一种开关磁阻轮毂电机自抗扰模型预测控制器构造方法技术

本发明专利技术公开了一种开关磁阻轮毂电机自抗扰模型预测控制器构造方法，包括检测模块采集k时刻的电流ik和角度信号θk，由速度计算模块通过角度计算出k时刻转速ωk，将采集的k时刻的电流ik和角度信号θk输入MPC控制器，通过该MPC控制器预测出k+1时刻的磁链值ψk+1，进而计算出k+1时刻的电流值ik+1，成本函数模块输出开关量占空比uk，进而功率变换器通过开关量占空比uk控制开关管的通断时间，保证开关磁阻电机的运行；最后将采集的速度信号ωk输入自抗扰控制器中，并给定参考转速，通过该自抗扰控制器得出预测模块给定的参考电流iref。本发明专利技术采用了模型预测控制，可以实现模型的滚动优化与校正，提高模型的准确性和增加控制的稳定性，进而减小转矩脉动。

A Method of Constructing ADRC Model Predictive Controller for Switched Reluctance Hub Motor

The invention discloses a method for constructing an active disturbance rejection model predictive controller of switched reluctance hub motor, which includes a detection module collecting current IK and angle signal theta K at k-time, calculating k-time speed_k by speed calculation module through angle, and inputting current IK and angle signal theta K at k-time into MPC controller. Through the MPC controller, the flux linkage value_k+1 at k+1 time is predicted, and entering into MPC controller. The current value ik+1 at k+1 time is calculated, and the duty cycle UK of the switch is output by the cost function module. Then the power converter controls the on-off time of the switch through the duty cycle UK to ensure the operation of the switched reluctance motor. Finally, the collected speed signal_k is input into the ADRC and the reference speed is given. The parameters given by the ADRC are obtained. The test current iref. The invention adopts model predictive control, realizes rolling optimization and correction of the model, improves the accuracy of the model and increases the stability of the control, thereby reducing the torque ripple.

【技术实现步骤摘要】
一种开关磁阻轮毂电机自抗扰模型预测控制器构造方法
本专利技术涉及了一种开关磁阻轮毂电机自抗扰模型预测控制器构造方法，属于电机控制

技术介绍
开关磁阻电机(SwitchedReluctanceMotor，SRM)具有结构简单，可靠性高，调速范围宽，高启动转矩和无需永磁材料等突出特点，是新能源汽车用轮毂电机的热门课题。SRM的磁场是由脉动电流产生的，因此由转矩脉动产生的振动和噪声成为SRM较为突出的缺点，这严重限制了开关磁阻电机在轮毂电机领域的推广应用。因此对减少振动和降低噪声的探讨，成为了国内外学者广泛关注的焦点。先进的控制方法可以一定程度上减小转矩脉动。对于传统的PID控制，当被控对象处于经常变化的环境中时，需要根据环境的变化来调整PID增益，因此PID控制在实际应用中不够灵活。相比之下模型预测控制(ModelPredictiveControl，MPC)可以滚动优化其模型，且其逻辑简单、易处理非线性、多变量系统，在功率变换器控制算法中逐渐受到关注。根据控制器的状态组合与受控对象的物理特性，MPC可依据预测结果直接产生功率变换器驱动信号，易于降低开关管动作频率，动态响应快。轮毂电机的工作环境较为恶劣，易对电机运行产生较大的干扰，因此对控制的鲁棒性及稳定性具有较高的要求。自抗扰控制器可以不依赖于被控对象的精确数学模型，具有很高的鲁棒性，且其结构简单、设计方便、抗干扰能力较强，可以提高控制系统的性能。
技术实现思路
本专利技术的目的构造一种自抗扰模型预测控制器。由自抗扰控制器将转速误差值确定为电流参考值，由模型预测控制器实现精确的电流跟踪控制，提高开关磁阻轮毂电机控制的鲁棒性及稳定性，减小电机运行的转矩脉动。本专利技术的技术方案是：一种开关磁阻轮毂电机自抗扰模型预测控制器构造方法，包括以下步骤：检测模块采集k时刻的电流ik和角度信号θk，由速度计算模块通过角度计算出k时刻转速ωk，将采集的k时刻的电流ik和角度信号θk输入MPC控制器，通过该MPC控制器预测出k+1时刻的磁链值ψk+1，进而计算出k+1时刻的电流值ik+1，在MPC控制器中将给定参考电流iref通过成本函数模块实现电流跟踪控制，成本函数模块输出开关量占空比uk，进而功率变换器通过开关量占空比uk控制开关管的通断时间，保证开关磁阻电机的运行；最后将采集的速度信号ωk输入自抗扰控制器中，并给定参考转速，通过该自抗扰控制器得出预测模块给定的参考电流iref。进一步，MPC控制器的构建过程为：2.1)建立开关磁阻电压平衡方程；为减小电流模型预测控制器的计算负担，忽略涡流、相邻相之间的互感，得到开关磁阻电机电压动态平衡方程：其中i(t)和v(t)分别为连续时间下的相电流和相电压，Rres为相电阻，由于开关磁阻电机固有的非线性特性，相电感L与转子位置θ和相电流i(t)有关，表示为L(θ，i(t))，为时变参数，ψ(t)为连续时间下的磁链值，与电感和电流有关，记为ψ(i(t)，L(θ，i(t)))；2.2)建立单步预测模型，采集k时刻位置和电流值，即可预测k+1时刻的电流值；将开关磁阻电机电压动态方程进行离散化，假设相电感在一个采样周期内保持不变，采用欧拉离散公式可以得到电压方程的离散公式其中ak＝(1-RTs/Lk)，bk＝VdcTs，ck＝1/Lk，Ts为采样周期，Lk为k时刻的电感，Vdc为外接电源电压，uk为PWM波占空比，用于控制功率变换器中的开关器件；2.3)建立多步预测模型，采集k时刻位置和电流值，即可预测在预测时域P内的电流值，并得到控制时域M内的控制变量Uk；模型预测控制具有线性系统的叠加性，因此改写为的矩阵形式其中M为控制时域，P为预测时域(M＜P)，为由k时刻磁链ψk预测的磁链矩阵，包含预测时域P内的各时刻的磁链值，Ak与Bk为系数矩阵，Uk为由k时刻所预测的控制变量矩阵，包含控制时域M内各时刻的占空比；模型预测控制是采用最优的控制量来实现控制目标，采用线性二次型成本函数来寻找最优控制量，通过成本函数可以计算出k时刻的最优控制量uk，并将该最优控制量输入给功率变换器控制开关管的导通时间。进一步，采用线性二次型成本函数来寻找最优控制量为：其中Q和R分别为误差权重因子和控制权重因子，为k时刻所预测的电流矩阵，Iref为给定的电流的参考值，设定目标值减小电流脉动。进一步，将采集的速度信号ωk输入自抗扰控制器中，并给定参考转速，通过该自抗扰控制器得出预测模块给定的参考电流iref的具体过程为：4.1)采用一阶跟踪微分器给转速参考值ωref安排合适的过渡过程，从而得到一个光滑的一阶跟踪微分器输出信号v，一阶跟踪微分器输入与输出的关系为：其中r、α0、δ0为可调参数，其中非线性函数fal为：其中e，α，δ均为表达公式的数学变量，无物理含义，sgn为符号函数；4.2)构建二阶扩张状态观测器，二阶扩张状态观测器的输入信号为电机的转速信号ω及预测控制器的输入信号iref，输出信号为各阶状态量的估计值z1、z2，其中z1用来跟踪电机的输出转速信号，z2用来跟踪系统的未知扰动，二阶扩张状态观测器的输入输出关系为：其中δ1、δ2、α1、α2、β1、β2为可调参数，根据轮毂电机的运行工况选取；4.3)构建非线性PID控制器，将一阶微分器输出与二阶扩张状态观测器的输出比较，确定系统误差e＝v-z1，将其作为非线性PID控制器的输入信号，非线性PID输入与输出的关系为iref＝β3fal((v-z1)，α3，δ3)-z2/b0其中β3、α3、δ3、b0，为可调参数，根据轮毂电机的运行工况选取。进一步，还包括构建人群搜索算法优化控制器，由于自抗扰控制器存在过多可调参数，选取了β1、β2、β3参数通过人群搜索算法优化控制器算法优化选择：5.1)参数编码初始化：系统随机产生S*D的位置矩阵，其中S为种群p中的个体数，D为个体的维数，设定为3，即分别代表β1、β2、β3三个参数，可以记为其中i＝1，2，3，...，S；t＝0为迭代次数，xij为位置矩阵内的个体变量；5.2)对搜寻着个体进行适应度函数计算：选取最小目标函数时，选择绝对误差的时间积分性能指标，在目标函数中添加一个输入的二次方，求取目标函数J；5.3)通过计算得出所有个体i在所有维度j的步长αij(t)以及搜寻方向dij(t)，其中j＝1，2，3；5.4)更新搜寻者位置；5.5)比较结束条件：当适应度值满足要求时停止优化，否则从第5.2)步进行重复优化并令t＝t+1。进一步，求取目标函数J为：其中，e(t)为系统误差，即偏差e1，u(t)为控制器输出，即参考电流iref，ω1、ω2为权值。进一步，ω1＝0.999，ω2＝0.001。进一步，步骤5.3)的具体过程为：搜索步长模糊变量选择高斯隶属函数uA，表示为其中x为步骤5.1)中的输入变量；u、δ为隶属函数参数，0.0111＜u＜1，采用线性隶属函数来描绘隶属度与函数值之间的递进关系，如式：uij＝rand(ui，1)其中ui为目标i的隶属度，uij为目标值i在j维空间下的隶属度；函数rand作用为随机均匀生成实数，表示人群搜索行为的随机性，则搜索步长确定为其中αij为j维空间的搜索步长；δij为高斯隶属度参数，搜索方向主要根据算法的利己方向利他方向本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种开关磁阻轮毂电机自抗扰模型预测控制器构造方法，其特征在于，包括以下步骤：检测模块采集k时刻的电流ik和角度信号θk，由速度计算模块通过角度计算出k时刻转速ωk，将采集的k时刻的电流ik和角度信号θk输入MPC控制器，通过该MPC控制器预测出k+1时刻的磁链值ψk+1，进而计算出k+1时刻的电流值ik+1，在MPC控制器中将给定参考电流iref通过成本函数模块实现电流跟踪控制，成本函数模块输出开关量占空比uk，进而功率变换器通过开关量占空比uk控制开关管的通断时间，保证开关磁阻电机的运行；最后将采集的速度信号ωk输入自抗扰控制器中，并给定参考转速，通过该自抗扰控制器得出预测模块给定的参考电流iref。

【技术特征摘要】
1.一种开关磁阻轮毂电机自抗扰模型预测控制器构造方法，其特征在于，包括以下步骤：检测模块采集k时刻的电流ik和角度信号θk，由速度计算模块通过角度计算出k时刻转速ωk，将采集的k时刻的电流ik和角度信号θk输入MPC控制器，通过该MPC控制器预测出k+1时刻的磁链值ψk+1，进而计算出k+1时刻的电流值ik+1，在MPC控制器中将给定参考电流iref通过成本函数模块实现电流跟踪控制，成本函数模块输出开关量占空比uk，进而功率变换器通过开关量占空比uk控制开关管的通断时间，保证开关磁阻电机的运行；最后将采集的速度信号ωk输入自抗扰控制器中，并给定参考转速，通过该自抗扰控制器得出预测模块给定的参考电流iref。2.根据权利要求1所述的一种开关磁阻轮毂电机自抗扰模型预测控制器构造方法，其特征在于，MPC控制器的构建过程为：2.1)建立开关磁阻电压平衡方程；为减小电流模型预测控制器的计算负担，忽略涡流、相邻相之间的互感，得到开关磁阻电机电压动态平衡方程：其中i(t)和v(t)分别为连续时间下的相电流和相电压，Rres为相电阻，由于开关磁阻电机固有的非线性特性，相电感L与转子位置θ和相电流i(t)有关，表示为L(θ，i(t))，为时变参数，ψ(t)为连续时间下的磁链值，与电感和电流有关，记为ψ(i(t)，L(θ，i(t)))；2.2)建立单步预测模型，采集k时刻位置和电流值，即可预测k+1时刻的电流值；将开关磁阻电机电压动态方程进行离散化，假设相电感在一个采样周期内保持不变，采用欧拉离散公式可以得到电压方程的离散公式其中ak＝(1-RTs/Lk)，bk＝VdcTs，ck＝1/Lk，Ts为采样周期，Lk为k时刻的电感，Vdc为外接电源电压，uk为PWM波占空比，用于控制功率变换器中的开关器件；2.3)建立多步预测模型，采集k时刻位置和电流值，即可预测在预测时域P内的电流值，并得到控制时域M内的控制变量Uk；模型预测控制具有线性系统的叠加性，因此改写为的矩阵形式其中M为控制时域，P为预测时域(M＜P)，为由k时刻磁链ψk预测的磁链矩阵，包含预测时域P内的各时刻的磁链值，Ak与Bk为系数矩阵，Uk为由k时刻所预测的控制变量矩阵，包含控制时域M内各时刻的占空比；模型预测控制是采用最优的控制量来实现控制目标，采用线性二次型成本函数来寻找最优控制量，通过成本函数可以计算出k时刻的最优控制量uk，并将该最优控制量输入给功率变换器控制开关管的导通时间。3.根据权利要求2所述的一种开关磁阻轮毂电机自抗扰模型预测控制器构造方法，其特征在于，采用线性二次型成本函数来寻找最优控制量为：其中Q和R分别为误差权重因子和控制权重因子，为k时刻所预测的电流矩阵，Iref为给定的电流的参考值，设定目标值减小电流脉动。4.根据权利要求1所述的一种开关磁阻轮毂电机自抗扰模型预测控制器构造方法，其特征在于，将采集的速度信号ωk输入自抗扰控制器中，并给定参考转速，通过该自抗扰控制器得出预测模块给定的参考电流iref的具体过程为：4.1)采用一阶跟踪微分器给转速参考值ωref安排合适的过渡过程，从而得到一个光滑的一阶跟踪微分器输出信号v，一阶跟踪微分器输入与输出的关系为：其中r、...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈龙，王浩祥，孙晓东，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32