一种基于PWM的模型预测转矩控制方法技术

本发明专利技术提出了一种基于PWM的模型预测转矩控制方法，通过离线测量获取开关磁阻电机的电流

【技术实现步骤摘要】
一种基于PWM的模型预测转矩控制方法


[0001]本专利技术属于电机控制领域，涉及一种基于PWM的模型预测转矩控制方法。

技术介绍

[0002]开关磁阻电机(SRM)具有结构坚固简单、易于制造、可靠性高、调速范围宽、模式切换方便、适应恶劣条件等特点，近年来受到广泛关注，已成为电动汽车和多电飞机驱动系统的有力候选。
[0003]SRM是一种具有高度饱和磁路和非线性电磁特性的双凸极电机，其输出转矩不能用电流线性表示。然而，传统电流控制下SRM的输出转矩波动较大，这种固有的高转矩脉动将对电力驱动系统的安全构成潜在威胁。为了解决以上问题，学者们选择电机控制作为研究的切入点，先后提出了直接转矩控制(DTC)、直接瞬时转矩控制(DITC)、转矩分配函数(TSF)和模型预测控制(MPC)来抑制SRM的转矩脉动。其中，模型预测控制的主要特点是利用系统模型来预测被控制变量的未来行为，基于预定义的优化准则，控制器利用该信息来获得最优控制信号。因此，模型预测控制因其高效和优异的性能在开关磁阻电机控制中受到越来越多的关注。
[0004]然而，申请人发现传统的预测控制使用的预测控制信号方案中，每个相位只有固定的三种开关状态选择：励磁状态、零电压续流状态和退磁状态。该方法存在以下几个缺点：
[0005]1)开关频率较低，在相同计算频率下获得的波形比PWM控制获得的波形更易波动。
[0006]2)在模型预测控制中，该方法可以在备选方案内得到最优解，但计算结果仍与最优解存在一定差距。
[0007]申请人进一步研究发现，响应面模型(RSM)在电机设计优化中得到了广泛的应用。RSM是数学和统计方法的结合，分析了响应受多变量影响的问题，最终目标是优化响应值。拉丁超立方采样(LHS)设计可以将每一层的域划分为n层，在相等的边际概率1/n从每一层中采样一次。通过使用LHS设计，可以将在[0,1]内变化的占空比分为n层，并从每个层中得到一个随机占空比，这不仅可以尽可能地填充响应面，而且确保了占空比的随机性。

技术实现思路

[0008]为了有效地降低SRM的转矩脉动，本专利技术提出了一种基于PWM的模型预测转矩控制方法，用于开关磁阻机(SRM)的转矩脉动抑制。该方法由无差拍预测控制(DPC)和模型预测控制(MPC)组成。使用DPC预测单相激励的控制信号。在换相区，将MPC和响应面模型(RSM)结合起来，以预测输入相位和输出相位的控制信号。通过在不同条件下的实验，将该预测控制方法与其他典型的控制方法进行了比较，实验结果证明了它的优越性。
[0009]本专利技术的技术方案为：
[0010]一种基于PWM的模型预测转矩控制方法，包括以下步骤：
[0011]步骤1：获取开关磁阻电流特性、转矩特性、电机磁链特性、和转子位置特性并构建
数据表i
ph
(Ψ
ph
,θ)和T
ph
(i
ph
,θ)；其中i
ph
为相电流，T
ph
为相转矩，Ψ
ph
为相磁链值，θ为转子位置；
[0012]步骤2：进行电机单相和换向区域的判断。如果处在单相区，则使用DPC预测单相激励的控制信号；否则，控制方法由所提出的MPC方法确定，即采取步骤3
‑
7；
[0013]步骤3：假设k+1时刻各相的磁链与k时刻一致，并根据步骤1得到的数据表i
ph
(Ψ
ph
,θ)和T
ph
(i
ph
,θ)获得相电流和相转矩，即获得预测相转矩T
ph
(k+1)，三相转矩相加得到预测输出转矩T0(k+1)；
[0014]步骤4：比较T0(k+1)和参考转矩T
ref
，得到输入和输出相位的预测占空比方案：如果T
ref
>T0(k+1)，则励磁相的预测占空比D
in
方案为正，输出相位D
out
的占空比方案范围可以为[
‑
1,1]；如果T
ref
<T0(k+1)，则输出相的预测方案应为负值，而励磁相的预测方案占空比范围可以为[
‑
1,1]；
[0015]步骤5：对于预测方案中的所有输入和输出占空比，通过
[0016]ψ
ph
(k+1)＝ψ
ph
(k)+[U
dc
D
p
‑
i
ph
(k)R]T
s
[0017]分别预测k+1时刻的输入相位和输出相位的磁链Ψ
ph
(k+1)，其中Ψ
ph
为相磁链值，D
p
为相应占空比。
[0018]通过查表i
ph
(Ψ
ph
,θ)和T
ph
(i
ph
,θ)获得了k+1时刻的预测输入和输出转矩T
in
(k+1)和T
out
(k+1)。然后，通过以下公式计算参考转矩与预测输出转矩的之差的绝对值：
[0019]△
T＝|T
ref
‑
T
in
(k+1)
‑
T
out
(k+1)|
[0020]步骤6：建立转矩差和占空比的RSM方程。
[0021][0022]其中，a1‑
a6是回归系数，D
in
和D
out
分别是输入相位和输出相位的占空比。为了评估方程的准确性，引入了复相关系数R2，其定义为：
[0023][0024]其中是平均实验数据，是RSM的预测值。当R2系数大于0.9时，可以认为拟合方程足够准确。
[0025]建立RSM方程后，找到方程的驻点：
[0026][0027][0028]通过进一步计算偏导数，可以确定驻点是否是最小值点。
[0029][0030][0031][0032]R＝AC
‑
B2[0033]如果A和R都是正的，则该驻点是响应面上的极小值点，相应的占空比D1和D2将是输入相和输出相的最佳占空比。
[0034]如果拟合精度不够(R2＜0.9)或没有极小值点，可以在预测占空比方案中找到使ΔT最小化的方案，并且以相应的占空比作为输出；
[0035]步骤7：将最佳占空比转换为控制信号，并将其应用于SRM驱动系统。
[0036]进一步地，步骤2中对于电机单相和换向区域的判断步骤如下：
[0037]首先计算输出相的退磁时间上限：
[0038][0039]Δψ为退磁时间内输出相的磁链变化，U
dc
为母线电压。
[0040]从当前转子位置θ到电机转矩段结束的时间t
c
计算为：<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于PWM的模型预测转矩控制方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：获取开关磁阻电流特性、转矩特性、电机磁链特性、和转子位置特性并构建数据表i
ph
(Ψ
ph
,θ)和T
ph
(i
ph
,θ)；其中i
ph
为相电流，T
ph
为相转矩，Ψ
ph
为相磁链值，θ为转子位置；步骤2：进行电机单相和换向区域的判断。如果处在单相区，则使用DPC预测单相激励的控制信号；否则，控制方法由所提出的MPC方法确定，即采取步骤3
‑
7；步骤3：假设k+1时刻各相的磁链与k时刻一致，并根据步骤1得到的数据表i
ph
(Ψ
ph
,θ)和T
ph
(i
ph
,θ)获得相电流和相转矩，即获得预测相转矩T
ph
(k+1)，三相转矩相加得到预测输出转矩T0(k+1)；步骤4：比较T0(k+1)和参考转矩T
ref
，得到输入和输出相位的预测占空比方案：如果T
ref
&gt;T0(k+1)，则励磁相的预测占空比D
in
方案为正，输出相位D
out
的占空比方案范围可以为[
‑
1,1]；如果T
ref
&lt;T0(k+1)，则输出相的预测方案应为负值，而励磁相的预测方案占空比范围可以为[
‑
1,1]；步骤5：对于预测方案中的所有输入和输出占空比，通过ψ
ph
(k+1)＝ψ
ph
(k)+[U
dc
D
p
‑
i
ph
(k)R]T
s
分别预测k+1时刻的输入相位和输出相位的磁链Ψ
ph
(k+1)，其中D
p
为相应占空比；通过查表i
ph
(Ψ
ph
,θ)和T
ph
(i
ph
,θ)获得了k+1时刻的预测输入和输出转矩T
in
(k+1)和T
out
(k+1)；然后，通过以下公式计算参考转矩与预测输出转矩的之差的绝对值：
△
T＝T
ref
‑
T
in
(k+1)
‑
T
out
(k+1)步骤6：建立转矩差和占空比的RSM方程；其中，a1‑
a6是回归系数，D
in
和D
out
分别是输入相位和输出相位的占空比；为了评估方程的准确性，引入了复相关系数R2，其定义为：其中是平均实验数据，是RSM的预测值；当R2系数大于0.9时，可以认为拟合方程足够准确；建立RSM方程后，找到方程的驻点：建立RSM方程后，找到方程的驻点：通过进一步计算偏导数，可以确定驻点是否是最小值点；
R＝AC
‑
B2如果A和R都是正的，则该驻点是响应面上的极小值点，相应的占空比D1和D2将是输入相和输出相的最佳占空比；如果拟合精度不够(R2＜0.9)或没有极小值点，可以在预测占空比方案中找到使ΔT最小化的方案，并且以相应的占空比作为输出；步骤7：将最佳占空比转换为控制信号，并将其应用于SRM驱动系统。2.根据权利要求1所述一种基于PWM的模型预测转矩控制方法，其特征在于：步骤2中对于电机单相和换向区域的判断步骤如下：首先计算输出相的退磁时间上限：Δψ为退磁时间内输出相的磁链变化，U
dc
为母线电压；从当前转子位置θ到电机转矩段结束的时间t
c
计算为：将t
dmax
与t
c
进行比较，如果t
dmax
&gt;t
c
，则处在单相区，使用DPC预测单相激励的控制信号；否则，控制方法为MPC。3.根据权利要求1所述一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：葛乐飞，杜楠，郭继轩，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：