有限状态集异步电机模型预测磁链控制方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种有限状态集异步电机模型预测磁链控制方法，包括：转矩指令通过速度外环PI调节器得到，磁链幅值指令设为额定值；得到等效的定子磁链矢量指令；计算三段电压矢量相应的占空比；预测下一时刻的定子磁链矢量指令；选取使目标函数值最小的三段电压矢量以及相应的占空比作为预测控制器的最优输出信息；根据预测控制器的最优输出信息构建逆变器每个开关管的驱动信号。本发明专利技术还公开了一种有限状态集异步电机模型预测磁链控制装置。本发明专利技术提供的基于三矢量的有限状态集异步电机模型预测磁链控制方法及装置，解决了传统模型预测控制方案，需要繁复的权重系数调试，稳态转矩、电流纹波大，采样频率要求高，以及开关频率不固定的问题。

【技术实现步骤摘要】
有限状态集异步电机模型预测磁链控制方法及装置
本专利技术涉及高性能异步电机调速控制
，特别是指一种有限状态集异步电机模型预测磁链控制方法及装置。
技术介绍
有限状态集模型预测控制是一种在线优化控制算法，由于概念简单，易于考虑系统的约束以及具有优秀的多变量控制能力等优点，近些年吸引了国内外大量学者对其在电力传动领域的应用进行了研究。但是传统方案以电磁转矩和定子磁链幅值为控制变量，由于转矩和磁链幅值量纲的不一致性，需要设计合适的权重系数以保证系统在所有的运行点均具有良好的动静态性能。但是目前仍缺乏有效的理论原则来指导权重系数的设计，实际应用中往往需要通过大量的仿真和实验来获取合适的权重系数，大大限制了控制算法的通用性和实用性。类似于直接转矩控制，传统的有限状态集模型预测控制将所选择的基本电压矢量作用于整个控制周期，这种做法带来了一系列问题：采样频率要求高，稳态转矩、电流纹波大，开关频率不固定。目前尚没有较好的方法能够同时满足：1)无需繁复的权重系数设计过程；2)显著改善稳态控制性能；3)不依赖于高采样率；4)基本固定的开关频率。因此，需要开发出一种简单实用的方法，在获取更好的控制性能的同时提高方法的通用性和实用性。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提出一种有限状态集异步电机模型预测磁链控制方法及装置，解决了传统有限状态集模型预测控制以转矩和定子磁链幅值为控制变量时，需要繁复的权重系数调试，稳态转矩、电流纹波大，采样频率要求高，以及开关频率不固定的问题。基于上述目的本专利技术提供的有限状态集异步电机模型预测磁链控制方法，包括：整个系统采用串联控制结构，转矩指令通过速度外环PI调节器得到；在基速以下不考虑弱磁运行，磁链幅值指令设为额定值；根据得到的转矩指令和磁链幅值指令，可以根据电机的数学模型得到等效的定子磁链矢量指令；根据得到的定子磁链矢量指令，采用改进的三矢量有限状态集模型预测控制实现对指令值的跟踪控制；三段电压矢量的占空比根据最小化磁链跟踪误差的原则来确定；根据三段电压矢量以及得到的相应的占空比，预测下一时刻的定子磁链矢量指令；根据得到的下一时刻的定子磁链矢量指令计算相应目标函数，选取使目标函数值最小的三段电压矢量以及相应的占空比作为预测控制器的最优输出信息；根据预测控制器的最优输出信息构建逆变器每个开关管的驱动信号。在一些实施方式中，所述转矩指令通过速度外环PI调节器得到的步骤为：根据外环转速PI调节器得到的转矩指令，具体表达式为其中，kp和ki分别为PI调节器中的比例增益和积分增益；所述根据得到的转矩指令和磁链幅值指令，可以根据电机的数学模型得到等效的定子磁链矢量指令的步骤包括：根据得到的转矩指令以及直接设定的磁链幅值指令，根据异步电机的数学模型计算等效的定子磁链矢量指令，计算公式为：其中，为转矩指令，为磁链幅值指令，ψr为转子磁链，其表达式为其中，Lm和Lr分别为互感和转子自感，式中的ψs为定子磁链，其通过传统的全阶磁链观测器得到。在一些实施方式中，所述根据得到的定子磁链矢量指令，针对每个非零电压矢量，根据最小化磁链跟踪误差的原理计算三段电压矢量相应的占空比的步骤包括：在每个控制周期施加三段基本电压矢量uold,u0,ux，uold为上一周期最后作用的电压矢量，u0为零矢量，ux为待选电压矢量；；根据获取的定子磁链矢量指令，基于最小化磁链跟踪误差的原理来计算待评估的三段电压矢量相应的占空比，计算公式如下：d0＝1-dold-dxdold,d0,dx分别为三段电压矢量在一个控制周期内的占空比，Tsc为控制周期，ψs为当前时刻估计的定子磁链，Rs为定子电阻，is为定子电流矢量。在一些实施方式中，所述根据三段电压矢量以及得到的相应的占空比，预测下一时刻的定子磁链矢量指令的步骤中，预测的下一时刻定子磁链矢量指令的计算公式为：其中，uold为三段电压矢量中的上一周期最后作用的电压矢量，ux为三段电压矢量中的待选电压矢量，dold,dx分别为上一周期最后作用的电压矢量和待选电压矢量在一个控制周期内的占空比，Tsc为控制周期，ψs为当前时刻估计的定子磁链，Rs为定子电阻，is为定子电流矢量。在一些实施方式中，所述根据得到的下一时刻的定子磁链矢量指令计算相应目标函数，选取使目标函数值最小的三段电压矢量以及相应的占空比作为预测控制器的最优输出信息的步骤包括：根据预测得到的下一时刻定子磁链矢量指令，构建目标函数，其表达式为：针对所有的非零电压矢量，计算相应的目标函数值；选取使目标函数值最小的电压矢量组合以及相应的占空比作为预测控制器的最优输出。本专利技术的另一方面还提供了一种采用所述的有限状态集异步电机模型预测磁链控制方法的有限状态集异步电机模型预测磁链控制装置，包括三相电压源、异步电机、三相二极管整流桥、直流侧电容、异步电机、电压电流采样电路、DSP控制器和驱动电路；其中，电压电流采样电路利用电压霍尔传感器和电流霍尔传感器分别采集直流侧电压以及异步电机两相电流，采样信号经过信号调理电路后进入DSP控制器转换为数字信号；DSP控制器完成如权利要求1-5任意一项所述的有限状态集异步电机模型预测磁链控制方法的运算，输出六路开关脉冲，然后经过驱动电路后得到逆变器的六个开关管的最终驱动信号。从上面所述可以看出，本专利技术提供的以定子磁链矢量为控制目标的基于三矢量的有限状态集异步电机模型预测磁链控制方法及装置，采用定子磁链矢量作为控制目标，算法简单有效，有效地避免了传统控制方案中复杂的权重系数设计问题；相对传统方案，无需计算复杂的电流预测表达式，控制算法简单实用；另外，在预测模型中由于只包含定子电阻，对除定子电阻以外的电机参数变化具有良好的鲁棒性；基于三矢量的模型预测控制方案，在显著提升控制效果的同时可以降低对采样频率的要求；由于第一段电压矢量为上一控制周期最后作用的电压矢量，使得采样时刻无开关切换动作，可以保证电流采样准确无干扰。附图说明图1为本专利技术提供的以定子磁链矢量为控制目标的基于三矢量的有限状态集异步电机模型预测磁链控制方法的一个实施例的流程示意图；图2为本专利技术提供的以定子磁链矢量为控制目标的基于三矢量的有限状态集异步电机模型预测磁链控制装置的一个实施例的结构示意图；图3为本专利技术提供的以定子磁链矢量为控制目标的基于三矢量的有限状态集异步电机模型预测磁链控制装置的另一个实施例的结构示意图；图4为传统异步电机有限状态集模型预测转矩控制在20kHz本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种有限状态集异步电机模型预测磁链控制方法，其特征在于，包括：整个系统采用串联控制结构，转矩指令通过速度外环PI调节器得到；在基速以下不考虑弱磁运行，磁链幅值指令设为额定值；根据得到的转矩指令和磁链幅值指令，可以根据电机的数学模型得到等效的定子磁链矢量指令；根据得到的定子磁链矢量指令，采用改进的三矢量有限状态集模型预测控制实现对指令值的跟踪控制；三段电压矢量的占空比根据最小化磁链跟踪误差的原则来确定；根据三段电压矢量以及得到的相应的占空比，预测下一时刻的定子磁链矢量指令；根据得到的下一时刻的定子磁链矢量指令计算相应目标函数，选取使目标函数值最小的三段电压矢量以及相应的占空比作为预测控制器的最优输出信息；根据预测控制器的最优输出信息构建逆变器每个开关管的驱动信号。

【技术特征摘要】
1.一种有限状态集异步电机模型预测磁链控制方法，其特征在于，包括：整个系统采用串联控制结构，转矩指令通过速度外环PI调节器得到；在基速以下不考虑弱磁运行，磁链幅值指令设为额定值；根据得到的转矩指令和磁链幅值指令，根据电机的数学模型得到等效的定子磁链矢量指令；根据得到的定子磁链矢量指令，采用改进的三矢量有限状态集模型预测控制实现对指令值的跟踪控制；三段电压矢量的占空比根据最小化磁链跟踪误差的原则来确定；根据三段电压矢量以及得到的相应的占空比，预测下一时刻的定子磁链矢量指令；根据得到的下一时刻的定子磁链矢量指令计算相应目标函数，选取使目标函数值最小的三段电压矢量以及相应的占空比作为预测控制器的最优输出信息；根据预测控制器的最优输出信息构建逆变器每个开关管的驱动信号。2.根据权利要求1所述的有限状态集异步电机模型预测磁链控制方法，其特征在于，所述转矩指令通过速度外环PI调节器得到的步骤为：根据速度外环PI调节器得到的转矩指令，具体表达式为其中，kp和ki分别为PI调节器中的比例增益和积分增益；ω是电机转速；ω*则是电机转速的给定值；所述根据得到的转矩指令和磁链幅值指令，根据电机的数学模型得到等效的定子磁链矢量指令的步骤包括：根据得到的转矩指令以及直接设定的磁链幅值指令，根据异步电机的数学模型计算等效的定子磁链矢量指令，计算公式为：其中，为转矩指令，为磁链幅值指令，ψr为转子磁链，其表达式为其中，Lm和Lr分别为互感和转子自感，式中的ψs为定子磁链，其通过传统的全阶磁链观测器得到，p是电机的极对数，is为定子电流矢量。3.根据权利要求2所述的有限状态集异步电机模型预测磁链控制方法，其特征在于，所述根据得到的定子磁链矢量指令，采用改进的三矢量有限状态集模型预测控制实现对指令值的跟踪控制的步骤包括：在每个控制周期施加三段电压矢量uold,u0,ux，uold为上一周期最后作用的电压矢量，u0为零矢量，ux为待选电压矢量；根据获取的定子磁链矢量指令，基于最小化磁链跟踪误差的原理来计算待评估的三段电压矢量相...

【专利技术属性】
技术研发人员：张永昌，杨海涛，
申请(专利权)人：北方工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11