CN106849794B - 五桥臂双永磁电机转矩转速协同模型预测控制装置和方法 - Google Patents

五桥臂双永磁电机转矩转速协同模型预测控制装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及五桥臂双永磁电机控制系统，为能够在不改变五桥臂双永磁电机控制系统硬件电路的基础上，有效地提高电机转矩响应速度，同时有效地提高两电机系统转速、转矩的同步性能。本发明所采用的技术方案是：五桥臂双永磁电机转矩转速协同模型预测控制方法，将三相电网和不可控整流桥的输出作为五桥臂逆变器的输入，五桥臂逆变器的每一个臂均由串接的两个开关管构成，串接点输出控制两台三相永磁同步电机的一个相，其中第3个臂同时控制两台三相永磁同步电机的各一个相。本发明主要应用于五桥臂双永磁电机控制场合。

Description

五桥臂双永磁电机转矩转速协同模型预测控制装置和方法
技术领域
本发明涉及一种模型预测控制方法。特别是涉及一种应用于五桥臂双永磁电机控制系统的模型预测控制方法。
背景技术
双电机的协同驱动系统已经开始广泛应用于矿井、冶金、港口等诸多行业，以改善传统单电机驱动可靠性较低，控制性能差，系统机械传动机构复杂，单台电机功率要求较高等问题。
传统的双电机驱动系统中，两台电机分别由两台变频器进行控制，电机之间不存在电气耦合。现代先进双电机控制系统将网侧变流器进行合并，实现了共直流母线结构，简化了拓扑结构。为了进一步简化双电机控制系统，一些学者针对逆变侧提出了五桥臂拓扑结构，对比传统的逆变侧结构，五桥臂逆变器减少了一个桥臂，简化了结构并提高了系统的可靠性，在近年来得到了许多学者的关注。但是，由于五桥臂逆变器中，两电机公用一个桥臂，因此造成了两电机电气上的耦合，如何在简化拓扑结构的基础上提高两电机的控制性能，是目前的一个研究难点。
针对上述问题，一些学者提出了半周期调制策略，提高了两电机对直流母线的电压利用率。然而，上述算法虽然改进了调制算法，但并未将功率器件的开关状态与电机的控制目标直接相联系，同时，由于电流环仍采用PI控制器，电机的转矩响应速度较低。
近些年来，随着高性能微处理器的发展，在电机驱动、电源、新能源领域，模型预测控制以其独有的特点而被得到广泛的关注。一些学者将模型预测控制应用于五桥臂逆变器，对32种开关状态的电流控制效果进行分别预测，并采用价值函数进行评估和优化，提高了双电机控制系统的转矩响应速度。但是，该类方法并没有针对五桥臂变流器提出有效的转矩同步控制策略，也未改善两电机速度外环的同步性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种方法，能够在不改变五桥臂双永磁电机控制系统硬件电路的基础上，有效地提高电机转矩响应速度，同时有效地提高两电机系统转速、转矩的同步性能。
本发明所采用的技术方案是：五桥臂双永磁电机转矩转速协同模型预测控制方法，将三相电网和不可控整流桥的输出作为五桥臂逆变器的输入，五桥臂逆变器的每一个臂均由串接的两个开关管构成，串接点输出控制两台三相永磁同步电机的一个相，其中第3个臂同时控制两台三相永磁同步电机的各一个相，还包括如下具体步骤：
1、双永磁电机系统电气量采集与计算，包括：
(1)采集两台电机的转速，结合两台电机共同的转速参考值，计算两台电机在两相旋转dq坐标系上的q轴定子参考电流；
(2)采集两台电机的三相定子电流，并将所述的三相定子电流变换为在两相静止α-β坐标系上的定子电流分量；
(3)采集两台电机的转子磁场角度，将两台电机在两相静止α-β坐标系上的定子电流分量变换为两相旋转dq坐标系上的定子电流分量；
(4)采集直流侧电压；
(5)列出五桥臂逆变器的所有可能输出的开关状态组合，根据五桥臂逆变器所有可能输出的开关状态组合，计算两台电机的三相定子电压；
(6)将两台电机的三相定子电压变换为在两相旋转dq坐标系上的定子电压分量；
设定两台电机参数：两台电机的定子电阻分别为R1、R2；两台电机的d轴定子电感分别为Ld1、Ld2；两台电机的q轴定子电感分别为Lq1、Lq2；两台电机的转子永磁体磁链分别为ψf1、ψf2；
将采集和计算得到的电气量设定为k时刻两台电机的电气量，用离散形式表示：两台电机的转速分别为ωr1(k)、ωr2(k)；两台电机在两相旋转dq坐标系上的定子电流分量为id1(k)、iq1(k)、id2(k)、iq2(k)；两台电机在两相旋转dq坐标系上的定子电压分量为
2、电流预测和价值函数寻优，包括：
五桥臂逆变器共有25＝32种开关状态组合，对序号为n＝1～32的32种开关状态组合，预测k+1时刻两台电机在两相旋转dq坐标系上的定子电流；
建立价值函数gn(k+1)，当价值函数gn(k+1)取得最小值时，价值函数gn(k+1)对应的n的数值作为逆变器最终的输出电压矢量的状态。
电流预测和价值函数寻优，具体地，对序号为n＝1～32的32种开关状态组合，预测k+1时刻两台电机在两相旋转dq坐标系上的定子电流公式如下：
式中，T为系统的控制周期。
建立价值函数gn(k+1)，有
式中，hd1、hq1、hd2、hq2为两台电机的电流权值，hT为两台电机的转矩同步权值，为两台电机在两相旋转dq坐标系上的q轴定子参考电流。
当价值函数gn(k+1)取得最小值时，价值函数gn(k+1)对应的n的数值作为逆变器最终的输出电压矢量的序号no，
五桥臂双永磁电机转矩转速协同模型预测控制装置，包括三相电网和不可控整流桥、两台三相永磁同步电机，还包括五桥臂逆变器、微处理器，三相电网和不可控整流桥的输出作为五桥臂逆变器的输入，五桥臂逆变器的每一个臂均由串接的两个开关管构成，串接点输出控制两台三相永磁同步电机的一个相，其中第3个臂同时控制两台三相永磁同步电机的各一个相；微处理器进行公式计算、算法处理，并生成开关管开关信号。
微处理器进行公式计算、算法处理，并生成开关管开关信号，具体包括：电流预测和价值函数寻优，五桥臂逆变器共有25＝32种开关状态组合，对序号为n＝1～32的32种开关状态组合，预测k+1时刻两台电机在两相旋转dq坐标系上的定子电流；
建立价值函数gn(k+1)，当价值函数gn(k+1)取得最小值时，价值函数gn(k+1)对应的n的数值作为逆变器最终的输出电压矢量的状态。
本发明的特点及有益效果是：
本发明的一种应用于五桥臂双永磁电机控制系统的模型预测控制方法，提出了一种转矩转速协同型模型预测控制方法，与传统算法相比，新算法有效的提高电机转矩响应速度，同时有效的提高两电机系统转速、转矩的同步性能。
附图说明
图1是五桥臂电压源逆变器拓扑结构图。
图2是q轴定子参考电流计算过程结构图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种应用于五桥臂双永磁电机控制系统的转矩转速协同型模型预测控制方法做出详细说明。
为改善传统双永磁电机五桥臂逆变器控制方法的转矩同步性能和转速同步性能，本发明的一种应用于五桥臂双永磁电机控制系统的转矩转速协同型模型预测控制方法，建立了一种应用于双永磁电机五桥臂逆变器的模型预测控制方法。在模型预测控制方法中，通过建立价值函数，实现转矩同步控制。同时，在模型预测控制方法中加入转速同步控制器，实现转速的同步控制。
本发明的一种应用于五桥臂双永磁电机控制系统的转矩转速协同型模型预测控制方法，控制目标为：1、实现双电机转矩协同控制；2、实现双电机转速协同控制。
本发明的一种应用于五桥臂双永磁电机控制系统的转矩转速协同型模型预测控制方法，用于由五桥臂逆变器和两台永磁同步电机组成的双电机控制系统，包括如下步骤：
1、五桥臂双永磁电机系统拓扑结构和工作原理。
在本实施例中，选用TI公司的TMS320F28335微处理器进行公式计算、算法处理，并生成开关管开关信号。图1中，左侧为三相电网和不可控整流桥，其中，usa、usb、usc为三相电网的各相相电压；udc为直流侧电容电压；Sx1(x＝A，B，C，D，E)为上桥臂开关管开关状态，Sx2(x＝A，B，C，D，E)为下桥臂开关管开关状态，二者互补。右侧为五桥臂逆变器的变流桥和两台永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor，PMSM)PMSM1、PMSM2，其中，桥臂A、B、C用于驱动电机PMSM1，桥臂C、D、E用于驱动电机PMSM2。可以看出，与传统的逆变器相比，五桥臂结构减少了功率开关器件的数量，两台电机共用了C相桥臂。
任一上桥臂的开关状态Sx1可以表示为
由于每个开关管都有两种开关状态，因此，五桥臂逆变器共有25＝32种开关状态组合，设第n个(n＝1～32)组合的开关状态为则所有结果如表1所示。
表1五桥臂逆变器开关状态组合
表中，开关状态组合的序号为n，分别为不同上桥臂开关管在第n个组合下的开关状态。
2、双永磁电机系统电气量采集与计算，包括：
(1)采集两台电机的转速ωr1、ωr2，结合两台电机共同的转速参考值计算两台电机的q轴定子参考电流如图2所示。图中，PI表示比例积分控制器；C1、C2表示比例参数。
(2)采集两台电机的三相定子电流ia1、ib1、ic1、ia2、ib2、ic2，并将所述的三相定子电流变换为在两相静止α-β坐标系上的定子电流分量，公式如下：
式中，iα1、iβ1、iα2、iβ2是两台电机在两相静止α-β坐标系上的定子电流分量
(3)采集两台电机的转子磁场角度θ1、θ2，将两台电机在两相静止α-β坐标系上的定子电流分量变换为两相旋转dq坐标系上的定子电流分量id1、iq1、id2、iq2，公式如下：
(4)采集直流侧电压udc；
(5)根据五桥臂逆变器的所有可能输出的开关状态组合，计算两台电机的三相定子电压，第n个(n＝1～32)状态下电压公式如下：
式中，为第n个(n＝1～32)组合状态下的各桥臂电压。
(6)将两台电机的三相定子电压变换为在两相旋转dq坐标系上的定子电压，公式如下：
式中，为两台电机在第n个(n＝1～32)组合状态下两相旋转dq坐标系上的定子电压分量。
设定两台电机参数：两台电机的定子电阻分别为R1、R2；两台电机的d轴定子电感分别为Ld1、Ld2；两台电机的q轴定子电感分别为Lq1、Lq2；两台电机的转子永磁体磁链分别为ψf1、ψf2。
将采集和计算得到的电气量设定为k时刻两台电机的电气量，用离散形式表示：两台电机的转速分别为ωr1(k)、ωr2(k)；两台电机在两相旋转dq坐标系上的定子电流分量为id1(k)、iq1(k)、id2(k)、iq2(k)；两台电机在两相旋转dq坐标系上的定子电压分量为
3、电流预测和价值函数寻优
对序号为n＝1～32的32种开关状态组合，预测k+1时刻两台电机在两相旋转dq坐标系上的定子电流公式如下：
式中，T为系统的控制周期。
建立价值函数gn(k+1)，有
式中，hd1、hq1、hd2、hq2为两台电机的电流权值，hT为两台电机的转矩同步权值，为两台电机在两相旋转dq坐标系上的q轴定子参考电流。
当价值函数gn(k+1)取得最小值时，价值函数gn(k+1)对应的n的数值作为逆变器最终的输出电压矢量的序号no，
尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (3)

1.一种五桥臂双永磁电机转矩转速协同模型预测控制方法，其特征是，将三相电网和不可控整流桥的输出作为五桥臂逆变器的输入，五桥臂逆变器的每一个臂均由串接的两个开关管构成，串接点输出控制两台三相永磁同步电机的一个相，其中第3个臂同时控制两台三相永磁同步电机的各一个相，还包括如下具体步骤：
一、双永磁电机系统电气量采集与计算，包括：
(1)采集两台电机的转速，结合两台电机共同的转速参考值，计算两台电机在两相旋转dq坐标系上的q轴定子参考电流；
(2)采集两台电机的三相定子电流，并将所述的三相定子电流变换为在两相静止α-β坐标系上的定子电流分量；
(3)采集两台电机的转子磁场角度，将两台电机在两相静止α-β坐标系上的定子电流分量变换为两相旋转dq坐标系上的定子电流分量；
(4)采集直流侧电压；
(5)列出五桥臂逆变器的所有可能输出的开关状态组合，根据五桥臂逆变器所有可能输出的开关状态组合，计算两台电机的三相定子电压；
(6)将两台电机的三相定子电压变换为在两相旋转dq坐标系上的定子电压分量；
设定两台电机参数：两台电机的定子电阻分别为R1、R2；两台电机的d轴定子电感分别为Ld1、Ld2；两台电机的q轴定子电感分别为Lq1、Lq2；两台电机的转子永磁体磁链分别为ψf1、ψf2；
将采集和计算得到的电气量设定为k时刻两台电机的电气量，用离散形式表示：两台电机的转速分别为ωr1(k)、ωr2(k)；两台电机在两相旋转dq坐标系上的定子电流分量为id1(k)、iq1(k)、id2(k)、iq2(k)；两台电机在两相旋转dq坐标系上的定子电压分量为
二、电流预测和价值函数寻优，包括：
五桥臂逆变器共有25＝32种开关状态组合，对序号为n＝1～32的32种开关状态组合，预测k+1时刻两台电机在两相旋转dq坐标系上的定子电流；
建立价值函数gn(k+1)，当价值函数gn(k+1)取得最小值时，价值函数gn(k+1)对应的n的数值作为逆变器最终的输出电压矢量的状态；
电流预测和价值函数寻优，具体地，对序号为n＝1～32的32种开关状态组合，预测k+1时刻两台电机在两相旋转dq坐标系上的定子电流 公式如下：
式中，T为系统的控制周期；
建立价值函数gn(k+1)，有
式中，hd1、hq1、hd2、hq2为两台电机的电流权值，hT为两台电机的转矩同步权值，为两台电机在两相旋转dq坐标系上的q轴定子参考电流。
2.如权利要求1所述的五桥臂双永磁电机转矩转速协同模型预测控制方法，其特征是，当价值函数gn(k+1)取得最小值时，价值函数gn(k+1)对应的n的数值作为逆变器最终的输出电压矢量的序号no，
3.一种五桥臂双永磁电机转矩转速协同模型预测控制装置，包括三相电网和不可控整流桥、两台三相永磁同步电机，其特征是，还包括五桥臂逆变器、微处理器，三相电网和不可控整流桥的输出作为五桥臂逆变器的输入，五桥臂逆变器的每一个臂均由串接的两个开关管构成，串接点输出控制两台三相永磁同步电机的一个相，其中第3个臂同时控制两台三相永磁同步电机的各一个相；微处理器进行公式计算、算法处理，并生成开关管开关信号；微处理器进行公式计算、算法处理，并生成开关管开关信号，具体包括：电流预测和价值函数寻优，五桥臂逆变器共有25＝32种开关状态组合，对序号为n＝1～32的32种开关状态组合，预测k+1时刻两台电机在两相旋转dq坐标系上的定子电流；
建立价值函数gn(k+1)，当价值函数gn(k+1)取得最小值时，价值函数gn(k+1)对应的n的数值作为逆变器最终的输出电压矢量的状态；
电流预测和价值函数寻优，具体地，对序号为n＝1～32的32种开关状态组合，预测k+1时刻两台电机在两相旋转dq坐标系上的定子电流 公式如下：
式中，T为系统的控制周期，两台电机的定子电阻分别为R1、R2；两台电机的d轴定子电感分别为Ld1、Ld2；两台电机的q轴定子电感分别为Lq1、Lq2；两台电机的转子永磁体磁链分别为ψf1、ψf2；两台电机在两相旋转dq坐标系上的定子电压分量为 两台电机的转速分别为ωr1(k)、ωr2(k)；
建立价值函数gn(k+1)，有
式中，hd1、hq1、hd2、hq2为两台电机的电流权值，hT为两台电机的转矩同步权值， 为两台电机在两相旋转dq坐标系上的q轴定子参考电流。
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