一种表贴式永磁同步电机分时控制系统及分时控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种表贴式永磁同步电机模型预测控制分时控制方法，主要包括以下步骤：(1)在采样时刻k设置使能信号为低电平，使能第二有限集模型预测控制器进行id调节；(2)根据当前时刻预测k+1时刻的电流值；(3)选取使得代价函数最小化的开关状态作为k+1时刻应采取的最优开关状态；(4)在采样时刻k+1设置使能信号为高电平，使能第一有限集模型预测控制器进行转速跟踪；(5)根据当前时刻预测k+2时刻的转速值；(6)选取使得代价函数最小化的开关状态作为k+2时刻应采取的最优开关状态。本发明专利技术避免了非线性问题的求解，大大降低了计算工作量，提高了控制的实时性，同时了实现电机的高动态性能，减小了电机的转矩脉动。

【技术实现步骤摘要】
一种表贴式永磁同步电机分时控制系统及分时控制方法
本专利技术属于永磁同步电机控制
，特别涉及一种表贴式永磁同步电机分时控制系统及分时控制方法。
技术介绍
表贴式永磁同步电机的控制必须考虑两个问题。一是高动态性能。由于电机的参考转速可能突增或突减，必须快速调节电机实际转速以快速跟踪参考转速，这可以看作是一个在线最优控制问题。二是电机的实际运行会受到约束，比如定子电流约束和电压限制。考虑到这两个问题，表贴式永磁同步电机的控制可以看作是一个受约束的在线最优控制问题。模型预测控制是一种适用于此类控制问题的方法，因为它具有系统处理约束的能力。模型预测控制方法可分为两类：连续控制集和有限控制集。在这两种方法中，有限集模型预测控制更适合于电气传动系统的控制。因为有限集模型预测控制直接使用功率变换器的开关状态(0：关闭，1：导通)作为控制信号，不需要复杂的脉冲宽度调制。在有限集模型预测控制中，采用预测模型来预测被控对象的状态行为。预测模型一般优先选择线性状态空间模型，因为最后可以转化成线性模型预测控制问题来解决。然而表贴式永磁同步电机是一个非线性和强耦合系统，即使在d-q坐标系中也难以获得线性数学模型。为了解决这个问题，已存在的文献中已经提出了不同的解决方法。这些方法大致可分为线性化方法、多模型预测控制方法和基于智能模型的非线性模型预测控制方法。线性化方法大致思路是：使用反馈线性化技术线性化非线性模型，通过典型的线性模型预测控制来处理。然而，这种方法不能有效地处理约束，并且线性化模型仅在非常小的工作范围内有效；多个模型预测控制方法采用非线性模型的分段线性描述，具有计算简单、可实时运行的优点，但是由于在每个采样时刻都使用了新的线性化模型，因此动态信息的丢失是不可避免的。因此，在模型不断变化的情况下，无法确保这种方法的可行性；还有一些旨在克服这种非线性的基于智能模型的非线性模型预测控制，如神经网络模型预测控制和模糊模型预测控制。这些方法通过训练预测模型用于预测非线性系统的行为，然而模型训练时间长，计算量大等问题导致这些方法目前还难以广泛应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种表贴式永磁同步电机分时控制系统及分时控制方法，以解决上述问题。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种表贴式永磁同步电机分时控制系统，包括控制模块、逆变器和表贴式永磁同步电机；控制模块连接逆变器，逆变器连接表贴式永磁同步电机；控制模块包括第一有限集模型预测控制器和第二有限集模型预测控制器；第一有限集模型预测控制器和第二有限集模型预测控制器通过选通开关与逆变器连接；第一有限集模型预测控制器用于表贴式永磁同步电机的转速跟踪，第二有限集模型预测控制器用于表贴式永磁同步电机的id调节。一种表贴式永磁同步电机分时控制系统的分时控制方法，基于上述所述的一种表贴式永磁同步电机分时控制系统，包括以下步骤：步骤1，建立被控对象非线性数学模型，被控对象为逆变器和表贴式永磁同步电机；步骤2，将步骤1中的非线性模型解耦为两个线性子模型；步骤3，在采样时刻k设置使能信号为低电平，使能第二有限集模型预测控制器进行表贴式永磁同步电机的id调节；步骤4，根据当前时刻预测k+1时刻的电流值；步骤5，选取使得代价函数最小化的开关状态作为k+1时刻应采取的最优开关状态Sabc_d；步骤6，在采样时刻k+1设置使能信号为高电平，使能第一有限集模型预测控制器进行转速跟踪；步骤7，根据当前时刻预测k+2时刻的转速值；步骤8，选取使得代价函数最小化的开关状态作为k+2时刻应采取的最优开关状态Sabc_ω。进一步的，步骤1中，数学模型包括：1)两电平逆变器建模使用向量S＝[Sa，Sb，Sc]T来表示两电平逆变器的开关状态；每半桥的开关状态可以表示如下：x代表某相桥臂，取A、B或C；在d-q坐标系中，通过使用该开关状态函数，得到定子电压和两电平逆变器开关状态关系如下：其中，这里Vd和Vq是d轴和q轴定子电压，Vdc是直流母线电压，θ是转子电角度；被选中的开关状态S将作为最优控制动作；2)表贴式永磁同步电机建模忽略磁芯饱和、滞后和涡流损耗造成的影响，以及外部温度和湿度对电机运行时永磁体磁链的影响；并且认为由永磁体产生的磁场总是正弦的，在这种条件下，d-q坐标系中表贴式永磁同步电机的数学模型如下：这里的id，iq，Vd，Vq分别代表d-q坐标系中的定子电流和电压，L是d-q坐标系中定子绕组的等效电感，R是定子电阻，ψf是永磁体磁链，pn是极对数，ωm是转子机械角速度；转矩方程和机械运动方程表示如下：Te是电磁转矩，J是电机转动惯量，TL是负载转矩；将(3)-(5)写成状态空间表达式的形式如下：从(6)可以看到，状态空间模型包含非线性项ωmid和ωmiq。进一步的，步骤2中，解耦包括如下：1)iq-ωm线性子模型在非线性模型(6)中，选择iq和ωm作为状态变量，并假设id＝0，则该模型变为一个线性时不变的状态空间模型，即：将(7)进一步离散化并将S1＝[Sa1，Sb1，Sc1]T作为输入变量，子模型(7)可以写为：输出方程为：其中Ts是采样周期，k表示采样时刻；在这个方程中，输出变量是ωm；线性子模型(8)采用标准的线性有限集模型预测控制来实现ωm调节；2)id线性子模型在(6)中，将id设为状态变量，而将iq和ωm视为常量，则非线性模型(6)变为另一个线性状态空间子模型：(10)进一步离散化，并且当开关状态S2＝[Sa2，Sb2，Sc2]T作为两电平逆变器的输入变量时：输出方程为：在这里，在这里输出变量是id；子模型(11)也是线性时不变模型。进一步的，步骤6中，第一有限集模型预测控制器基于iq-ωm的线性子模型(8)-(9)进行设计；在每个采样时刻k+1，第一有限集模型预测控制器的代价函数设计为：在这里Y1(k)＝[y1(k+1|k),y1(k+2|k),…,y1(k+H|k)]T,Yref1(k)＝[yref1(k+1|k),yref1(k+2|k),…,yref1(k+H|k)]T,(k+h|k)表示基于k时刻可用信息预测的k+h时刻的值；U1(k)表示时刻k时的控制序列，即U1(k)＝[u1(k+1),u1(k+2),…,u1(k+H)]T；Wβ1＝diag(β1)andW1-β1＝diag(1-β1)是两个优化目标的权值矩阵；预测和控制时域都设为H；在代价函数中，根据状态空间模型(9)计算输出的预测值y1(k+h|k)；这样预测输出值y1(k+h|k)关于开关状态[u1(k),u1(k+1),…,u1(k+H)]T的函数表达式如下：y1(k+h|k)＝C1A1hx1(k)+C1A1h-1(B1u1(k+1)+E1z1(k))+C1A1h-2(B1u1(k+2|k)+E1z1(k+1|k))+C1A11(B1u1(k+h|k)+E1z1(k+h-1|k))(14)Y1(k)以矩阵形式表示如下：其中在实际应用中，考虑到两电平逆变器的输出容量，所以应该对输出电压和电流加以限制。我们施加如下线性不等式约束：-iq,max≤iq(k+h|k)≤iq,max,h＝1,2,...,H(16)-Vq,max≤Vq(k+h|k)≤Vq,max,h＝1,2,...,H(17)通过上述的推导，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种表贴式永磁同步电机分时控制系统，其特征在于，包括控制模块、逆变器和表贴式永磁同步电机；控制模块连接逆变器，逆变器连接表贴式永磁同步电机；控制模块包括第一有限集模型预测控制器和第二有限集模型预测控制器；第一有限集模型预测控制器和第二有限集模型预测控制器通过选通开关与逆变器连接；第一有限集模型预测控制器用于表贴式永磁同步电机的转速跟踪，第二有限集模型预测控制器用于表贴式永磁同步电机的id调节。

【技术特征摘要】
1.一种表贴式永磁同步电机分时控制系统，其特征在于，包括控制模块、逆变器和表贴式永磁同步电机；控制模块连接逆变器，逆变器连接表贴式永磁同步电机；控制模块包括第一有限集模型预测控制器和第二有限集模型预测控制器；第一有限集模型预测控制器和第二有限集模型预测控制器通过选通开关与逆变器连接；第一有限集模型预测控制器用于表贴式永磁同步电机的转速跟踪，第二有限集模型预测控制器用于表贴式永磁同步电机的id调节。2.一种表贴式永磁同步电机分时控制系统的分时控制方法，其特征在于，基于权利要求1所述的一种表贴式永磁同步电机分时控制系统，包括以下步骤：步骤1，建立被控对象非线性数学模型，被控对象为逆变器和表贴式永磁同步电机；步骤2，将步骤1中的非线性模型解耦为两个线性子模型；步骤3，在采样时刻k设置使能信号为低电平，使能第二有限集模型预测控制器进行表贴式永磁同步电机的id调节；步骤4，根据当前时刻预测k+1时刻的电流值；步骤5，选取使得代价函数最小化的开关状态作为k+1时刻应采取的最优开关状态Sabc_d；步骤6，在采样时刻k+1设置使能信号为高电平，使能第一有限集模型预测控制器进行转速跟踪；步骤7，根据当前时刻预测k+2时刻的转速值；步骤8，选取使得代价函数最小化的开关状态作为k+2时刻应采取的最优开关状态Sabc_ω。3.根据权利要求2所述的一种表贴式永磁同步电机分时控制系统的分时控制方法，其特征在于，步骤1中，数学模型包括：1)两电平逆变器建模：使用向量S＝[Sa，Sb，Sc]T来表示两电平逆变器的开关状态；每半桥的开关状态可以表示如下：x代表某相桥臂，取A、B或C；在d-q坐标系中，通过使用该开关状态函数，得到定子电压和两电平逆变器开关状态关系如下：其中，这里Vd和Vq是d轴和q轴定子电压，Vdc是直流母线电压，θ是转子电角度；被选中的开关状态S将作为最优控制动作；2)表贴式永磁同步电机建模：忽略磁芯饱和、滞后和涡流损耗造成的影响，以及外部温度和湿度对电机运行时永磁体磁链的影响；并且认为由永磁体产生的磁场总是正弦的，在这种条件下，d-q坐标系中表贴式永磁同步电机的数学模型如下：这里的id，iq，Vd，Vq分别代表d-q坐标系中的定子电流和电压，L是d-q坐标系中定子绕组的等效电感，R是定子电阻，ψf是永磁体磁链，pn是极对数，ωm是转子机械角速度；转矩方程和机械运动方程表示如下：Te是电磁转矩，J是电机转动惯量，TL是负载转矩；将(3)-(5)写成状态空间表达式的形式如下：从(6)可以看到，状态空间模型包含非线性项ωmid和ωmiq。4.根据权利要求2所述的一种表贴式永磁同步电机分时控制系统的分时控制方法，其特征在于，步骤2中，解耦包括如下：1)iq-ωm线性子模型在非线性模型(6)中，选择iq和ωm作为状态变量，并假设id＝0，则该模型变为一个线性时不变的状态空间模型，即：将(7)进一步离散化并将S1＝[Sa1，Sb1，Sc1]T作为输入变量，子模型(7)可以写为：输出方程为：其中Ts是采样周期，k表示采样时刻；在这个方程中，输出变量是ωm；线性子模型(8)采用标准的线性有限集模型预测...

【专利技术属性】
技术研发人员：寇鹏，冯玉涛，梁得亮，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61