一种基于有限控制集模型预测控制的永磁同步电机模拟器制造技术

本发明专利技术提供了一种基于有限控制集模型预测控制的永磁同步电机模拟器，利用有限控制集的思想提取开关状态作为控制量，对开关频率及调制模块则没有要求，使电机模拟器系统的开关损耗更低且不存在延迟，从而大大改善了系统动态特性。控制中相比现有技术能够有效解决LCL型接口电路结构复杂、易出现电流振荡的问题，使系统的稳定性显著提高。本发明专利技术的电机模拟器对于不同工况、不同型号的真实电机，均具有良好普适性并能达到精确的模拟效果，克服了现有测试方法中对台架的依赖，大大降低了研发成本。本。本。

【技术实现步骤摘要】
一种基于有限控制集模型预测控制的永磁同步电机模拟器


[0001]本专利技术属于永磁同步电机系统硬件在环测试
，具体涉及一种基于有限控制集模型预测控制的永磁同步电机模拟器。

技术介绍

[0002]永磁同步电机的设计研发中，其驱动系统测试是提升性能的关键环节之一，现有的测试方式主要依靠基于真实电机搭建的机械负载台架来进行，在使用中普遍存在故障辨识困难、机械损耗大、可复用性差等问题，无法满足日益增长的测试需要。部分基于“数字仿真+功率器件”形式电机模拟器的现有技术，通过电磁仿真及数字模拟得到控制信号，进而驱动功率器件，能够实现对真实电机接口特性的有效模拟，从而在开发测试中省去测试台架的搭建。电机模拟器中的接口控制算法是电机模拟器系统的核心部分，本质上是电机控制器电流环的内环，其控制精度及鲁棒性是系统能否有效模拟真实电机的决定性因素。然而，现有电机模拟器中的接口控制算法普遍采用PID控制，由于接口电流耦合量多、存在非线性变量、易出现控制冲突，使得PID控制实际使用时效果欠佳，限制了电机模拟器模拟精度的提升。

技术实现思路

[0003]有鉴于此，针对上述本领域中存在的技术问题，本专利技术提供了一种基于有限控制集模型预测控制的永磁同步电机模拟器，由LCL型接口电路、实时处理器以及驱动电路组成；
[0004]其中，上述实时处理器用于运行电机模型，以及执行以下接口算法：
[0005]步骤一、首先对所述LCL型接口电路建立旋转坐标系下的d、q轴接口电压方程；对所述接口电压方程基于一阶欧拉公式执行向前离散化处理，并考虑电压输出延迟，得到下一采样时刻(k+1时刻)接口电流离散时间预测模型；
[0006]步骤二、针对驱动电路逆变器的所有可能开关状态进行建模；基于电机模拟器的接口电流预测值相对于由电机模型得到的相电流参考值的跟踪精度，设计代价函数并以系统决定的接口电流最大值确定代价函数的约束；
[0007]步骤三、选择切换不同逆变器开关状态，并将不同开关状态所对应的电压空间矢量依次输入所述接口电流离散时间预测模型及代价函数，预测下一采样时刻的接口电流，并通过遍历对比得到使所述代价函数最小的电压空间矢量作为最优控制量，与对应的开关状态共同作用于逆变器；
[0008]所述驱动电路基于实时处理器的控制输出三相电压，使LCL型接口电路的接口电流对相电流参考值实现跟踪；所述实时处理器采集所述电机模型输出的电机转速、转角等机械特性信号并反馈至外接待测电机控制器，实现电机控制系统的闭环测试。
[0009]进一步地，步骤一中具体建立以下形式的LCL型接口电路接口电压方程：
[0010][0011][0012]式中，u
id
、u
iq
、i
id
、i
iq
分别为接口电路输入侧电压、电流的d、q轴分量；u
od
、u
oq
、i
od
、i
oq
分别为接口电路输出侧电压、电流的d、q轴分量；u
Cd
、u
Cq
为滤波电容两侧电压；L
i
、L
o
为输入侧、输出侧滤波电感；R
i
、R
o
为输入侧、输出侧滤波电感的内阻；R
C
为阻尼电阻；ω
e
为电角速度；t为时间变量；
[0013]基于一阶欧拉公式执行向前离散化后，得到下一采样时刻接口电流离散时间预测模型：
[0014][0015]其中，
[0016][0017][0018]式中，i
o(k)
、i
o(k+1)
、i
i(k)
、i
i(k+1)
、u
o(k)
、u
i(k)
、u
C(k)
均为向量，分别表示为：
[0019][0020]进一步地，驱动电路具体选用三相两电平电压源型逆变器，则在步骤二中对其开关状态建模包含三相电路桥臂功率开关器件的8种开关状态，对应于8个电压空间矢量：U1(000)、U2(001)、U3(010)、U4(011)、U5(100)、U6(101)、U7(110)、U8(111)；
[0021]所述代价函数具体设计为以下形式：
[0022][0023]式中，为电机模型计算得到的相电流参考值，为电机模型计算得到的相电流参考值，为接口电流约束，满足：
[0024][0025]式中，i
max
表示由系统决定的接口电流最大值。
[0026]进一步地，步骤三的具体执行过程包括：
[0027](1)采集当前时刻(k时刻)的接口电流i
i(k)
以及待测控制器输出的三相电压，输入电机模型计算得到相电流参考值
[0028](2)利用所述接口电流离散时间预测模型，对各开关状态对应的电压空间矢量在下一采样时刻(k+1时刻)的接口电流i
i(k+1)
进行预测；
[0029](3)通过代价函数对各接口电流预测结果和电压空间矢量进行遍历对比，确定出使代价函数最小的电压空间矢量及对应开关状态，输出到驱动电路并开始下一采样时刻的预测控制。
[0030]上述本专利技术所提供的基于有限控制集模型预测控制的永磁同步电机模拟器，利用有限控制集的思想提取开关状态作为控制量，对开关频率及调制模块则没有要求，使电机模拟器系统的开关损耗更低且不存在延迟，从而大大改善了系统动态特性。控制中相比现有技术能够有效解决LCL型接口电路结构复杂、易出现电流振荡的问题，使系统的稳定性显著提高。本专利技术的电机模拟器对于不同工况、不同型号的真实电机，均具有良好普适性并能达到精确的模拟效果，克服了现有测试方法中对台架的依赖，大大降低了研发成本。
附图说明
[0031]图1为包含本专利技术所提供的永磁同步电机模拟器的控制系统框架；
[0032]图2为本专利技术所提供的永磁同步电机模拟器中LCL型接口电路拓扑机构；
[0033]图3为本专利技术所提供的永磁同步电机模拟器执行的接口算法框架；
[0034]图4为接口算法的具体流程。
具体实施方式
[0035]下面将结合附图对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0036]本专利技术所提供的基于有限控制集模型预测控制的永磁同步电机模拟器，如图1所示，由LCL型接口电路、实时处理器以及驱动电路组成；
[0037]其中，上述实时处理器用于运行电机模型，以及执行如图3所示的以下接口算法：
[0038]步骤一、首先对所述LCL型接口电路建立旋转坐标系下的d、q轴接口电压方程；对所述接口电压方程基于一阶欧拉公式执行向本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于有限控制集模型预测控制的永磁同步电机模拟器，其特征在于：由LCL型接口电路、实时处理器以及驱动电路组成；其中，上述实时处理器用于运行电机模型，以及执行以下接口算法：步骤一、首先对所述LCL型接口电路建立旋转坐标系下的d、q轴接口电压方程；对所述接口电压方程基于一阶欧拉公式执行向前离散化处理，并考虑电压输出延迟，得到下一采样时刻接口电流离散时间预测模型；步骤二、针对驱动电路逆变器的所有可能开关状态进行建模；基于电机模拟器的接口电流预测值相对于由电机模型得到的相电流参考值的跟踪精度，设计代价函数并以系统决定的接口电流最大值确定代价函数的约束；步骤三、选择切换不同逆变器开关状态，并将不同开关状态所对应的电压空间矢量依次输入所述接口电流离散时间预测模型及代价函数，预测下一采样时刻的接口电流，并通过遍历对比得到使所述代价函数最小的电压空间矢量作为最优控制量，与对应的开关状态共同作用于逆变器；所述驱动电路基于实时处理器的控制输出三相电压，使LCL型接口电路的接口电流对相电流参考值实现跟踪；所述实时处理器采集所述电机模型输出的电机转速、转角信号并反馈至外接待测电机控制器，实现电机控制系统的闭环测试。2.如权利要求1所述的永磁同步电机模拟器，其特征在于：步骤一中具体建立以下形式的LCL型接口电路接口电压方程：的LCL型接口电路接口电压方程：式中，u
id
、u
iq
、i
id
、i
iq
分别为接口电路输入侧电压、电流的d、q轴分量；u
od
、u
oq
、i
od
、i
oq
分别为接口电路输出侧电压、电流的d、q轴分量；u
Cd
、u
Cq
为滤波电容两侧电压；L
i
、L
...

【专利技术属性】
技术研发人员：王志福，田昊，孙逢春，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：