基于模型预测磁链控制的矢量双选取转矩脉动抑制方法技术

本发明专利技术提供一种基于模型预测磁链控制的矢量双选取转矩脉动抑制方法，包括步骤：通过传感器测量定子的电流、转子的转速、转子的位置以及直流链路的电压等信息，计算当前时刻的定子的磁链和电机的转矩，通过转矩滞环选出待选的三个电压矢量，在K+1时刻补偿系统一阶延迟所带来的影响；在K+2时刻，利用评价函数选择第一个最优电压向量；将所述第一个最优电压向量依据开关状态切换的限制选择第二个电压矢量；通过求导获得相应电压矢量所施加的时间；将所述电压矢量经过占空比调制后，发送到三相不对称桥式变换器中；对开关磁阻电机进行控制。本专利所提方法与传统方式比较后，结果表明该方法对转矩脉动有更好的控制效果。

Vector Double Selection Torque Ripple Suppression Method Based on Model Predictive Flux Control

The invention provides a vector double-selection torque ripple suppression method based on model predictive flux control, which includes steps: calculating the stator flux and motor torque at the current time by measuring the current of the stator, rotor speed, rotor position and DC link voltage of the sensor, selecting three voltage vectors to be selected through the torque hysteresis loop, and compensating at K+1 time. To compensate for the effect of the first-order delay of the system, the first optimal voltage vector is selected by the evaluation function at K+2; the second optimal voltage vector is selected according to the restriction of switching state; the time applied by the corresponding voltage vector is obtained by derivation; and the voltage vector is sent to three-phase asymmetric bridge-type variable after duty cycle modulation. In the converter, the switched reluctance motor is controlled. Compared with the traditional method, the proposed method has better control effect on the torque ripple.

【技术实现步骤摘要】
基于模型预测磁链控制的矢量双选取转矩脉动抑制方法
本专利技术涉及电机及其控制
，具体而言，尤其涉及一种基于模型预测磁链控制的矢量双选取转矩脉动抑制方法。
技术介绍
自20世纪80年代开关磁阻电机成为研究热点以来，无论是理论研究还是在现实生活中实际引用均呈现出其广阔的发展前景。经过几十多年的努力，其的应用领域已不仅仅局限于牵引运输等对转矩脉动要求不高的场合。如今，在通用工业、家用电器和航空工业等各个领域中，它的应用也变得越来越广泛。开关磁阻电机的迅速发展正是因为其下显著特性：(1)结构坚固简单，工作可靠性高，对各种高温强震等恶劣环境具有很强的适应性。(2)启动转矩大，且不会出现异步电动机在启动时所出现的冲击电流现象。(3)在功率变换电路中无桥臂直通的现象。(4)调速范围很宽，控制简单、直接，且具有良好的运行特性；在宽广的功率和转速范围内表现出良好的稳定性。(5)可以工作在四象限，再生制动能力相对较强。(5)效率高，能耗较小且在启动比较频繁的领域中的应用更加广泛。虽然开关磁阻电机具有上述显著优点，但其双凸极结构带来的非线性、磁路的高饱和、绕组主回路采用开关式的通电方式以及低速时反电动势比较小等弊端，将引起电机的转矩脉动大、噪音大等问题，这就在一定程度上限制了SRM在低转矩脉动场合中的应用。
技术实现思路
根据上述提出的技术问题，而提供基于模型预测磁链控制的矢量双选取转矩脉动抑制方法。本专利技术提出基于模型预测磁链控制的矢量双选取转矩脉动抑制方法，其特征在于，至少包括以下步骤：S1：通过传感器测量定子的电流、转子的转速、转子的位置以及直流链路的电压；S2：计算K时刻的定子的磁链和电机的转矩；S3：通过转矩控制的滞环，比较当前时刻K的转矩值与PI环设定的转矩值选出待选的三个电压矢量；S4：考虑系统一阶延迟的影响计算K+1时刻的定子电流；S5：将待选的电压矢量带入二阶龙格-库塔法公式来预测K+2时刻的定子电流；S6：利用评价函数选择第一个最优电压向量Ua；S7：将所述第一个最优电压向量依据开关状态切换的限制选择第二个电压矢量Ub；S8：通过求导获得相应电压矢量所施加的时间；S9：将所述电压矢量经过占空比调制后，发送到三相不对称桥式变换器中；S10：对开关磁阻电机进行控制。进一步的，所述计算K时刻的定子的磁链和电机的转矩，对齐位置d轴和未对齐位置q轴处的磁链曲线为：ψq＝Lqi(1)；ψd＝Ldsati+A(1-e-Bi)(2)；其中，Ldsat表示d轴上的饱和电感，A和B分别表示i＝0与i＝Im时的常数，Im表示定子绕组的最大电流，则：A＝ψm-LdsatIm(3)；B＝(Ld-Ldsat)/(ψm-LdsatIm)(4)；其中，Ld表示d轴上的不饱和电感，ψm表示在i＝Im时的磁链值，则开关磁阻电机的磁链为：ψ(i,θ)＝Lqi+[Ldsati+A(1-e-Bi)-Lqi]f(θ)(5)；其中，Lq表示未对准电感，θ表示定子与转子的相对位置角。更进一步的，所述当前时刻K的转矩值为：电机的转矩特性由电机的电磁方程式得出，推导过程如下：将非线性磁链展开便可得到：等式两边同时乘以电流i，便可得到功率：根据能量守恒定律，从电源部分传输到磁场中的有功功率可表示为：Peff＝ei(10)；其中，e＝v-Ri，则在dt时间内，通过机械能方式输出的能量和从电源侧传输到磁场的能量之和dWe为：dWe＝eidt＝dWm+dWf(11)；其中，dWm表示机械能的微分，dWf表示磁场能量的微分；则所述磁场能量用电流和角度的偏微分项表示为：从磁储能的角度来考虑可得：而将式(13)、(14)代入式(11)得：在SRM中，瞬时转矩可表示为：将式(15)代入得：由于SRM双凸极结构所造成的高度磁饱和特性，忽略因此转矩的表达式为：进一步的，所述预测下一个周期的电流；所述电流的变化率为：基于欧拉前向离散方法，对下一个控制周期的定子电流ik+1进行预测进一步的，所述二阶龙格-库塔法的离散方法，其表达为：其中，Ts表示控制周期，i'k+1表示电流的预测校正公式，ik+1表示下一时刻的电流值，则下一时刻的磁链值为：将候选电压矢量带入则k+2时刻的磁链值为ψk+2＝ψk+1+Ts(Uk+1-Rik+1)(24)；则评价函数为：g1＝|ψref|-|ψk+2||(25)；假设g1所选择的第一个电压矢量为Ua，其所施加的作用时间为Topt；设第二个所施加的电压矢量为Ub其所施加的作用时间为(Ts-Topt)，则在Ua作用后k+2时刻的磁链为：ψk+2＝ψk+1-Rik+1TS+ToptUa+(Ts-Topt)Ub(26)；则选择第二个电压矢量的评价函数可以表示为g2＝|Ψref-Ψk+2|2(27)；所述Topt的范围为0～Ts，由于公式(26)中只有Topt一个未知量，则：则求导Topt为：获得所选的电压矢量与其对应的作用时间。较现有技术相比，本专利技术具有以下优点：本专利技术提出了一种基于模型预测磁链控制的矢量双选取转矩脉动抑制方法，通过已知通用的非线性的磁链模型进行电压矢量的选择。相比于之前的基于直接转矩控制下的模型预测磁链控制相比，新算法考虑了一阶延迟对系统的影响，进行了多步预测控制。抑制效果更好。为了提高动态响应，并减少传统模型预测控制计算量大的问题，转矩滞环依然在原系统中保留。而双电压矢量的选取则基于两个关于磁链的评价函数，占空比的计算通过求导获得，进而可以依据当前时刻的磁链值与给定磁链之间的误差，在每个采样周期实现任何电压矢量的调制。本专利所提方法与传统直接转矩控制技术和基于模型磁链预测控制的单电压矢量转矩控制技术做了对比研究，结果表明该方法对转矩脉动有更好的控制效果。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术的整体流程示意图。图2为本专利技术实施例磁链曲线，(a)分析模型、(b)实测拟合曲线、(c)堵转试验结果。图3为本专利技术三相不对称半桥。图4为本专利技术电压矢量图及相应的开关状态。图5为本专利技术系统整体框图。图6为本专利技术双电压矢量效果图。图7为本专利技术实施例全过程转矩脉动时，(a)直接转矩控制、(b)单矢量模型预测控制、(c)双矢量模型预测控制。图8为本专利技术实施例加速到450r/min，负载10N·m时，(a)直接转矩控制、(b)单矢量模型预测控制、(c)双矢量模型预测控制。图9为本专利技术实施例恒速为450r/min，负载为10N·m时，(a)直接转矩控制、(b)单矢量模型预测控制、(c)双矢量模型预测控制。图10为本专利技术实施例加速到1200r/min，负载为10N·m时，(a)直接转矩控制、(b)单矢量模型预测控制、(c)双矢量模型预测控制。图11为本专利技术实施例恒速为1200r/min，负载为10N·m时，(a)直接转矩控制、(b)单矢量模型预测控制、(c)双矢量模型预测控制。图12为本专利技术实施例的磁链圆，(a)直接转矩控制、(b)单矢量模型预测控制、(c)双矢量模型预测控制。图13为本专利技术实施例恒速为1200r/min本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于模型预测磁链控制的矢量双选取转矩脉动抑制方法，其特征在于，至少包括以下步骤：S1：通过传感器测量定子的电流、转子的转速、转子的位置以及直流链路的电压；S2：计算K时刻的定子的磁链和电机的转矩；S3：通过转矩控制的滞环，比较当前时刻K的转矩值Tek与PI环设定的转矩值Teref，选出待选的三个电压矢量；S4：考虑系统一阶延迟的影响计算K+1时刻的定子电流；S5：将待选的电压矢量带入二阶龙格‑库塔法公式来预测K+2时刻的定子电流；S6：利用评价函数选择第一个最优电压向量Ua；S7：将所述第一个最优电压向量依据开关状态切换的限制选择第二个电压矢量Ub；S8：通过求导获得相应电压矢量所施加的时间；S9：将所述电压矢量经过占空比调制后，发送到三相不对称桥式变换器中；S10：对开关磁阻电机进行控制。

【技术特征摘要】
1.基于模型预测磁链控制的矢量双选取转矩脉动抑制方法，其特征在于，至少包括以下步骤：S1：通过传感器测量定子的电流、转子的转速、转子的位置以及直流链路的电压；S2：计算K时刻的定子的磁链和电机的转矩；S3：通过转矩控制的滞环，比较当前时刻K的转矩值Tek与PI环设定的转矩值Teref，选出待选的三个电压矢量；S4：考虑系统一阶延迟的影响计算K+1时刻的定子电流；S5：将待选的电压矢量带入二阶龙格-库塔法公式来预测K+2时刻的定子电流；S6：利用评价函数选择第一个最优电压向量Ua；S7：将所述第一个最优电压向量依据开关状态切换的限制选择第二个电压矢量Ub；S8：通过求导获得相应电压矢量所施加的时间；S9：将所述电压矢量经过占空比调制后，发送到三相不对称桥式变换器中；S10：对开关磁阻电机进行控制。2.根据权利要求1所述的基于模型预测磁链控制的矢量双选取转矩脉动抑制方法，其特征还在于：所述计算K时刻的定子的磁链和电机的转矩，对齐位置d轴和未对齐位置q轴处的磁链曲线为：ψq＝Lqi(1)；ψd＝Ldsati+A(1-e-Bi)(2)；其中，Ldsat表示d轴上的饱和电感，A和B分别表示i＝0与i＝Im时的常数，Im表示定子绕组的最大电流，则：A＝ψm-LdsatIm(3)；B＝(Ld-Ldsat)/(ψm-LdsatIm)(4)；其中，Ld表示d轴上的不饱和电感，ψm表示在i＝Im时的磁链值，则开关磁阻电机的磁链为：ψ(i,θ)＝Lqi+[Ldsati+A(1-e-Bi)-Lqi]f(θ)(5)；其中，Lq表示未对准电感，θ表示定子与转子的相对位置角。3.根据权利要求1所述的基于模型预测磁链控制的矢量双选取转矩脉动抑制方法，其特征还在于：所述当前时刻K的转矩值为：电机的转矩特性由电机的电磁方程式得出，推导过程如下：将非线性磁链展开便可得到：等式两边同时乘以电流i，便可得到功...

【专利技术属性】
技术研发人员：许爱德，商超亿，黄乐鹏，陈加贵，韩乐乐，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21