CN107070340B - 无刷直流电机驱动系统预测控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无刷直流电机驱动系统的预测控制方法，通过采集实际系统的电流值和经过状态估计的基于混合逻辑动态模型的系统的电流值来做比较，根据系统的历史参数来预测未来参数,即对系统进行状态估计，将电流作为本设计的主要控制对象,由控制器根据实际无刷直流电机驱动系统的逆变器输出信号与状态估计器的输出信号的比较信号作为参考输出量，在完成系统未来时刻参数的估计后,设定优化目标函数,从而选取下一时刻的最优控制量,达到预测控制的目的，该方法简化了数据量，提高和满足了无刷直流电机的控制特性，实现了对电磁转矩脉动的抑制，易于实际运用。

Description

无刷直流电机驱动系统预测控制方法
技术领域
本发明涉及无刷直流电机驱动系统技术领域，尤其是涉及无刷直流电机驱动系统的预测控制方法。
背景技术
在无刷直流电机驱动系统中，电机驱动系统由电机本体、逆变器、传感器和控制器组成，电机控制系统的分析和涉及大都基于逆变器和电机的数学模型，逆变器根据控制器发出的开关信号调制出一定频率和幅值的电压脉冲序列，是一个典型的非线性环节，这些电压脉冲作用在感性的电机绕组上产生连续的状态电流，因此，逆变器和电机构成了一个由离散事件驱动连续状态演化的混杂系统，传统的无刷直流电机驱动系统的预测控制方法是将功率开关器件看作一个理想器件,并对系统一个输出周期的平均模型作为预测控制的一个单元,此种方法忽略了一个周期内功率开关器件的开关状态这一典型的非线性环节对系统输出的影响，在现有技术中，描述了无刷直流电机驱动系统的混合逻辑动态模型，并基于此模型对直流电机驱动系统进行预测控制，可以得到较好的控制效果，但是由于此预测控制方法需要处理的数据庞大，并不利于硬件的实现，也限制了它在实际生活中的运用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可以简化数据量、并且易于实际运用的基于混合逻辑动态模型的无刷直流电机驱动系统的预测控制方法。
本发明所采用的技术方案是，无刷直流电机驱动系统预测控制方法，所述无刷直流电机驱动系统包括电源、无刷直流电机、传感器以及控制器，所述无刷直流电机是由一个恒压源、电机本体以及三相全桥逆变器组成，所述电机本体包括三相对称星型绕组以及三相反电动势，所述三相全桥逆变器由六个功率开关器件两两串联得到的三个半桥电路、分别并联在六个功率开关器件上的六个二极管组成，所述三相绕组对应着a相电枢绕组、b相电枢绕组以及c 相电枢绕组，所述a相电枢绕组、b相电枢绕组以及c相电枢绕组分别对应连接在三相全桥逆变器的三个桥臂的中点，所述预测控制方法包括以下步骤：
(1)、将基于混合逻辑动态模型的无刷直流电机驱动系统放入状态估计器中，对该无刷直流电机驱动系统的逆变器的一只功率开关器件的开关状态进行估计，并采样得到一个系统输出的状态估计电流值Ir；
(2)、对实际的无刷直流电机驱动系统的逆变器的一只功率开关器件导通时其输出电流进行采样，并采样得到一个实际的电流值Io；
(3)、设定一个优化的目标函数，所述设定的优化目标函数为：g＝|ir-io|，其中ir为参考电流，io为实际输出电流，并选取一个优化目标函数值g(i)作为初始参考值，将步骤(1) 中采样得到的状态估计电流值Ir和步骤(2)中得到的实际电流值Io代入优化目标函数中，求取状态估计电流值与实际电流值之间的差值的绝对值；
(4)、将所求差值的绝对值输入到控制器中，并将所求差值的绝对值与选取的初始参考值作比较，如果所求差值的绝对值小于初始参考值，那么就赋予该所求差值的绝对值为优化目标函数值g(i)来作为初始参考值，并选取该所求差值的绝对值所对应的功率开关器件的开关状态s(j)作为控制器下一时刻的输出控制量，该输出控制量分别输入到状态估计器中的无刷直流电机驱动系统和实际的无刷直流电机驱动系统来进行下一采样时刻的控制；如果所求差值的绝对值大于或等于初始参考值，那么就选取下一支功率开关器件从步骤(1)开始执行。
本发明的有益效果是：根据系统的历史参数预测未来参数,即对系统进行状态估计，在本发明中,需要对输出电流进行预测,而电流作为本设计的主要控制对象,由控制器根据实际无刷直流电机驱动系统的逆变器输出信号与状态估计器的输出信号的比较信号作为参考输出量，在完成系统未来时刻参数的估计后,设定优化目标函数,从而选取下一时刻的最优控制量, 达到预测控制的目的，该方法简化了数据量，提高和满足了无刷直流电机的控制特性，实现了对电磁转矩脉动的抑制，易于实际运用。
作为优先，所述的无刷直流电机驱动系统的混合逻辑动态模型为：
Figure BDA0001251280270000021
其中，a、b、c为系统三相绕组：a相电枢绕组、b相电枢绕组以及c相电枢绕组，L为电感，R为电阻，Vdc为系统的电源电压，i＝[ia、ib、ic]T为系统的状态向量；e＝[ea、eb、ec]T为反电势向量，可视为系统的连续输入向量；
Figure BDA0001251280270000031
为状态系数矩阵；
Figure BDA0001251280270000032
为连续输入系数矩阵；
Figure BDA0001251280270000033
为离散输入系数矩阵，所述混合逻辑动态模型考虑了无刷电机驱动系统的离散控制变迁又考虑了系统的连续状态变迁。
作为优先，无刷直流电机驱动系统的混合逻辑动态模型需要进行离散化处理，对系统的混合逻辑动体模型进行离散化处理为：i(k+1)＝A*i(k)+B1*e+B2*δ，其中,
Figure BDA0001251280270000034
TS为采样周期，K表示第K个时刻，主要为了实现预测控制的目的而进行离散化处理，这样在每一个离散时间对系统进行采样,同时由控制器预测下一时刻的输出。
附图说明
图1为本发明无刷直流电机驱动系统的等效电路图；
图2为本发明无刷直流电机驱动系统的预测控制方法的流程图；
具体实施方式
以下参照附图并结合具体实施方式来进一步描述发明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施，本发明保护范围并不受限于该具体实施方式。
本发明涉及无刷直流电机驱动系统预测控制方法，基于混合逻辑动态模型的无刷直流电机驱动系统建模方法，所述无刷直流电机驱动系统包括电源、无刷直流电机、传感器以及控制器，所述无刷直流电机是由一个恒压源、电机本体以及三相全桥逆变器组成，所述电机本体包括三相对称星型绕组以及三相反电动势，所述三相全桥逆变器由六个功率开关器件两两串联得到的三个半桥电路、分别并联在六个功率开关器件上的六个二极管组成，所述三相绕组对应着a相电枢绕组、b相电枢绕组以及c相电枢绕组，所述a相电枢绕组、b相电枢绕组以及c相电枢绕组分别对应连接在三相全桥逆变器的三个桥臂的中点，所述预测控制方法包括以下步骤：
(1)、将基于混合逻辑动态模型的无刷直流电机驱动系统放入状态估计器中，对该无刷直流电机驱动系统的逆变器的一只功率开关器件的开关状态进行估计，并采样得到一个系统输出的状态估计电流值Ir；
(2)、对实际的无刷直流电机驱动系统的逆变器的一只功率开关器件导通时其输出电流进行采样，并采样得到一个实际的电流值Io，所述实际的无刷直流电机驱动系统的逆变器的功率开关器件与基于混合逻辑动态模型的无刷直流电机驱动系统的逆变器的功率开关器件相同；
(3)、在比较器中设定一个优化的目标函数，并选取一个优化目标函数值作为初始参考值，所述设定的优化目标函数为：g＝|ir-io|，其中ir为参考电流，io为实际输出电流，将步骤(1)中采样得到的状态估计电流值Ir和步骤(2)中得到的实际电流值Io输入到比较器中的优化目标函数中，求取状态估计电流值与实际电流值之间的差值的绝对值；
(4)、将所求差值的绝对值输入到控制器中，并将所求差值的绝对值与选取的初始参考值作比较，如果所求差值的绝对值小于初始参考值，那么就赋予该所求差值的绝对值为初始参考值，并选取该所求差值的绝对值所对应的开关状态s(j)作为控制器下一时刻的输出控制量，该输出控制量分别输入到状态估计器中的无刷直流电机驱动系统和实际的无刷直流电机驱动系统来进行下一采样时刻的控制；如果所求差值的绝对值大于或等于初始参考值，那么就选取下一支功率开关器件从步骤(1)开始执行；即在此时刻对下一时刻的开关状态的输出分别进行计算，选取所求差值的绝对值所对应的开关状态作为系统下一时刻的控制量输出。
作为优先，所述的无刷直流电机驱动系统的混合逻辑动态模型为：
Figure BDA0001251280270000041
其中，a、b、c为系统三相绕组：a相电枢绕组、b相电枢绕组以及c相电枢绕组，L为电感，R为电阻，Vdc为系统的电源电压，i＝[ia、ib、ic]T为系统的状态向量；e＝[ea、eb、ec]T为反电势向量，可视为系统的连续输入向量；
Figure BDA0001251280270000042
为状态系数矩阵；
Figure BDA0001251280270000043
为连续输入系数矩阵；
Figure BDA0001251280270000044
为离散输入系数矩阵，所述混合逻辑动态模型考虑了无刷电机驱动系统的离散控制变迁又考虑了系统的连续状态变迁。
作为优先，无刷直流电机驱动系统的混合逻辑动态模型需要进行离散化处理，对系统的混合逻辑动体模型进行离散化处理为：i(k+1)＝A*i(k)+B1*e+B2*δ，其中,
Figure BDA0001251280270000051
TS为采样周期，K表示第K个时刻，K+1表示第K+1个时刻，主要为了实现预测控制的目的而进行离散化处理，这样在每一个离散时间对系统进行采样,同时由控制器预测下一时刻的输出。

Claims (3)

1.无刷直流电机驱动系统预测控制方法，所述无刷直流电机驱动系统包括电源、无刷直流电机、传感器以及控制器，所述无刷直流电机是由一个恒压源、电机本体以及三相全桥逆变器组成，所述电机本体包括星型对称的三相绕组以及三相反电动势，所述三相全桥逆变器由六个功率开关器件两两串联得到的三个半桥电路、分别并联在六个功率开关器件上的六个二极管组成，所述三相绕组对应着a相电枢绕组、b相电枢绕组以及c相电枢绕组，所述a相电枢绕组、b相电枢绕组以及c相电枢绕组分别对应连接在三相全桥逆变器的三个桥臂的中点，其特征在于：所述预测控制方法包括以下步骤：
(1)、将基于混合逻辑动态模型的无刷直流电机驱动系统放入状态估计器中，对该无刷直流电机驱动系统的逆变器的一只功率开关器件的开关状态进行估计，并采样得到一个系统输出的状态估计电流值Ir；
(2)、对实际的无刷直流电机驱动系统的逆变器的一只功率开关器件导通时其输出电流进行采样，并采样得到一个实际电流值Io；
(3)、设定一个优化目标函数，并选取一个优化目标函数值g(i)作为初始参考值，所述设定的优化目标函数为：g＝|ir-io|，其中ir为参考电流，io为采集到的输出电流，将步骤(1)中采样得到的状态估计电流值Ir和步骤(2)中得到的实际电流值Io代入优化目标函数中，求取状态估计电流值与实际电流值之间的差值的绝对值；
(4)、将所求差值的绝对值输入到控制器中，并将所求差值的绝对值与选取的初始参考值作比较，如果所求差值的绝对值小于初始参考值，那么就赋予该所求差值的绝对值为优化目标函数值g(i)来作为初始参考值，并选取该所求差值的绝对值所对应的功率开关器件的开关状态s(j)作为控制器下一时刻的输出控制量，该输出控制量分别输入到状态估计器中的无刷直流电机驱动系统和实际的无刷直流电机驱动系统来进行下一采样时刻的控制；如果所求差值的绝对值大于或等于初始参考值，那么就选取下一支功率开关器件从步骤(1)开始执行。
2.根据权利要求1所述的无刷直流电机驱动系统预测控制方法，其特征在于：步骤(1)中无刷直流电机驱动系统的混合逻辑动态模型为：
Figure FDA0002463322320000021
其中，a、b、c为系统三相绕组：a相电枢绕组、b相电枢绕组以及c相电枢绕组，L为电感，R为电阻，Vdc为系统的电源电压，i＝[ia、ib、ic]T为系统的状态向量；e＝[ea、eb、ec]T为反电势向量，可视为系统的连续输入向量；
Figure FDA0002463322320000022
为状态系数矩阵；
Figure FDA0002463322320000023
为连续输入系数矩阵；
Figure FDA0002463322320000024
为离散输入系数矩阵；
其中，ia，ib，ic分别对应a相电枢绕组、b相电枢绕组以及c相电枢绕组的三相绕组电流，δ1，δ2和δ3为分别与三相绕组对应的辅助逻辑变量。
3.根据权利要求2所述的无刷直流电机驱动系统预测控制方法，其特征在于：无刷直流电机驱动系统的混合逻辑动态模型需要进行离散化处理，离散化处理后得到的混合逻辑动态模型为：i(k+1)＝A*i(k)+B1*e+B2*δ，其中,
Figure FDA0002463322320000025
TS为采样周期，k表示第k个时刻，k+1表示第k+1个时刻，δ＝[δ1，δ2,δ3]T为辅助逻辑变量向量。
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