感应电机优化模型预测电压控制方法技术

本发明专利技术公开了一种感应电机优化模型预测电压控制方法，首先以感应电机定子电流和定子磁链为状态变量，建立感应电机数学模型；根据定子电压方程，计算得到定子电压参考值，以此为基础，计算参考电压矢量位置角，确定参考电压矢量所在的扇区，选择此扇区中非零矢量和零矢量作为待选电压矢量；假设当前时刻为k时刻，对k+1时刻定子电流进行预测，得到待选电压矢量对应的定子电流预测值，在此基础上，根据定子电流预测值计算得到候选电压预测值；设计代价函数，将定子电压跟踪误差作为控制变量，同时在代价函数中设计过流保护环节，确保系统正常运行。本发明专利技术有效降低了系统运算量，提高了模型预测控制的实用性。模型预测控制的实用性。模型预测控制的实用性。

【技术实现步骤摘要】
感应电机优化模型预测电压控制方法


[0001]本专利技术属于高性能感应电机调速控制
，具体涉及一种感应电机优化模型预测电压控制方法。

技术介绍

[0002]感应电机因其成本低、可靠性高、结构简单、价格低廉等诸多优点在工农业生产、交通运输、国防军事、航空航天等多个方面获得了广泛应用，目前，针对感应电机高性能控制系统通常采用矢量控制，然而，矢量控制中的级联结构以及调节器参数整定与脉宽调制等环节增加了控制的复杂度，同时限制了系统的动态响应速度。
[0003]近年来，模型预测控制作为一种新型控制方法在交流电机控制领域受到了越来越多的关注与研究，与矢量控制相比，模型预测控制无需电流内环、调节器参数整定及脉宽调制；与直接转矩控制相比，模型预测控制在线计算选取最优电压矢量，其对于最优电压矢量的选择更加精确有效。在感应电机模型预测控制系统中，设定合适的代价函数可以显著提高控制的灵活度，也可以同时对多种参数(如开关损耗、开关次数、无功功率控制、电机转矩纹波等)实现最优化控制。当感应电机模型预测控制系统中将定子电流作为控制目标时，系统被构建成感应模型预测电流控制系统。
[0004]感应电机模型预测电流控制具有多个突出优点，然而，传统模型预测电流控制通常采用对所有电压矢量进行遍历的方法选取最优矢量作用于逆变器，这种方法计算量大并占用系统资源，这限制了模型预测电流控制的进一步发展应用。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种感应电机优化模型预测电压控制方法，有效降低了系统运算量，提高了模型预测控制的实用性。
[0006]本专利技术所采用的技术方案是，感应电机优化模型预测电压控制方法，具体按照以下步骤实施：
[0007]步骤1、以感应电机定子电流和定子磁链为状态变量，建立感应电机数学模型；
[0008]步骤2、基于步骤1得到的感应电机数学模型，根据定子电压方程，计算得到定子电压参考值，以此为基础，计算参考电压矢量位置角，确定参考电压矢量所在的扇区，选择此扇区中非零矢量和零矢量作为待选电压矢量；
[0009]步骤3、基于步骤1得到的感应电机数学模型与步骤2得到的待选电压矢量，假设当前时刻为k时刻，对k+1时刻定子电流进行预测，得到待选电压矢量对应的定子电流预测值，在此基础上，根据定子电流预测值计算得到候选电压预测值；
[0010]步骤4、设计代价函数，将定子电压跟踪误差作为控制变量，同时在代价函数中设计过流保护环节，确保系统正常运行。
[0011]本专利技术的特点还在于，
[0012]步骤1具体按照以下步骤实施：
[0013]两相静止坐标系下的感应电机数学模型具体如下：
[0014][0015]其中，x＝[i
s ψ
s
]T
，u＝u
s
，
[0016][0017][0018]其中，
[0019]R
s
、R
r
表示电机定子电阻、转子电阻；
[0020]ψ
s
表示定子磁链矢量；
[0021]L
s
、L
r
、L
m
表示电机定子电感、转子电感、互感；
[0022]ω
r
表示电机转子速度；
[0023]u
s
表示定子电压矢量；
[0024]n
p
表示电机极对数；
[0025]i
s
表示定子电流矢量；
[0026]表示叉积。
[0027]步骤2具体按照以下步骤实施：
[0028]步骤2.1、在感应电机数学模型中，根据定子电压方程与定子电流参考值，得定子电压参考值为：
[0029][0030][0031]其中，为定子电流给定值，
[0032]步骤2.2、将参考电压经PARK逆变换转换成两相静止坐标系下的并根据式(4)计算参考电压矢量位置角：
[0033][0034]步骤2.3、两电平电压源型逆变器电路结构中每个桥臂包含2个开关管，若在一个控制周期内只发一个电压矢量，则两电平电压源型逆变器包含8个电压矢量u
i
，i＝0,1,2,3,4,5,6,7，从两电平电压源型逆变器的电压矢量分布看出，u0和u7为零矢量，u1、u2、u3、u4、u5、u6、u7为非零矢量，其中，6个非零矢量将平面分为6个扇区，每个扇区占据π/3角度。当位
置角θ取值为0<θ<π/3时，待选非零矢量为u1、u2；当位置角θ取值为π/3<θ<2π/3时，待选非零矢量为u2、u3；当位置角θ取值为2π/3<θ<π时，待选非零矢量为u3、u4；当位置角θ取值为π<θ<4π/3时，待选非零矢量为u4、u5；当位置角θ取值为4π/3<θ<5π/3时，待选非零矢量为u5、u6；当位置角θ取值为5π/3<θ<2π时，待选非零矢量为u6、u1。
[0035]步骤3具体按照以下步骤实施：
[0036]步骤3.1、根据感应电机数学方程，定子电流方程表示为：
[0037][0038]其中，
[0039]假设当前时刻为k时刻，采用前向欧拉离散法，得k+1时刻定子电流预测值为：
[0040][0041]其中，表示定子电流的k+1拍预测值，τ
σ
＝σL
s
/R
σ
，σ为漏磁系数，T为采样时间；
[0042]步骤3.2、基于k+1时刻定子电流预测值，根据定子电压方程，得k+1时刻定子电压预测值为：
[0043][0044][0045]其中，表示定子电压d轴分量u
d
的k+1拍预测值，表示定子电压q轴分量u
q
的k+1拍预测值；
[0046]步骤4具体按照以下步骤实施：
[0047]步骤4.1、根据步骤3中得到的k+1时刻定子电压预测值和定子电压给定值设计代价函数，将定子电压跟踪误差作为控制变量，代价函数表达式为：
[0048][0049]步骤4.2、代价函数值中在k+1时刻的过流保护分量被定义为
[0050][0051]如果某个电压矢量对应的估计电流绝对值大于设定的最大电流值|i
max
|，则该电压矢量对应的代价函数值为无穷大，这样根据最小化代价函数的选取原则，该电压矢量不会作为逆变器的输出，从而达到过流保护的目的；
[0052]步骤4.3、结合公式(9)和(10)，代价函数被修正为
[0053][0054]步骤4.4、将候选的2个非零电压矢量和零矢量分别带入公式(11)所示的代价函数，得到3个代价函数值，对这3个代价函数值排序并选取使代价函数值最小的电压矢量作为逆变器的输出；
[0055]步骤4.5本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.感应电机优化模型预测电压控制方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1、以感应电机定子电流和定子磁链为状态变量，建立感应电机数学模型；步骤2、基于步骤1得到的感应电机数学模型，根据定子电压方程，计算得到定子电压参考值，以此为基础，计算参考电压矢量位置角，确定参考电压矢量所在的扇区，选择此扇区中非零矢量和零矢量作为待选电压矢量；步骤3、基于步骤1得到的感应电机数学模型与步骤2得到的待选电压矢量，假设当前时刻为k时刻，对k+1时刻定子电流进行预测，得到待选电压矢量对应的定子电流预测值，在此基础上，根据定子电流预测值计算得到候选电压预测值；步骤4、设计代价函数，将定子电压跟踪误差作为控制变量，同时在代价函数中设计过流保护环节，确保系统正常运行。2.根据权利要求1所述的感应电机优化模型预测电压控制方法，其特征在于，所述步骤1具体按照以下步骤实施：两相静止坐标系下的感应电机数学模型具体如下：其中，x＝[i
s
ψ
s
]
T
，u＝u
s
，，其中，R
s
、R
r
表示电机定子电阻、转子电阻；ψ
s
表示定子磁链矢量；L
s
、L
r
、L
m
表示电机定子电感、转子电感、互感；ω
r
表示电机转子速度；u
s
表示定子电压矢量；n
p
表示电机极对数；i
s
表示定子电流矢量；表示叉积。3.根据权利要求2所述的感应电机优化模型预测电压控制方法，其特征在于，所述步骤2具体按照以下步骤实施：步骤2.1、在感应电机数学模型中，根据定子电压方程与定子电流参考值，得定子电压参考值为：
其中，为定子电流给定值，步骤2.2、将参考电压经PARK逆变换转换成两相静止坐标系下的并根据式(4)计算参考电压矢量位置角：步骤2.3、两电平电压源型逆变器电路结构中每个桥臂包含2个开关管，若在一个控制周期内只发一个电压矢量，则两电平电压源型逆变器包含8个电压矢量u
i
，i＝0,1,2,3,4,5,6,7，从两电平电压源型逆变器的电压矢量分布看出，u0和u7为零矢量，u1、u2、u3、u4、u5、u6、u7为非零矢量，其中，6个非零矢量将平面分为6个扇区，每个扇区占据π/3角度，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张延庆，高颖，尹忠刚，张彦平，高峰涛，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：