有限狀態(tài)集異步電機模型預測磁鏈控制方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種有限狀態(tài)集異步電機模型預測磁鏈控制方法，包括：轉(zhuǎn)矩指令通過速度外環(huán)PI調(diào)節(jié)器得到，磁鏈幅值指令設(shè)為額定值；得到等效的定子磁鏈矢量指令；計算三段電壓矢量相應(yīng)的占空比；預測下一時刻的定子磁鏈矢量指令；選取使目標函數(shù)值最小的三段電壓矢量以及相應(yīng)的占空比作為預測控制器的最優(yōu)輸出信息；根據(jù)預測控制器的最優(yōu)輸出信息構(gòu)建逆變器每個開關(guān)管的驅(qū)動信號。本發(fā)明還公開了一種有限狀態(tài)集異步電機模型預測磁鏈控制裝置。本發(fā)明提供的基于三矢量的有限狀態(tài)集異步電機模型預測磁鏈控制方法及裝置，解決了傳統(tǒng)模型預測控制方案，需要繁復的權(quán)重系數(shù)調(diào)試，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩、電流紋波大，采樣頻率要求高，以及開關(guān)頻率不固定的問題。
【專利說明】有限狀態(tài)集異步電機模型預測磁鏈控制方法及裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及高性能異步電機調(diào)速控制【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是指一種有限狀態(tài)集異步電 機模型預測磁鏈控制方法及裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 有限狀態(tài)集模型預測控制是一種在線優(yōu)化控制算法，由于概念簡單，易于考慮系 統(tǒng)的約束以及具有優(yōu)秀的多變量控制能力等優(yōu)點，近些年吸引了國內(nèi)外大量學者對其在電 力傳動領(lǐng)域的應(yīng)用進行了研究。但是傳統(tǒng)方案以電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈幅值為控制變量，由 于轉(zhuǎn)矩和磁鏈幅值量綱的不一致性，需要設(shè)計合適的權(quán)重系數(shù)以保證系統(tǒng)在所有的運行點 均具有良好的動靜態(tài)性能。但是目前仍缺乏有效的理論原則來指導權(quán)重系數(shù)的設(shè)計，實際 應(yīng)用中往往需要通過大量的仿真和實驗來獲取合適的權(quán)重系數(shù)，大大限制了控制算法的通 用性和實用性。類似于直接轉(zhuǎn)矩控制，傳統(tǒng)的有限狀態(tài)集模型預測控制將所選擇的基本電 壓矢量作用于整個控制周期，這種做法帶來了一系列問題：采樣頻率要求高，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩、電 流紋波大，開關(guān)頻率不固定。目前尚沒有較好的方法能夠同時滿足：1)無需繁復的權(quán)重系 數(shù)設(shè)計過程；2)顯著改善穩(wěn)態(tài)控制性能；3)不依賴于高采樣率；4)基本固定的開關(guān)頻率。 因此，需要開發(fā)出一種簡單實用的方法，在獲取更好的控制性能的同時提高方法的通用性 和實用性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提出一種有限狀態(tài)集異步電機模型預測磁鏈控制方 法及裝置，解決了傳統(tǒng)有限狀態(tài)集模型預測控制以轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈幅值為控制變量時，需 要繁復的權(quán)重系數(shù)調(diào)試，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩、電流紋波大，采樣頻率要求高，以及開關(guān)頻率不固定的 問題。
[0004] 基于上述目的本發(fā)明提供的有限狀態(tài)集異步電機模型預測磁鏈控制方法，包括：
[0005] 整個系統(tǒng)采用串聯(lián)控制結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)矩指令通過速度外環(huán)PI調(diào)節(jié)器得到；在基速以下 不考慮弱磁運行，磁鏈幅值指令設(shè)為額定值；
[0006] 根據(jù)得到的轉(zhuǎn)矩指令和磁鏈幅值指令，可以根據(jù)電機的數(shù)學模型得到等效的定子 磁鏈矢量指令；
[0007] 根據(jù)得到的定子磁鏈矢量指令，采用改進的三矢量有限狀態(tài)集模型預測控制實現(xiàn) 對指令值的跟蹤控制；三段電壓矢量的占空比根據(jù)最小化磁鏈跟蹤誤差的原則來確定；
[0008] 根據(jù)三段電壓矢量以及得到的相應(yīng)的占空比，預測下一時刻的定子磁鏈矢量指 令；
[0009] 根據(jù)得到的下一時刻的定子磁鏈矢量指令計算相應(yīng)目標函數(shù)，選取使目標函數(shù)值 最小的三段電壓矢量以及相應(yīng)的占空比作為預測控制器的最優(yōu)輸出信息；
[0010] 根據(jù)預測控制器的最優(yōu)輸出信息構(gòu)建逆變器每個開關(guān)管的驅(qū)動信號。
[0011] 在一些實施方式中，所述轉(zhuǎn)矩指令通過速度外環(huán)PI調(diào)節(jié)器得到的步驟為：
[0012] 根據(jù)外環(huán)轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器得到的轉(zhuǎn)矩指令，具體表達式為

【權(quán)利要求】
1. 一種有限狀態(tài)集異步電機模型預測磁鏈控制方法，其特征在于，包括： 整個系統(tǒng)采用串聯(lián)控制結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)矩指令通過速度外環(huán)PI調(diào)節(jié)器得到；在基速以下不考 慮弱磁運行，磁鏈幅值指令設(shè)為額定值； 根據(jù)得到的轉(zhuǎn)矩指令和磁鏈幅值指令，可以根據(jù)電機的數(shù)學模型得到等效的定子磁鏈 矢量指令； 根據(jù)得到的定子磁鏈矢量指令，采用改進的三矢量有限狀態(tài)集模型預測控制實現(xiàn)對指 令值的跟蹤控制；三段電壓矢量的占空比根據(jù)最小化磁鏈跟蹤誤差的原則來確定； 根據(jù)三段電壓矢量以及得到的相應(yīng)的占空比，預測下一時刻的定子磁鏈矢量指令； 根據(jù)得到的下一時刻的定子磁鏈矢量指令計算相應(yīng)目標函數(shù)，選取使目標函數(shù)值最小 的三段電壓矢量以及相應(yīng)的占空比作為預測控制器的最優(yōu)輸出信息； 根據(jù)預測控制器的最優(yōu)輸出信息構(gòu)建逆變器每個開關(guān)管的驅(qū)動信號。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的有限狀態(tài)集異步電機模型預測磁鏈控制方法，其特征在于， 所述轉(zhuǎn)矩指令通過速度外環(huán)PI調(diào)節(jié)器得到的步驟為： 根據(jù)外環(huán)轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器得到的轉(zhuǎn)矩指令，具體表達式為
其中，kp和ki分別為PI調(diào)節(jié)器中的比例增益和積分增益； 所述根據(jù)得到的轉(zhuǎn)矩指令和磁鏈幅值指令，可以根據(jù)電機的數(shù)學模型得到等效的定子 磁鏈矢量指令的步驟包括： 根據(jù)得到的轉(zhuǎn)矩指令以及直接設(shè)定的磁鏈幅值指令，根據(jù)異步電機的數(shù)學模型計算等 效的定子磁鏈矢量指令，計算公式為：
其中，
為轉(zhuǎn)矩指令，
為磁鏈幅值指令，^為轉(zhuǎn)子磁鏈，其表達式為
，其中，、和!^分別為互感和轉(zhuǎn)子自感，式中的u/s為定子磁鏈，其 通過傳統(tǒng)的全階磁鏈觀測器得到。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的有限狀態(tài)集異步電機模型預測磁鏈控制方法，其特征在于， 所述根據(jù)得到的定子磁鏈矢量指令，針對每個非零電壓矢量，根據(jù)最小化磁鏈跟蹤誤差的 原理計算三段電壓矢量相應(yīng)的占空比的步驟包括： 在每個控制周期施加三段基本電壓矢量U(l，ux，U()ld為上一周期最后作用的電壓矢 量，uQ為零矢量，ux為待選電壓矢量； 根據(jù)獲取的定子磁鏈矢量指令，基于最小化磁鏈跟蹤誤差的原理來計算待評估的三段 電壓矢量相應(yīng)的占空比，計算公式如下：
分別為三段電壓矢量在一個控制周 期內(nèi)的占空比，Ts。為控制周期，Vs為當前時刻估計的定子磁鏈，Rs為定子電阻，i s為定子 電流矢量。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的有限狀態(tài)集異步電機模型預測磁鏈控制方法，其特征在于， 所述根據(jù)三段電壓矢量以及得到的相應(yīng)的占空比，預測下一時刻的定子磁鏈矢量指令的步 驟中，預測的下一時刻定子磁鏈矢量指令的計算公式為：
其中，為二段電壓矢量中的上一周期最后作用的電壓矢量，ux為二段電壓矢量中的 待選電壓矢量，dx分別為上一周期最后作用的電壓矢量和待選電壓矢量在一個控制周 期內(nèi)的占空比，T s。為控制周期，Vs為當前時刻估計的定子磁鏈，Rs為定子電阻，is為定子 電流矢量。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的有限狀態(tài)集異步電機模型預測磁鏈控制方法，其特征在于， 所述根據(jù)得到的下一時刻的定子磁鏈矢量指令計算相應(yīng)目標函數(shù)，選取使目標函數(shù)值最小 的三段電壓矢量以及相應(yīng)的占空比作為預測控制器的最優(yōu)輸出信息的步驟包括： 根據(jù)預測得到的下一時刻定子磁鏈矢量指令，構(gòu)建目標函數(shù)，其表達式為：
針對所有的非零電壓矢量，計算相應(yīng)的目標函數(shù)值； 選取使目標函數(shù)值最小的電壓矢量組合以及相應(yīng)的占空比作為預測控制器的最優(yōu)輸 出。
6. -種采用如權(quán)利要求1-5任意一項所述的有限狀態(tài)集異步電機模型預測磁鏈控制 方法的有限狀態(tài)集異步電機模型預測磁鏈控制裝置，其特征在于，包括三相電壓源、異步 電機、三相二極管整流橋、直流側(cè)電容、異步電機、電壓電流采樣電路、DSP控制器和驅(qū)動電 路； 其中，電壓電流采樣電路利用電壓霍爾傳感器和電流霍爾傳感器分別采集直流側(cè)電壓 以及異步電機兩相電流，采樣信號經(jīng)過信號調(diào)理電路后進入DSP控制器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號； DSP控制器完成如權(quán)利要求1-5任意一項所述的有限狀態(tài)集異步電機模型預測磁鏈控制方 法的運算，輸出六路開關(guān)脈沖，然后經(jīng)過驅(qū)動電路后得到逆變器的六個開關(guān)管的最終驅(qū)動 信號。
【文檔編號】H02P21/14GK104092422SQ201410363226
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月28日
【發(fā)明者】張永昌, 楊海濤 申請人:北方工業(yè)大學