一种感应电机无电流传感器直接预测控制方法技术

本发明专利技术提供了一种感应电机无电流传感器直接预测控制方法，包括以下步骤：根据电机模型得到电流预测模型；测量电机转速和母线电压；预测7种电压矢量对应的下一采样时刻的电流；速度外环采用比例积分调节器，调节给定q轴电流；d轴电流采用定值；通过给定值和预测值选取合适的评价函数；计算7个预测电流对应的评价函数值；选择使评价函数最小的电压矢量，为最佳电压；记录最佳电压对应的预测电流；将这个预测电流作为反馈输入预测模型；将最佳电压对应的开关状态输送给逆变器。采用本方法，可以省去系统中的电流传感器，节约系统成本，具有良好的实用性和应用价值。

Direct current predictive control method for induction motor without current sensor

The invention provides an induction motor current sensorless direct predictive control method, which comprises the following steps: according to the motor model current predictive model; measurement of motor speed and voltage; current prediction of next sampling time of 7 kinds of voltage vector corresponding to the speed; the outer ring adopts proportional integral regulator, the regulation of the given q axis current; the d axis current by a fixed value; through the given value and the predictive value of selecting the appropriate evaluation function; evaluation function calculation of the 7 predicted current value corresponding to the minimum; choose to make the evaluation function of voltage vector for optimal voltage; predictive current voltage corresponding to the best record; the predicted current as the feedback input prediction model; transfer switch to the inverter voltage corresponding to the best state. With this method, the current sensor in the system can be omitted, and the system cost can be saved. The utility model has good practicability and application value.

【技术实现步骤摘要】
一种感应电机无电流传感器直接预测控制方法
本专利技术涉及一种感应电机无电流传感器直接预测控制方法，属于电机控制

技术介绍
感应电机(异步电机)由于其结构简单、维护容易、价格便宜、对环境要求低等优点，已广泛运用于工农业生产、交通运输、国防以及日常生活之中。但由于感应电机的磁链和电流的强耦合性、时变性与非线性，其调速难度很大。因此，20世纪70年代以前感应电机主要应用于对调速性能要求较低的场合。随着生产的发展，调速性能成了电气传动设备的一项基本要求，除了满足一定的调速范围以及速度连续可调之外，还必须具有良好的动态性能和鲁棒性。通常电机驱动系统有一个位置传感器和两个电流传感器，多个物理传感器的引入使系统的安全性和稳定性降低，且增加了成本和系统的复杂性。且由于各种因素，传感器一旦失效，将会引起系统的故障，若不能及时维修，将会造成系统的停止运行而造成巨大的经济损失，甚至造成大量的人身安全问题。解决上述问题通常采用硬件冗余方式解决，即通过硬件设备(如增加传感器)解决上述问题，但由于传感器价格高昂，增加传感器会增加成本，且会增加系统的体积和复杂性，同时，由于这种多电流传感器的电机控制方法中需要在电机驱动系统中设置多个电流传感器，而多个电流传感器输出特性不匹配会限制驱动系统的控制性能
技术实现思路
本专利技术为了解决感应电机驱动系统性能受多电流传感器限制的问题，本专利技术提出了一种感应电机无电流传感器直接预测控制方法，由于驱动系统中不设置电流传感器，无法通过电流传感器获得电流反馈，因此需要预测电流进行感应电机的直接预测控制。本专利技术所采取的技术方案如下：一种感应电机无电流传感器直接预测控制方法，所述预测控制方法包括如下步骤：步骤1：采用离散化方法对感应电机的状态方程进行离散化，获得电流预测模型，通过所述电流预测模型能够在已知k时刻电流状态的情况下获得k+1时刻的预测电流；步骤2：分别利用电压传感器和速度传感器测量母线电压Vdc和电机转速ω；步骤3：根据步骤2测得的电机转速ω获取磁链角θ；步骤4：将两相静止坐标系下的基本电压矢量uα、uβ转化为同步旋转正交坐标系下的电压ud、uq；步骤5：分别将k时刻的7种基本电压代入步骤1所述电流预测模型，获得7种基本电压对应的k+1时刻下一时刻的7个不同的预测电流；步骤6：将步骤5所述7个不同的预测电流代入感应电机控制系统的评价函数，获得7个评价函数值，其中，最小的评价函数值所对应的预测电流为k+1时刻的预测电流，并且，所述k+1时刻的预测电流对应的基本电压为最佳电压；步骤7：将步骤6所述最佳电压对应的开关状态输送至变频器，通过变频器实现对所述感应电机的控制；步骤8：将步骤6所述k+1时刻的预测电流反馈回步骤1所述电流预测模型，获得k+2时刻的预测电流；步骤9：重复步骤1至步骤8直至完成所述感应电机所有时刻的电流预测以及完成基于最后时刻的电流预测对所述感应电机的控制。优选地，步骤1中所述状态方程为dq坐标系(同步旋转正交坐标系)中的电压方程，所述状态方程的模型为：其中，id、iq分别为dq坐标系中d、q轴的定子电流；ud、uq分别为dq坐标系中d、q轴的定子电压；ω为所述感应电机的电角速度；ω1为所述感应电机的同步角转速；Rs、Rr分别为所述感应电机的定子电阻和转子电阻；Ls、Lr、Lm分别为所述感应电机的定子电感、转子电感和定转子互感；σ＝1-Lm2/LsLr表示所述感应电机的漏感系数；di/dt表示微分；Tr＝Lr/Rr表示所述感应电机的转子电磁时间常数；ψrd、ψrq分别表示dq坐标系中d、q轴的转子磁链。优选地，步骤1中所述离散化方法为前向欧拉法，即在采样时间T足够小时，有优选地，所述步骤1中，离散化时，将电机按转子磁链定向，有ψrd＝Lmid＝ψr，ψrq＝0。因此离散化后得到的预测模型为其中，这里，上标“^”表示预测值，即和分别表示id和iq的电流预测值，T表示电流和电压的采样周期，即为离散间隔时间，表示每隔T时间计算一次。优选地，在步骤3中，磁链角的计算公式如下：优选地，步骤5所述7种基本电压为：基本电压矢量为，在两相静止坐标系(即αβ坐标系)中，共8种开关状态形成的7种电压矢量。电压矢量的表示为u＝uα+juβ，j为虚数单位。开关状态0表示该桥臂上管关闭，下管导通；开关状态1表示该桥臂上管导通，下管关闭。当开关状态为000时，u0＝0；当开关状态为100时，u1＝2/3*Vdc+j0；当开关状态为110时，当开关状态为010时，当开关状态为011时，u4＝-2/3*Vdc+j0；当开关状态为001时，当开关状态为101时，当开关状态为111时，u7＝0。由于u0＝u7＝0，因此，在代入预测方程时，只需要计算7个值，这里取u0～u6。优选地，步骤7所述开关状态为：最佳电压为u0时，输送给逆变器的开关状态为{010101}；最佳电压为u1时，输送给逆变器的开关状态为{100101}；最佳电压为u2时，输送给逆变器的开关状态为{101001}；最佳电压为u3时，输送给逆变器的开关状态为{011001}；最佳电压为u4时，输送给逆变器的开关状态为{011010}；最佳电压为u5时，输送给逆变器的开关状态为{010110}；最佳电压为u6时，输送给逆变器的开关状态为{100110}。优选地，步骤6所述感应电机控制系统的评价函数模型为：其中，为参考电流，为预测电流；评价函数描述了参考电流和预测电流的误差；d轴参考电流id*是直接给定的，为一个常数；q轴给定电流iq*是由转速外环—一个比例积分调节器得到的。本专利技术有益效果：本专利技术提出了一种感应电机无电流传感器直接预测控制方法克服了传统感应电机驱动系统中需要电流传感器获取电流反馈以及PWM调制来实现感应电机控制的技术偏见，采用基本电压矢量对电流进行预测，本专利技术提出的控制方法能够在感应电机的驱动系统中只有一个速度传感器、没有电流传感器的情况下实现电机的控制，具体效果如下(1)本专利技术只采用7种基本矢量作为控制电压，利用评价函数直接选出最佳电压作用于电机，无需经过PWM调制，省去了PWM脉宽调制信号发生器，简化了结构。且传统PWM控制需要3个电压矢量对电机进行控制(两个基本电压矢量和一个零矢量)，需要分别计算三个电压矢量的作用时间，计算较复杂。因此，采用本专利技术的直接预测控制，简化了感应电机驱动系统设计过程中的计算复杂性。(2)本专利技术相对传统方案，采用了无电流传感器的控制方式，采用预测控制，节约了系统成本的同时，大大降低了系统结构的复杂度，另外，电流传感器的零使用，减少了感应电机驱动系统的硬件应用，简化了控制系统的硬件结构，完全避免了因电流传感器硬件结构带来的硬件故障涉及的安全隐患以及硬件维修带来的不便，同时，也完全避免了因多个电流传感器输出特性不匹配(例如：电流传感器测量便宜、传感器增益不同一起的转矩脉动等)导致感应电机驱动系统性能受限的问题，大大提高了感应电机控制系统的安全性和稳定性，同时也大大提高了感应电机驱动系统的简洁性和经济性。总之，本专利技术创造性地将无电流传感器和预测控制相结合，使得电机在无电流传感器的条件下也能运行，从而大大简化了系统复杂性，节约了成本，是对现有技术的重要改进。附图说明图1：本专利技术实施例的控制方案原理图；图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种感应电机无电流传感器直接预测控制方法，其特征在于，所述预测控制方法包括如下步骤：步骤1：采用离散化方法对感应电机的状态方程进行离散化，获得电流预测模型，通过所述电流预测模型能够在已知k时刻电流状态的情况下获得k+1时刻的预测电流；步骤2：分别利用电压传感器和速度传感器测量母线电压Vdc和电机转速ω；步骤3：根据步骤2测得的电机转速ω获取磁链角θ；步骤4：将两相静止坐标系下的基本电压矢量uα、uβ转化为同步旋转正交坐标系下的电压ud、uq；步骤5：分别将k时刻的7种基本电压代入步骤1所述电流预测模型，获得7种基本电压对应的k+1时刻下一时刻的7个不同的预测电流；步骤6：将步骤5所述7个不同的预测电流代入感应电机控制系统的评价函数，获得7个评价函数值，其中，最小的评价函数值所对应的预测电流为k+1时刻的预测电流，并且，所述k+1时刻的预测电流对应的基本电压为最佳电压；步骤7：将步骤6所述最佳电压对应的开关状态输送至变频器，通过变频器实现对所述感应电机的控制；步骤8：将步骤6所述k+1时刻的预测电流反馈回步骤1所述电流预测模型，获得k+2时刻的预测电流；步骤9：重复步骤1至步骤8直至完成所述感应电机所有时刻的电流预测以及完成基于最后时刻的电流预测对所述感应电机的控制。...

【技术特征摘要】
1.一种感应电机无电流传感器直接预测控制方法，其特征在于，所述预测控制方法包括如下步骤：步骤1：采用离散化方法对感应电机的状态方程进行离散化，获得电流预测模型，通过所述电流预测模型能够在已知k时刻电流状态的情况下获得k+1时刻的预测电流；步骤2：分别利用电压传感器和速度传感器测量母线电压Vdc和电机转速ω；步骤3：根据步骤2测得的电机转速ω获取磁链角θ；步骤4：将两相静止坐标系下的基本电压矢量uα、uβ转化为同步旋转正交坐标系下的电压ud、uq；步骤5：分别将k时刻的7种基本电压代入步骤1所述电流预测模型，获得7种基本电压对应的k+1时刻下一时刻的7个不同的预测电流；步骤6：将步骤5所述7个不同的预测电流代入感应电机控制系统的评价函数，获得7个评价函数值，其中，最小的评价函数值所对应的预测电流为k+1时刻的预测电流，并且，所述k+1时刻的预测电流对应的基本电压为最佳电压；步骤7：将步骤6所述最佳电压对应的开关状态输送至变频器，通过变频器实现对所述感应电机的控制；步骤8：将步骤6所述k+1时刻的预测电流反馈回步骤1所述电流预测模型，获得k+2时刻的预测电流；步骤9：重复步骤1至步骤8直至完成所述感应电机所有时刻的电流预测以及完成基于最后时刻的电流预测对所述感应电机的控制。2.根据权利要求1所述感应电机无电流传感器直接预测控制方法，其特征在于，步骤1中所述状态方程为dq坐标系中的电压方程，所述状态方程的模型为：其中，id、iq分别为dq坐标系中d、q轴的定子电流；ud、uq分别为dq坐标系中d、q轴的定子电压；ω为所述感应电机的电角速度；ω1为所述感应电机的同步角转速；Rs、Rr分别为所述感应电机的定子电阻和转子电阻；Ls、Lr、Lm分别为所述感应电机的定子电感、转...

【专利技术属性】
技术研发人员：于泳，陈仙乐，董震，徐殿国，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23