一种含约束条件的电机控制方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种含约束条件的电机控制方法及系统，通过将电机安全工作范围考虑进去设置电机的电压约束条件以及电流约束条件，首先采集当前时刻k的电机电流及转速，求解出k时刻无差拍控制算法的控制电压，然后在k时刻无差拍控制算法的控制电压既位于电压约束条件所确定的电压矢量空间，又位于电流约束条件所确定的电压矢量空间时，采取无差拍控制算法处理电机面临的约束问题，否则采取有限集模型预测控制算法处理电机面临的约束问题。由于有限集模型预测控制算法可以方便处理控制当中存在的约束问题，而无差拍控制算法具有良好的动态跟踪性能，通过结合两者优点，能够保证电机始终在安全运行区域内获得良好的运行性能。

【技术实现步骤摘要】
一种含约束条件的电机控制方法及系统
本专利技术属于永磁同步电机控制
，更具体地，涉及一种含约束条件的电机控制方法及系统。
技术介绍
永磁同步电机具有高功率密度，运行效率高等特点，被广泛运用到电动汽车、轨道交通，伺服等应用领域。通过坐标变换，可以将无刷的交流电机近似等效为传统有刷直流电机，进而可以获得与直流电机相媲美的电机运行性能。随着对电机运行性能要求越来越高，一些高级控制算法被相继开发出来，并且运用到电机控制领域当中，提高电机动态响应以及稳态跟踪性能。其中，模型预测控制算法，通过在线寻优的方式，设计合适的目标函数，可以实现最优的控制效果。并且，该算法不仅能够处理约束问题，还能够对多个控制目标进行优化。传统的控制算法(如：矢量控制以及直接转矩控制)通过外环转速环的限幅值来保证电机运行过程不发生过流，内环电流环的限幅值保证电机输入电压不超过逆变器最大输出电压。而如果电机电流内环响应过快，会出现电流超调现象，实际电流会超过限幅值，导致过流。同理，电流内环输出(即输出电压给定值)达到限幅值上限时，此时电机输入电压将无法针对电机运行工况进行调节，需要经历退饱和过程，该过程影响电机运行性能。通过分析将电机最大输出电流以及逆变器最大输出电压两个约束条件考虑在内，利用模型预测控制算法将这两约束条件考虑在内，求解含约束条件问题下的最优值，该问题可描述为二次规划(Quadraticprogramming,QP)问题，针对于线性约束问题，可以采取多种方法求解，常用的最有效的两种方法是：积极集法(active-setmethod)和内点法(interior-pointmethod)。这两种方法需要在约束范围内不断迭代寻找满足约束条件的最优值，因此，求解过程会比较复杂。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种含约束条件的电机控制方法及系统，通过将无差拍控制与有限集模型预测控制相结合，分析得到无差拍和模型预测控制算法之间合适的工作区间，结合两者控制算法的优点，保证电机工作在安全运行范围内。由此解决现有技术中在求解含电机约束条件下的最优值需要在约束范围内不断迭代寻找满足约束条件的最优值而导致的计算量复杂的技术问题。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种含约束条件的电机控制方法，包括：(1)在当前时刻k，对电机电流以及转速进行采样，获取电机在当前时刻k的运行状况；(2)根据k时刻采样得到的电机电流以及转速，求解出k时刻无差拍控制算法的控制电压；(3)由电机逆变器的最大输出电压确定电压约束条件，由电机的最大输出电流确定电流约束条件，判断k时刻无差拍控制算法的控制电压是否既位于电压约束条件所确定的电压矢量空间，又位于电流约束条件所确定的电压矢量空间，若是，则将无差拍控制算法的控制电压输出给逆变器进行调制；否则采取有限集模型预测控制算法选取出最优电压矢量输出给逆变器进行调制。优选地，所述电压约束条件为：其中，uα和uβ表示输出电压控制矢量α轴和β轴分量，Vdc为直流母线电压；所述电流约束条件为：其中，iα和iβ表示定子电流矢量α轴和β轴分量，Imax表示电机的最大输出电流。优选地，所述步骤(2)具体包括以下子步骤：(2.1)建立αβ坐标系下的电机模型：其中，uα和uβ表示输出电压控制矢量α轴和β轴分量，iα和iβ表示定子电流矢量α轴和β轴分量，ψα和ψβ表示永磁磁链α轴和β轴分量，Rs为定子电阻，Ls为定子自感，ω为电机角速度，和表示定子电流α轴和β轴分量微分，(2.2)对步骤(2.1)中的电机模型进行离散化，得到预测模型：令x(k+1)表示下一时刻k+1的电流预测值(iα(k+1)，iβ(k+1))，x(k)表示当前时刻k的定子电流值(iα(k)，iβ(k))，u(k)表示当前时刻k的输出电压控制矢量(uα(k)，uβ(k))，e(k)表示当前时刻k的永磁磁链与电机角速度乘积(eα(k)，eβ(k))，则将预测模型等效变换为：x(k+1)＝Adx(k)+Bdu(k)+Cde(k)，其中，Ts为采样周期，下标(k)以及(k+1)分别代表k时刻以及k+1时刻的变量，Ad＝ATs-I，Bd＝BTs，Cd＝CTs；(2.3)令下一时刻k+1的电流预测值x(k+1)等于下一时刻k+1的参考电流给定值r(k+1)，得到无差拍控制算法的控制电压：优选地，所述采取有限集模型预测控制算法选取出最优电压矢量，包括：判断逆变器的基本电压矢量是否处于电流约束条件所确定的电压矢量空间内，将处于电流约束条件所确定的电压矢量空间内的基本电压矢量保留为待选电压矢量；对待选电压矢量坐标平面进行扇区划分，每个扇区只包含一个待选电压矢量；确定无差拍控制算法的控制电压所属的目标扇区，判断该目标扇区内的待选电压矢量是否位于电流约束条件所确定的电压矢量空间内，若不是，则判断与目标扇区相邻的扇区内是否存在位于电流约束条件所确定的电压矢量空间内的待选电压矢量，若不存在，则继续考虑下一相邻扇区，直到选取出与目标扇区近邻扇区内位于电流约束条件所确定的电压矢量空间内的待选电压矢量作为最优电压矢量。按照本专利技术的另一方面，提供了一种含约束条件的电机控制系统，包括：采样模块，用于在当前时刻k，对电机电流以及转速进行采样，获取电机在当前时刻k的运行状况；无差拍控制电压计算模块，用于根据k时刻采样得到的电机电流以及转速，求解出k时刻无差拍控制算法的控制电压；约束条件确定模块，用于由电机逆变器的最大输出电压确定电压约束条件，由电机的最大输出电流确定电流约束条件；模型预测控制算法确定模块，用于判断k时刻无差拍控制算法的控制电压是否既位于电压约束条件所确定的电压矢量空间，又位于电流约束条件所确定的电压矢量空间，若是，则将无差拍控制算法的控制电压输出给逆变器进行调制；否则采取有限集模型预测控制算法选取出最优电压矢量输出给逆变器进行调制。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要有以下的技术优点：(1)通过将有限集模型预测控制算法和无差拍控制算法相融合，结合两者控制算法的优点，能够保证电机始终在安全运行区域内获得良好的运行性能；(2)提出一种简化搜索方法，能够将约束条件考虑进去，减少有限集模型预测控制算法的在线计算量。附图说明图1为本专利技术实施例公开的一种含约束条件的电机控制方法的流程示意图；图2为本专利技术实施例中两电平逆变器8个待选电压矢量示意图；图3为本专利技术实施例中有限集模型预测控制算法与无差拍控制算法工作区域示意图；图4为本专利技术实施例中扇区划分示意图；图5为本专利技术实施例中有限集模型预测控制算法简化搜索方法示意图；图6为本专利技术实施例公开的另一种含约束条件的电机控制方法的流程示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。首先对本专利技术中涉及到的无差拍控制算法以及有限集模型预测控制算法的原理及优缺点进行说明：无差拍控制算法是一种数字化的脉冲宽度调制(PulseWidthModulation，PWM)控制方法，通过建本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种含约束条件的电机控制方法，其特征在于，包括：(1)在当前时刻k，对电机电流以及转速进行采样，获取电机在当前时刻k的运行状况；(2)根据k时刻采样得到的电机电流以及转速，求解出k时刻无差拍控制算法的控制电压；(3)由电机逆变器的最大输出电压确定电压约束条件，由电机的最大输出电流确定电流约束条件，判断k时刻无差拍控制算法的控制电压是否既位于电压约束条件所确定的电压矢量空间，又位于电流约束条件所确定的电压矢量空间，若是，则将无差拍控制算法的控制电压输出给逆变器进行调制；否则采取有限集模型预测控制算法选取出最优电压矢量输出给逆变器进行调制。

【技术特征摘要】
1.一种含约束条件的电机控制方法，其特征在于，包括：(1)在当前时刻k，对电机电流以及转速进行采样，获取电机在当前时刻k的运行状况；(2)根据k时刻采样得到的电机电流以及转速，求解出k时刻无差拍控制算法的控制电压；(3)由电机逆变器的最大输出电压确定电压约束条件，由电机的最大输出电流确定电流约束条件，判断k时刻无差拍控制算法的控制电压是否既位于电压约束条件所确定的电压矢量空间，又位于电流约束条件所确定的电压矢量空间，若是，则将无差拍控制算法的控制电压输出给逆变器进行调制；否则采取有限集模型预测控制算法选取出最优电压矢量输出给逆变器进行调制。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电压约束条件为：其中，uα和uβ表示输出电压控制矢量α轴和β轴分量，Vdc为直流母线电压；所述电流约束条件为：其中，iα和iβ表示定子电流矢量α轴和β轴分量，Imax表示电机的最大输出电流。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)具体包括以下子步骤：(2.1)建立αβ坐标系下的电机模型：其中，uα和uβ表示输出电压控制矢量α轴和β轴分量，iα和iβ表示定子电流矢量α轴和β轴分量，ψα和ψβ表示永磁磁链α轴和β轴分量，Rs为定子电阻，Ls为定子自感，ω为电机角速度，和表示定子电流α轴和β轴分量微分，(2.2)对步骤(2.1)中的电机模型进行离散化，得到预测模型：令x(k+1)表示下一时刻k+1的电流预测值(iα(k+1)，iβ(k+1))，x(k)表示当前时刻k的定子电流值(iα(k)，iβ(k))，u(k)表示当前时刻k...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐伟，邹剑桥，叶才勇，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42