，对基于混沌svpwm矢量控制方法进行实验验证；实验结果由rt-sim软件采集显示。
108、本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体地说，本发明具有以下有益效果：永磁同步电机定子电流在混沌svpwm调制下相比较传统svpwm谐波含量减小、永磁同步电机驱动系统电磁兼容性下，能够满足电机对逆变调制的要求，同时永磁同步电机最大转矩电流比控制系统具有较好的动态和稳态运行性能。
1.基于混沌调制的永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于混沌调制的永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，其特征在于：步骤(1)的具体过程为：logistic映射是一种典型的离散混沌系统，使用logistic映射来产生混沌序列，其表示为：
3.根据权利要求2所述的基于混沌调制的永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，其特征在于：步骤(2)的具体过程为：直-交变换的脉宽调制中，脉宽调制、电流跟踪控制使逆变器输出电压和电流尽可能接近似弦波，而空间矢量脉宽调制的目标是产生圆形旋转磁场，磁链跟踪控制是通过逆变器功率开关状态来控制电机的端电压，使其内部形成的磁链轨迹跟踪期望的磁链圆；
4.根据权利要求3所述的基于混沌调制的永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，其特征在于：步骤(3)的具体过程为：基于混沌调制的永磁同步电机最大转矩电流比控制模型需要电机的参数，包含两个电流分量，即d轴电流和q轴电流，采用pi控制器实现电流控制环路，以使iq跟随参考值，以便产生所需的磁动势，采用混沌空间矢量脉宽调制方法来驱动永磁同步电机，通过在采样频率上加上混沌变化量，从而按照混沌序列改变每个扇区内采样数，形成混沌化的开关频率；
5.根据权利要求4所述的基于混沌调制的永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，其特征在于：步骤(4)的具体过程为：使用混沌svpwm与传统svpwm分别在永磁同步电机最大转矩电流比控制系统中，做对比实验；采用两台参数相同的永磁同步电机，分别进行了仿真和实验验证，采用混沌svpwm的永磁同步电机最大转矩电流比控制方法和采用传统svpwm的永磁同步电机最大转矩电流比控制方法相比，在保证相同性能的条件下，永磁同步电机的定子电流谐波得到了改善；
