一种异步电机模型预测控制方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种异步电机模型预测控制方法，包括:根据外环转速PI调节器，生成转矩参考值；根据得到的所述转矩参考值和设定的定子磁链幅值，依据电机数学模型，生成磁链参考值的信息变量和转矩参考值的信息变量；根据得到的所述磁链参考值的信息变量和转矩参考值的信息变量，计算得出参考电压矢量；根据得到的所述参考电压矢量，构造代价函数并进行滚动优化，得出最优电压矢量，驱动逆变器各个开关器件。本发明专利技术提供的异步电机模型预测控制方法和装置，实现在一个控制周期内对定子电压参考矢量的跟踪控制，解决了传统模型预测控制方法以不同量纲的转矩和磁链幅值为控制目标时，需要对权重系数进行反复调试的问题，实现异步电机的高性能控制。

【技术实现步骤摘要】
一种异步电机模型预测控制方法及装置
本专利技术涉及异步电机调速控制领域，特别是指一种异步电机模型预测控制方法及装置。
技术介绍
模型预测控制是一种在线滚动优化控制算法，以其原理简单、容易处理非线性约束、易于实现多变量控制等优点，近些年来吸引了大量学者对其在电力传动领域的应用进行了广泛研究。但是传统方案的控制变量是量纲不一致的电磁转矩和定子磁链幅值，为实现系统在各种工况下均有良好的动静态性能，需要通过反复仿真和试验来确定合适的权重系数，大大限制了控制算法的通用性和实用性。为解决繁复的权重系数设计问题，有学者提出了一些解决方法，如文献《MultiobjectiveSwitchingStateSelectorforFinite-StatesModelPredictiveControlBasedonFuzzyDecisionMakinginaMatrixConverter》采用模糊逻辑决策过程来选择最优的变换器开关状态，能够较好解决多目标跟踪控制时权重系数选择的难题,但增加了算法复杂度。文献《PredictiveTorqueandFluxControlWithoutWeightingFactors》采用先计算磁链和转矩两个目标函数，然后对所有矢量在这两个目标函数下的值进行排序，综合得到最佳电压矢量，虽然省去了权重系数的设计，但额外的在线排序增加了算法的复杂度，不利于算法的工业实际应用。在专利CN106301127A《一种异步电机模型预测磁链控制方法及装置》中利用电机数学模型得到定子磁链矢量参考值再得到定子电压矢量参考值，在此过程中利用旋转变换以及角度和三角函数计算，程序计算负担较大。总之，现有这些方法大都比较复杂，实用性不强。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种简单低复杂度的异步电机模型预测控制方法及装置，显著提升控制效果。基于上述目的，本专利技术提供的异步电机模型预测控制方法，包括：根据外环转速PI调节器，生成转矩参考值；根据得到的所述转矩参考值和设定的定子磁链幅值，依据电机数学模型，生成磁链参考值的信息变量和转矩参考值的信息变量；根据得到的所述磁链参考值的信息变量和转矩参考值的信息变量，计算得出参考电压矢量；根据得到的所述参考电压矢量，构造代价函数并进行滚动优化，得出最优电压矢量。进一步的，所述根据外环转速PI调节器，生成转矩参考值的步骤包括：设转矩参考值表示为通过公式计算得出所述转矩参考值，其中kp和ki分别为PI调节器中的比例增益和积分增益，s表示复频率，表示给定转速，ωr表示实际转速。进一步的，所述根据得到的所述转矩参考值和设定的定子磁链幅值，依据异步电机的数学模型，通过磁链无差拍和转矩无差拍方法，生成磁链参考值的信息变量和转矩参考值的信息变量的步骤包括：设磁链参考值的信息变量表示为Y，转矩参考值的信息变量表示为Z；设定子磁链幅值表示为定子磁链幅值设定为额定值；通过公式：计算得到所述磁链参考值的信息变量Y，其中ψs为定子磁链，Tsc为采样时间，Rs为定子电阻，is为定子电流矢量，通过公式：计算得到所述转矩参考值的信息变量Z，其中p为异步电机极对数，Te为转矩，Rr为转子电阻，ψr为估计的转子磁链，Ls为异步电机定子电感，Lr为异步电机转子电感，Lm为异步电机互感，Re为取复数的实部。进一步的，所述根据得到的所述磁链参考值的信息变量和转矩参考值的信息变量，计算得出静止参考坐标系中参考电压矢量步骤包括：由变量Y和Z组成方程组：其中us为定子电压矢量；设参考电压矢量表示为Uref；通过公式：计算得到所述静止参考坐标系中参考电压矢量，其中ψr为转子磁链矢量，j为虚部，Im为取复数的虚部。进一步的，所述根据得到的所述参考电压矢量，构造代价函数，根据得到的代价函数进行滚动优化，得出最优电压矢量步骤包括：设最优电压矢量表示为Uopt；构造代价函数为J＝|Uref-Uc|，其中exp为指数运算，Uc为候选电压矢量，Udc为直流母线电压，k＝1...7，当k＝7时，Udc＝0；在线滚动候选矢量Uc，计算代价函数最小值，得到最优电压矢量Uopt，驱动逆变器各个开关器件。另一方面，本专利技术还提供一种异步电机模型预测控制装置，包括：三相电压源、异步电机、三相二极管整流桥、直流侧电容、电压电流采样电路、DSP控制器和驱动电路；其中，电压电流采样电路利用电压霍尔传感器和电流霍尔传感器分别采集直流侧电压以及异步电机两相电流，采样信号经过信号调理电路后进入DSP控制器转换为数字信号；DSP控制器完成所述的异步电机模型预测控制方法的运算，输出六路开关脉冲，然后经过驱动电路后得到逆变器的六个开关管的最终驱动信号。从上面所述可以看出，本专利技术提供的异步电机模型预测控制方法及装置，采用定子电压矢量作为控制目标，算法简单实用，避免了传统控制方案中繁杂的权重系数设计和调整问题，显著提升了控制效果；通过在静止坐标系下对定子磁链幅值参考值和转矩参考值进行转换，减少了复杂的旋转变换。定子磁链幅值参考值和转矩参考值转化过程基于复矢量运算，避免了角度和三角函数的复杂运算，在数字处理器上执行效率更高；本专利技术提供的控制方式易于和其他控制方法统一，易于在统一的控制程序框架下实现不同的控制模式。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作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本专利技术提供的异步电机模型预测控制方法实施例流程图；图2为基于本专利技术提供的异步电机模型预测控制方法的原理框图；图3为本专利技术提供的异步电机调速控制装置硬件结构图；图4为采用传统有权重系数异步电机模型预测控制在15kHz采样率下，电机运行在150r/min时带额定负载的实验结果；图5为采用无权重系数异步电机模型预测控制在15kHz采样率下，电机运行在150r/min时带额定负载的实验结果；图6为采用传统有权重系数异步电机模型预测控制在15kHz采样率下，电机运行在1500r/min时带额定负载的实验结果；图7为采用无权重系数异步电机模型预测控制在15kHz采样率下，电机运行在1500r/min时带额定负载的实验结果；图8为采用传统有权重系数异步电机模型预测控制在15kHz采样率下，电机运行在1500r/min时空载的A相电流THD分析结果；图9为采用无权重系数异步电机模型预测控制在15kHz采样率下，电机运行在1500r/min时空载的A相电流THD分析结果；图10为采用传统有权重系数异步电机模型预测控制在15kHz采样率下进行1500r/min正反转的实验结果；图11为采用无权重系数异步电机模型预测控制在15kHz采样率下进行1500r/min正反转的实验结果。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。以下结合附图对本专利技术进行进一步说明，如图1所示，为本专利技术提供的异步电机模型预测控制方法实施例流程图，包括：步骤101，根据外环转速PI调节器，生成转矩参考值的步骤包括：设转矩参考值表示为通过公式计算得出所述转矩指令，其中kp和k本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种异步电机模型预测控制方法，其特征在于包括：根据外环转速PI调节器，生成转矩参考值；根据得到的所述转矩参考值和设定的定子磁链幅值，依据电机数学模型，生成磁链参考值的信息变量和转矩参考值的信息变量；根据得到的所述磁链参考值的信息变量和转矩参考值的信息变量，计算得出参考电压矢量；根据得到的所述参考电压矢量，构造代价函数并进行滚动优化，得出最优电压矢量。

【技术特征摘要】
1.一种异步电机模型预测控制方法，其特征在于包括：根据外环转速PI调节器，生成转矩参考值；根据得到的所述转矩参考值和设定的定子磁链幅值，依据电机数学模型，生成磁链参考值的信息变量和转矩参考值的信息变量；根据得到的所述磁链参考值的信息变量和转矩参考值的信息变量，计算得出参考电压矢量；根据得到的所述参考电压矢量，构造代价函数并进行滚动优化，得出最优电压矢量。2.根据权利要求1所述的一种异步电机模型预测控制方法，其特征在于，所述根据外环转速PI调节器，生成转矩参考值的步骤包括：设转矩参考值表示为通过公式计算得出所述转矩参考值，其中kp和ki分别为PI调节器中的比例增益和积分增益，s表示复频率，表示给定转速，ωr表示实际转速。3.根据权利要求2所述的一种异步电机模型预测控制方法，其特征在于，所述根据得到的所述转矩参考值和设定的定子磁链幅值，依据异步电机的数学模型，通过磁链无差拍和转矩无差拍方法，生成磁链参考值的信息变量和转矩参考值的信息变量的步骤包括：设磁链参考值的信息变量表示为Y，转矩参考值的信息变量表示为Z；设定子磁链幅值表示为定子磁链幅值设定为额定值；通过公式：计算得到所述磁链参考值的信息变量Y，其中ψs为定子磁链，Tsc为采样时间，Rs为定子电阻，is为定子电流矢量，通过公式：计算得到所述转矩参考值的信息变量Z，其中p为异步电机极对数，Te为转矩，Rr为转子电阻，ψr为估计的转子磁链，Ls为异步电机定子电感，Lr为异步电机转子电感，Lm为异步电机互...

【专利技术属性】
技术研发人员：张永昌，张博越，白宇宁，
申请(专利权)人：北方工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11