一种基于多电平功率变换器的开关磁阻电机模型预测转矩控制方法技术

本发明专利技术提出一种基于多电平功率变换器的开关磁阻电机模型预测转矩控制方法，首先通过离线测量获取开关磁阻电机的电感特性、转矩特性，制作出电机的磁链电流转矩表；之后根据当前位置、转速和电流信息，结合开关状态查表预测下一时刻的电流和位置信息；而为进行延时补偿，还需再进一步预测之后两时刻的电流和位置信息，然后查表获取各开关状态下的转矩并带入代价函数，通过代价函数寻优得到最优解的开关状态，再通过开关信号的解耦分别对应于三相的功率变换器的开关管的开关状态，以此达到转矩脉动抑制的效果。脉动抑制的效果。脉动抑制的效果。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多电平功率变换器的开关磁阻电机模型预测转矩控制方法


[0001]本专利技术属于电机控制领域，具体为一种基于多电平功率变换器的开关磁阻电机模型预测转矩控制方法。

技术介绍

[0002]在自身结构上，开关磁阻电机定子和转子均为凸极结构，不存在转子绕组和永磁体，结构简单且坚固，成本又相对较低。它拥有较高的转矩密度、功率密度的同时，又不存在齿槽扭矩。因此磁阻电机的结构相对于其他电机更坚固，在恶劣环境中运行会更加持久。在电机控制上，开关磁阻电机的可控性高，它的电磁转矩方向由绕组励磁顺序决定而与电流方向无关。由于开关磁阻电机具有高效率，高可靠性，高启动转矩与高容错能力等许多固有优点被广泛应用于电动汽车、家用电器、航空航天、工业传动等领域。然而，由于其电磁特性的高度非线性，开关磁阻电机存在转矩脉动和伺服振动等缺点，这些缺点限制了其应用领域。因此为提高开关磁阻电机调速系统的性能，抑制转矩脉动和振动已成为开关磁阻电机的研究热点。
[0003]目前常用的减小转矩脉动的方法主要有转矩分配函数、相电流PI控制器、直接转矩控制和直接瞬时转矩控制等，这些方法都各有利弊。模型预测控制通过构建代价函数，直观方便地实现多目标优化，在开关磁阻电机控制中受到越来越多的关注。通过构建开关磁阻电机转矩和径向力的成本函数，模型预测控制既同时解决转矩脉动和振动的问题，对提高开关磁阻电机适用性和调速性能有着重要作用。
[0004]而目前的模型预测控制方法运用的功率变换器都是传统不对称半桥的三电平，虽然也有减小转矩波动的效果，但是三电平已经越来越不能满足电机在高速以及各种应用领域的需求了，于是就需要更加灵活和高效的多电平功率变换器的出现，这就使得对于多电平功率变换器的控制方法提出了要求。

技术实现思路

[0005]针对传统模型预测是对不对称半桥三电平功率变换器的控制，但三电平不能很好的满足器件以及电平多样性要求的问题，本专利技术提出了一种基于多电平功率变换器开关磁阻电机模型预测转矩控制方法，该方法不再是针对传统不对称半桥功率变换器的控制，而是针对五电平的功率变换器的方法。
[0006]该方法不是简单的延续三电平时对所有的开关状态进行预测，而是通过一定的选取进行预测，针对换相算法以及矢量优化提出了改进策略。该方法的总体步骤是：首先通过离线测量获取开关磁阻电机的电感特性、转矩特性，制作出电机的磁链电流转矩表；之后根据当前位置、转速和电流信息，结合开关状态查表预测下一时刻的电流和位置信息；而为进行延时补偿，还需再进一步预测之后两时刻的电流和位置信息，然后查表获取各开关状态下的转矩并带入代价函数，通过代价函数寻优得到最优解的开关状态，再通过开关信号的
解耦分别对应于三相的功率变换器的开关管的开关状态，以此达到转矩脉动抑制的效果。
[0007]本专利技术的技术方案为：
[0008]所述一种基于多电平功率变换器的开关磁阻电机模型预测转矩控制方法，包括以下步骤：
[0009]步骤1：确定参考转矩T
ref
；获取开关磁阻电机电感特性、磁链特性和转矩特性，并根据以上特性构建数据表L
ph
(I
ph
,θ)、T
ph
(I
ph
,θ)；其中，L
ph
、T
ph
、I
ph
、θ分别表示开关磁阻电机相电感、相转矩、相电流和转子位置；
[0010]步骤2：采集电机在k时刻的转子位置θ(k)、相电流i
ph
(k)、转速ω(k)以及相电压V
ph
(k)和磁链ψ
ph
(k)的值；
[0011]步骤3：根据步骤2得到的测量数据，预测k+1时刻的转子位置θ(k+1)、磁链ψ
ph
(k+1)；并通过查表获得相电流i
ph
(k+1)；其中
[0012]θ(k+1)＝θ(k)+ω(k)Ts
[0013]ψ
ph
(k+1)＝[V
ph
(k)
‑
i
ph
(k)R]Ts+ψ
ph
(k)
[0014]式中R为负载电阻，Ts为采样频率，ω(k)、θ(k)、i
ph
(k)、V
ph
(k)分别为k时刻的转速、转子位置、相电流、相电压，θ(k+1)、i
ph
(k+1)分别为k+1时刻的转子位置和相电流值；
[0015]步骤4：根据公式θ(k+2)＝2θ(k+1)
‑
θ(k)预测k+2时刻转子位置θ(k+2)，式中θ(k)、θ(k+1)、θ(k+2)分别为k、k+1、k+2时刻的转子位置；根据k+2时刻转子位置θ(k+2)，判断其是否处于换相区，如果处于换相区，则对k+2时刻可能的12种开关状态分别进行转矩预测，如果不处于换相区，则对k+2时刻可能的5种开关状态分别进行转矩预测；
[0016]所述5种开关状态分别为：
[0017]A相、B相、C相的开关状态变量分别为(1，
‑
1，
‑
1)，(0.5，
‑
1，
‑
1)，(0，
‑
1，
‑
1)，(
‑
0.5，
‑
1，
‑
1)，(
‑
1，
‑
1，
‑
1)；
[0018]所述12种开关状态分别为：
[0019]A相、B相、C相的开关状态变量分别为(1，1，
‑
1)，(1，0.5，
‑
1)，(1，0，
‑
1)，(1，
‑
0.5，
‑
1)，(1，
‑
1，
‑
1)，(0.5，0.5，
‑
1)，(0.5，0，
‑
1)，(0.5，
‑
0.5，
‑
1)，(0.5，
‑
1，
‑
1)，(0，0，
‑
1)，(0，
‑
0.5，
‑
1)，(0，
‑
1，
‑
1)；
[0020]对每种开关状态进行转矩预测的过程为：
[0021]步骤4.1：根据该开关状态的三相开关状态变量以及开关状态变量与相电压的关系，得到输出电压大小，即为k+1时刻的预测相电压V
ph
(k+1)；进而利用公式
[0022]ψ
ph
(k+2)＝[V
ph
(k+1)
‑
i
ph
(k+1)R]Ts+ψ
ph
(k+1)
[0023]预测k+2时刻磁链ψ
ph
(k+2)本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多电平功率变换器的开关磁阻电机模型预测转矩控制方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：确定参考转矩T
ref
；获取开关磁阻电机电感特性、磁链特性和转矩特性，并根据以上特性构建数据表L
ph
(I
ph
,θ)、T
ph
(I
ph
,θ)；其中，L
ph
、T
ph
、I
ph
、θ分别表示开关磁阻电机相电感、相转矩、相电流和转子位置；步骤2：采集电机在k时刻的转子位置θ(k)、相电流i
ph
(k)、转速ω(k)以及相电压V
ph
(k)和磁链ψ
ph
(k)的值；步骤3：根据步骤2得到的测量数据，预测k+1时刻的转子位置θ(k+1)、磁链ψ
ph
(k+1)；并通过查表获得相电流i
ph
(k+1)；其中θ(k+1)＝θ(k)+ω(k)Tsψ
ph
(k+1)＝[V
ph
(k)
‑
i
ph
(k)R]Ts+ψ
ph
(k)式中R为负载电阻，Ts为采样频率，ω(k)、θ(k)、i
ph
(k)、V
ph
(k)分别为k时刻的转速、转子位置、相电流、相电压，θ(k+1)、i
ph
(k+1)分别为k+1时刻的转子位置和相电流值；步骤4：根据公式θ(k+2)＝2θ(k+1)
‑
θ(k)预测k+2时刻转子位置θ(k+2)，式中θ(k)、θ(k+1)、θ(k+2)分别为k、k+1、k+2时刻的转子位置；根据k+2时刻转子位置θ(k+2)，判断其是否处于换相区，如果处于换相区，则对k+2时刻可能的12种开关状态分别进行转矩预测，如果不处于换相区，则对k+2时刻可能的5种开关状态分别进行转矩预测；所述5种开关状态分别为：A相、B相、C相的开关状态变量分别为(1，
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1，
‑
1)，(0.5，
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1，
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1)，(0，
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1，
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1)，(
‑
0.5，
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1，
‑
1)，(
‑
1，
‑
1，
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1)；所述12种开关状态分别为：A相、B相、C相的开关状态变量分别为(1，1，
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1)，(1，0.5，
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1)，(1，0，
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1)，(1，
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0.5，
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1)，(1，
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1，
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1)，(0.5，0.5，
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1)，(0.5，0，
‑
1)，(0.5，
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0.5，
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1)，(0.5，
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1，
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1)，(0，0，
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1)，(0，
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0.5，
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1)，(0，
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1，
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1)；对每种开关状态进行转矩预测的过程为：步骤4.1：根据该开关状态的三相开关状态变量以及开关状态变量与相电压的关系，得到输出电压大小，即为k+1时刻的预测相电压V
ph
(k+1)；进而利用公式ψ
ph
(k+2)＝[V
ph
(k+1)
‑
i
p...

【专利技术属性】
技术研发人员：葛乐飞，沈煜钖，张东鹏，黄佳乐，宋受俊，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：