基于混杂系统理论的永磁电机转矩脉动抑制方法技术方案

本发明专利技术提供了一种基于混杂系统理论的永磁电机转矩脉动抑制方法，由霍尔信号确定电机的换相时刻并切换控制策略，在非换相期间采用PI

【技术实现步骤摘要】
基于混杂系统理论的永磁电机转矩脉动抑制方法


[0001]本专利技术属于永磁电机控制
，具体涉及一种基于混杂系统理论的方波驱动式永磁电机转矩脉动抑制方法。

技术介绍

[0002]飞轮储能作为近年来被广泛提及的一种物理储能技术，具有效率高、寿命长等优点，方波驱动式永磁电机体积小、重量轻、功率密度高、过载能力强，是飞轮储能装置核心驱动电机的理想选择之一，飞轮储能技术对运行精度、旋转精度提出较高的要求，然而方波驱动式永磁电机在换相期间由于开通相和关断相绕组电流变化速率不同会引起持续导通相电流的波动，由于换相转矩决定于持续导通相电流，因此会产生换相转矩脉动，换相转矩脉动会引起振动和噪声，同时严重限制了飞轮储能效率，因此抑制换相转矩脉动尤为重要。
[0003]方波驱动式永磁电机驱动系统既包含如电子开关器件通断类似的离散事件变量，也包含如电感电流类似的连续时间变量，是一个由离散事件驱动连续状态演化的混杂系统。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中存在不足，本专利技术提供了一种基于混杂系统理论的方波驱动式永磁电机转矩脉动抑制方法，抑制方波驱动式永磁电机的换相转矩脉动，用统一模型来描述驱动系统，避免控制算法的复杂性。
[0005]本专利技术是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
[0006]一种基于混杂系统理论的方波驱动式永磁电机转矩脉动抑制方法，具体为：
[0007]电机在非换相期间采用PI
‑
PWM控制；
[0008]电机在换相期间采用模型预测控制：建立混合逻辑动态模型，根据持续导通相电流i
non
预测下一时刻的电流i
non
(k+1)，再根据参考电流i
*
和电流i
non
(k+1)建立代价函数，求解使代价函数最小的一组控制序列，所述控制序列即开关管状态，将开关管状态作用于电机驱动系统，实现方波驱动式永磁电机转矩脉动抑制；
[0009]所述混合逻辑动态模型为：
[0010][0011]其中：i
a
、i
b
、i
c
是定子三相绕组相电流，R为定子三相绕组电阻，L为定子三相绕组电感，z1、z2、z3为辅助连续变量，I是单位矩阵，T
s
是采样时间，e
a
、e
b
、e
c
为相反电动势。
[0012]进一步地，所述代价函数为：
[0013][0014]其中：Q1、Q2、Q3、Q4是引入的权重系数，u(k)是k时刻的离散输入，u
*
是离散输入的参考轨迹，δ(k+1)是k+1时刻的辅助逻辑变量，δ
*
是辅助逻辑变量的参考轨迹，z(k+1)是k+1时刻的辅助连续变量，z
*
是辅助连续变量的参考轨迹，i
non
(k+1)是k+1时刻的预测电流，i
*
是参考电流，T是预测时域。
[0015]更进一步地，所述代价函数的约束条件是混合整数线性不等式和混合逻辑动态模型。
[0016]更进一步地，所述混合整数线性不等式为：
[0017][0018]其中：δ
i
是引入的辅助逻辑变量，f(x)为线性函数，L是f(x)最大值，s1‑
s6为开关管状态，是开关管状态的取非变量，是三相辅助逻辑变量δ
a
、δ
b
、δ
c
的取非变量，且i＝1，2，3。
[0019]更进一步地，辅助逻辑变量δ＝[δ
a
,δ
b
,δ
c
]；取电流流入绕组为正、流出绕组为负，用逻辑变量表示成：用逻辑变量表示成：
[0020]进一步地，所述开关管状态包括导通和关断，导通和关断之间的改变对应控制变迁；电流流入定子三相绕组为正、流出定子三相绕组为负，对应条件变迁，由所述控制变迁和条件变迁确定逆变器驱动电路的工作模式。
[0021]更进一步地，开关管状态A相桥臂：
[0022]上桥臂的开关管关断、下桥臂的开关管导通，同时电流流入定子三相绕组，驱动系统工作在模式一；
[0023]上桥臂的开关管导通、下桥臂的开关管关断，同时电流流入定子三相绕组，驱动系统工作在模式二；
[0024]上下桥臂的开关管均关断，下桥臂通过反并联二极管续流同时电流流入定子三相绕组，驱动系统工作在模式三；
[0025]上桥臂的开关管关断、下桥臂的开关导通，同时电流流出定子三相绕组，驱动系统工作在模式四；
[0026]上桥臂的开关导通、下桥臂关断，同时电流流出定子三相绕组，驱动系统工作在模式五；
[0027]上下桥臂的开关管均关断，上桥臂通过反并联二极管续流同时电流流出定子三相绕组，驱动系统工作在模式六。
[0028]更进一步地，根据事件变迁和工作模式分析三相绕组端电压U
ag
、U
bg
、U
cg
的所有取值情况并列写真值表，由真值表法求出三相绕组端电压：
[0029][0030]其中：s1‑
s6为开关管状态，是开关管状态的取非变量，V
dc
为直流母线电压，为直流母线电压，是三相辅助逻辑变量δ
a
、δ
b
、δ
c
的取非变量。
[0031]进一步地，控制方法的切换根据换向时刻进行，具体的：
[0032]当检测到霍尔信号的上升沿或下降沿，此时标志信号V＝1，当前处于换相时刻，切换到模型预测控制；
[0033]当检测到关断相的电流下降到0，此时标志信号V＝0，换相已经结束并进入到由两相导通的非换相时刻，切换到PI
‑
PWM控制。
[0034]更进一步地，在换相期间，方波驱动式永磁电机换相转矩与持续导通电流的关系为：
[0035]T
e
＝e
non
i
non
/ω
[0036]其中：i
non
是持续导通相电流，e
non
是持续导通相反电动势，ω是电机速度。
[0037]本专利技术的有益效果为：
[0038](1)方波驱动式永磁电机的换相转矩取决于持续导通相电流，本专利技术根据霍尔信号的上升沿和下降沿来检测电机的换相时刻，换相期间采用模型预测控制，建立持续导通相电流的预测模型和代价函数求解作用于电机驱动系统的开关管状态，非换相期间采用PI
‑
PWM控制，本专利技术控制方案既抑制了换相转矩脉动，同时避免了复杂的控制算法；
[0039](2)本专利技术通过对方波驱动式永磁电机进行混合逻辑动态建模，将建立的模型作为下一时刻持续导通相电流的预测模型，相比于依赖于开关函数模型的传统电流预测模型，该模型准确地预测持续导通相电流，有效降低换相转矩脉动；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于混杂系统理论的永磁电机转矩脉动抑制方法，其特征在于：电机在非换相期间采用PI
‑
PWM控制；电机在换相期间采用模型预测控制：建立混合逻辑动态模型，根据持续导通相电流i
non
预测下一时刻的电流i
non
(k+1)，再根据参考电流i
*
和电流i
non
(k+1)建立代价函数，求解使代价函数最小的一组控制序列，所述控制序列即开关管状态，将开关管状态作用于电机驱动系统，实现方波驱动式永磁电机转矩脉动抑制；所述混合逻辑动态模型为：其中：i
a
、i
b
、i
c
是定子三相绕组相电流，R为定子三相绕组电阻，L为定子三相绕组电感，z1、z2、z3为辅助连续变量，I是单位矩阵，T
s
是采样时间，e
a
、e
b
、e
c
为相反电动势。2.根据权利要求1所述的永磁电机转矩脉动抑制方法，其特征在于，所述代价函数为：其中：Q1、Q2、Q3、Q4是引入的权重系数，u(k)是k时刻的离散输入，u
*
是离散输入的参考轨迹，δ(k+1)是k+1时刻的辅助逻辑变量，δ
*
是辅助逻辑变量的参考轨迹，z(k+1)是k+1时刻的辅助连续变量，z
*
是辅助连续变量的参考轨迹，i
non
(k+1)是k+1时刻的预测电流，i
*
是参考电流，T是预测时域。3.根据权利要求2所述的永磁电机转矩脉动抑制方法，其特征在于，所述代价函数的约束条件是混合整数线性不等式和混合逻辑动态模型。4.根据权利要求3所述的永磁电机转矩脉动抑制方法，其特征在于，所述混合整数线性不等式为：其中：δ
i
是引入的辅助逻辑变量，f(x)为线性函数，L是f(x)最大值，s1‑
s6为开关管状态，是开关管状态的取非变量，是三相辅助逻辑变量δ
a
、δ
b
、δ
c
的取非变量，且i＝1，2，3。5.根据权利要求2所述的永磁电机转矩脉动抑制方法，其特征在于，辅助逻辑变量δ＝[δ
a
,δ
b
,δ
c
]；取电流流入绕组为正、流出绕...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙玉坤，曹程，袁野，黄平林，杨帆，朱俊俊，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：