一种感应电机改进模型预测控制方法技术

本发明专利技术公开了一种感应电机改进模型预测控制方法，首先以感应电机定子电流和定子磁链为状态变量，建立感应电机在两相静止坐标系下的数学模型；然后假设当前时刻为k时刻，则对k+1时刻定子磁链和电磁转矩进行预测，得到定子磁链预测值和电磁转矩预测值；最后采用归一化方法简化代价函数的构造过程，无需繁琐的权重系数设计，避免了模型预测控制在实现过程中关于权重系数的复杂整定过程，显著减小了计算量，从而进一步提升了模型预测控制的实用性。本发明专利技术解决了现有技术中存在的代价函数中权重系数难以设计的问题，从而减小算法的复杂度，提高模型预测控制的实用性。

An improved model predictive control method for induction motor

【技术实现步骤摘要】
一种感应电机改进模型预测控制方法
本专利技术属于高性能感应电机调速控制
，具体涉及一种感应电机改进模型预测控制方法。
技术介绍
感应电机具有成本低、易于制造、可靠性高等优点，目前，感应电机驱动系统已在工业领域、交通运输、国防军事装备、电力、煤炭、冶金、塑胶、石化、食品以及纺织行业等社会生产的各个方面广泛应用。随着科技的不断发展进步，机车牵引、数控机床等高性能工业装备对感应电机驱动系统的控制性能也提出了更高的要求。模型预测控制是20世纪70年代后期出现在工业工程控制领域的一类计算机控制方法，近年来在电力电子领域受到了广泛关注，它具有动态响应好，灵活度高以及鲁棒性较强等优点。模型预测控制的基本原理提供了一种与众不同的进行能量处理的方法，该方法将功率变换器看成是非线性的、离散的执行器。在模型预测控制系统中，控制动作通过单一控制器实现，而控制器的动作通过从所有可能状态中获取，并且最终的最优动作通过使代价函数最小来获得。因此，对于模型预测控制来说，设定合适的代价函数显得尤为重要，代价函数可以显著提高控制的灵活度，也可以同时对多种变量(如开关损耗、开关次数、无功功率控制、电机转矩纹波等)实现最优化控制。通常，模型预测控制基于代价函数来选择最优的变换器开关状态，当代价函数中控制变量的单位量纲不一致时，需要设计相应的权重系数以实现对多个变量的同时控制。由于缺乏通用的理论设计原则，目前通常采用大量的仿真和实验来确定权重系数，不利于模型预测控制的实用化。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种感应电机改进模型预测控制方法，解决了现有技术中存在的代价函数中权重系数难以设计的问题，从而减小算法的复杂度，提高模型预测控制的实用性。本专利技术所采用的技术方案是，一种感应电机改进模型预测控制方法，具体按照后按以下步骤实施：步骤1：以感应电机定子电流和定子磁链为状态变量，建立感应电机在两相静止坐标系下的数学模型；步骤2：基于步骤1得到的感应电机在两相静止坐标系下的数学模型，假设当前时刻为k时刻，则对k+1时刻定子磁链和电磁转矩进行预测，得到定子磁链预测值和电磁转矩预测值；步骤3：根据步骤2中得到的模型预测控制算法中k+1时刻定子磁链和电磁转矩预测值设计代价函数，采用归一化方法简化代价函数的构造过程，无需繁琐的权重系数设计，避免了模型预测控制在实现过程中关于权重系数的复杂整定过程，显著减小了计算量，从而进一步提升了模型预测控制的实用性。本专利技术的特点还在于，步骤1中感应电机在两相静止坐标系下的数学模型如下：Dx＝Ax+Bu(1)其中，D表示微分算子，感应电机电磁转矩Te表达式为其中，Rs、Rr表示电机定子电阻、转子电阻；ψs表示定子磁链矢量，ψsα、ψsβ表示α轴下的定子磁链分量、β轴下的定子磁链分量；Ls、Lr、Lm表示电机定子电感、转子电感、互感；ωr表示电机转子速度；us表示定子电压矢量，usα、usβ表示α轴下定子电压分量、β轴下定子电压分量；np表示电机极对数；is表示定子电流矢量，isα、isβ表示α轴下定子电流分量、β轴下定子电流分量；表示叉积。步骤2具体按照以下步骤实施：步骤2.1：根据公式(1)得到感应电机在两相静止坐标系下的定子磁链方程如公式(3)～(4)所示，定子电流方程如公式(5)～(6)所示。Dψsα＝usα-Rsisα(3)Dψsβ＝usβ-Rsisβ(4)Disα＝-λ(RsLr+RrLs)isα-ωrisβ+λRrψsα+λLrωrψsβ+λLrusα(5)Disβ＝ωrisα-λ(RsLr+RrLs)isβ-λLrωrψsα+λRrψsβ+λLrusβ(6)步骤2.2：基于前向欧拉离散化公式，将公式(3)～(6)离散化，得到模型预测控制方法中k+1时刻的定子磁链预测值如公式(7)～(8)所示，定子电流预测值如公式(9)～(10)所示：其中，Ts为采样周期；步骤2.3：根据k+1时刻的定子磁链预测值和定子电流预测值，得到k+1时刻电磁转矩预测值为步骤3具体按照以下步骤实施：步骤3.1：对于感应电机驱动系统，代价函数中转矩控制的分量g1和磁链控制的分量g2分别表示为其中，表示转速环通过比例积分调节器所产生的参考转矩，为给定的定子磁链幅值；步骤3.2：对于两电平电压源型逆变器，在一个控制周期内有8个电压矢量ui，i＝0,1,2,3,4,5,6,7，将这8个电压矢量分别带入公式(12)～(13)，得到对应的代价函数转矩分量值g1i和磁链分量值g2i，i＝0,1,2,3,4,5,6,7，采用归一化的设计得到新的无权重系数代价函数中转矩分量G1i和磁链分量G2i，表达式分别为其中，g1max和g1min分别是g1i中的最大值和最小值，g2max和g2min分别是g2i中的最大值和最小值；步骤3.3：采用归一化的设计思路，构造的新型无权重系数代价函数Gi为Gi＝G1i+G2i(16)其中，i＝0,1,2,3,4,5,6,7；步骤3.4：在代价函数中附加过流保护部分对电机进行过流保护，则代价函数值中在k+1时刻的过流保护分量被定义为如果某个电压矢量对应的估计电流绝对值大于设定的最大电流值|imax|，则该电压矢量对应的无权重系数代价函数值为无穷大，这样根据最小化代价函数的选取原则，该电压矢量不会作为逆变器的输出，从而达到了过流保护的目的；步骤3.5：考虑到过流保护，结合公式(16)和(17)，无权重系数代价函数被修正为步骤3.6：将两电平电压源型逆变器的8个电压矢量分别带入公式(18)所示的无权重系数代价函数，可以得到8个无权重系数代价函数值，即8个G值；步骤3.7：对步骤3.6中计算得到的8个G值排序并选取使G值最小的电压矢量作为逆变器的输出；步骤3.8：如果根据最小化代价函数原则选择的是零矢量，即将u0或u7带入公式(18)得到的G值最小，则根据开关切换最少原则选择u0或u7，这样开关状态只需切换一次，有利于减小开关损耗。本专利技术的有益效果是，一种感应电机改进模型预测控制方法，针对传统模型预测控制算法权重系数整定难的问题，采用归一化设计思路，无需设计权重系数，在保持定子磁通幅值恒定的情况下，控制转矩快速跟踪指令值，显著减小了算法的复杂度，提高了模型预测控制的实用性。附图说明图1是本专利技术感应电机改进模型预测控制方法的结构框图；图2是本专利技术两电平电压源型逆变器电路图；图3是本专利技术两电平电压源型逆变器的电压矢量。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。本专利技术一种感应电机改进模型本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种感应电机改进模型预测控制方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：/n步骤1：以感应电机定子电流和定子磁链为状态变量，建立感应电机在两相静止坐标系下的数学模型；/n步骤2：基于步骤1得到的感应电机在两相静止坐标系下的数学模型，假设当前时刻为k时刻，则对k+1时刻定子磁链和电磁转矩进行预测，得到定子磁链预测值和电磁转矩预测值；/n步骤3：根据步骤2中得到的模型预测控制算法中k+1时刻定子磁链和电磁转矩预测值设计代价函数，采用归一化方法简化代价函数的构造过程，无需繁琐的权重系数设计，避免了模型预测控制在实现过程中关于权重系数的复杂整定过程，显著减小了计算量，从而进一步提升了模型预测控制的实用性。/n

【技术特征摘要】
1.一种感应电机改进模型预测控制方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1：以感应电机定子电流和定子磁链为状态变量，建立感应电机在两相静止坐标系下的数学模型；
步骤2：基于步骤1得到的感应电机在两相静止坐标系下的数学模型，假设当前时刻为k时刻，则对k+1时刻定子磁链和电磁转矩进行预测，得到定子磁链预测值和电磁转矩预测值；
步骤3：根据步骤2中得到的模型预测控制算法中k+1时刻定子磁链和电磁转矩预测值设计代价函数，采用归一化方法简化代价函数的构造过程，无需繁琐的权重系数设计，避免了模型预测控制在实现过程中关于权重系数的复杂整定过程，显著减小了计算量，从而进一步提升了模型预测控制的实用性。


2.根据权利要求1所述的一种感应电机改进模型预测控制方法，其特征在于，所述步骤1中感应电机在两相静止坐标系下的数学模型如下：
Dx＝Ax+Bu(1)
其中，D表示微分算子，



x＝[isψs]T＝[isαisβψsαψsβ]T，u＝us＝[usαusβ]T；
感应电机电磁转矩Te表达式为



其中，
Rs、Rr表示电机定子电阻、转子电阻；
ψs表示定子磁链矢量，ψsα、ψsβ表示α轴下的定子磁链分量、β轴下的定子磁链分量；
Ls、Lr、Lm表示电机定子电感、转子电感、互感；
ωr表示电机转子速度；
us表示定子电压矢量，usα、usβ表示α轴下定子电压分量、β轴下定子电压分量；
np表示电机极对数；
is表示定子电流矢量，isα、isβ表示α轴下定子电流分量、β轴下定子电流分量；

表示叉积。


3.根据权利要求2所述的一种感应电机改进模型预测控制方法，其特征在于，所述步骤2具体按照以下步骤实施：
步骤2.1：根据公式(1)得到感应电机在两相静止坐标系下的定子磁链方程如公式(3)～(4)所示，定子电流方程如公式(5)～(6)所示：
Dψsα＝usα-Rsisα(3)
Dψsβ＝usβ-Rsisβ(4)
Disα＝-λ(RsLr+RrLs)isα-ωrisβ+λRrψsα+λLrωrψsβ+λLrusα(5)
Disβ＝ωrisα-λ(RsLr+RrLs)isβ-λLrωrψsα+λRrψsβ+λLrusβ(6)
步骤2.2：基于前向欧拉离散化公式，将公式(3)～(6)离散化，得到模型预测控制方法中k+1时刻的定子磁链预测值如公式(7)～(8)所示，定子电流预测值如公式...

【专利技术属性】
技术研发人员：张延庆，尹忠刚，张彦平，白聪，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61