CN109302110B - 一种异步电机广义级联模型预测磁链控制方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种异步电机广义级联模型预测磁链控制方法，包括：根据外环转速PI调节器，得到转矩指令，设定磁链幅值指令；根据计算得到的定子磁链和定子电流，预测k+1时刻的定子磁链和转矩；根据得到的所述转矩指令和磁链幅值指令，得到的所述预测k+1时刻的定子磁链和转矩，构造磁链目标函数和转矩目标函数；根据得到的所述磁链目标函数或转矩目标函数，生成最优候选电压矢量，构建逆变器每个开关管的驱动信号。本发明提供的异步电机广义级联模型预测磁链控制方法和装置，解决了传统模型预测控制方案中，需要对权重系数进行反复调试的问题。
Description
技术领域
本发明涉及高性能异步电机调速控制领域，特别是指一种异步电机广义级联模型预测磁链控制方法及装置。
背景技术
模型预测控制方法原理简单、易于实现多变量控制、易于解决非线性约束等问题，通过在线滚动优化的方式得到最优解。近年来大量学者对模型预测控制在电力传动领域中的应用展开广泛研究。传统方案的控制变量是量纲不一致的电磁转矩和定子磁链幅值，为实现系统在各种工况下均有良好的动静态性能，需要通过反复仿真和试验来确定合适的权重系数，大大降低了控制算法的通用性和实用性。
为解决繁复的权重系数设计问题，有学者提出了一些解决方法，。如文献《Predictive Torque Control of Induction Machines Based on State-Space Models》将权重系数设计为额定转矩与额定定子磁链幅值的比值，但是这种设计方式并不是全局的最优解，在一些运行情况下电机会出现明显振荡现象。如文献《Predictive Torque andFlux Control Without Weighting Factors》首先计算磁链和转矩两个目标函数，然后对所有矢量在这两个目标函数下的值进行排序，进而综合得到最佳电压矢量。这种方法虽然省去了权重系数的设计过程，但额外的在线排序增加了算法的复杂度，不利于算法的工业实际应用。总之，现有这些方法大都比较复杂，实用性不强。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种通用性强、低复杂度的控制方法，能显著提升控制效果，同时解决传统模型预测控制中需要对权重系数进行反复调试的问题的异步电机广义级联模型预测磁链控制方法和装置。
基于上述目的，本发明提供的异步电机广义级联模型预测磁链控制方法，包括：
根据外环转速PI调节器，得到转矩指令，设定磁链幅值指令；
根据计算得到的定子磁链和定子电流，预测k+1时刻的定子磁链和转矩；
根据得到的所述转矩指令和磁链幅值指令，得到的所述预测k+1时刻的定子磁链和转矩，构造磁链目标函数和转矩目标函数；
根据得到的所述磁链目标函数或转矩目标函数，生成最优候选电压矢量。
进一步的，所述根据外环转速PI调节器，得到转矩指令的步骤包括：
设转矩指令表示为
通过公式
计算得出所述转矩指令，其中kp和ki分别为PI调节器中的比例增益和积分增益，s表示微分，
表示速度指令，ωr表示电机实际转速；
直接设定磁链幅值指令
进一步的，所述根据计算得到的定子磁链和定子电流，预测k+1时刻的定子磁链和转矩的步骤包括：
(1)通过电流采样得到当前k时刻的定子电流
以及重构电压
由全阶观测器计算得到定子磁链
(2)根据得到的定子磁链
和定子电流
预测k+1时刻的定子磁链
和转矩
预测表达式为：
其中
p为异步电机极对数，j为虚数单位，Rs为异步电机定子电阻，Rr为异步电机转子电阻，Ls为异步电机定子电感，Lr为异步电机转子电感，Lm为异步电机互感，Tsc为采样周期，Im为取复数虚部，
为电机转速，
为候选电压矢量，Udc为直流母线电压，k＝1...7，当k＝7时，Udc＝0。
进一步的，所述根据得到的所述转矩指令和磁链幅值指令，得到的所述预测k+1时刻的定子磁链和转矩，构造磁链目标函数和转矩目标函数步骤包括：
设磁链目标函数表示为J1，转矩目标函数表示为J2；
构造函数表示为
进一步的，所述根据得到的所述磁链目标函数或转矩目标函数，计算得出三个候选电压矢量的步骤包括：
根据得到的所述磁链目标函数J1和转矩目标函数J2，计算第一个目标函数：磁链目标函数J1(或者转矩目标函数J2)；
根据得到的目标函数，计算目标函数误差值三个最小的解所对应的定子电压矢量作为三个候选电压矢量。
进一步的，所述根据得到的所述三个候选电压矢量，得出最优候选电压矢量的步骤包括：
根据得到的所述三个候选电压矢量，代入并计算第二个目标函数：转矩目标函数J2(若先计算转矩目标函数J2，此步骤为代入并计算磁链目标函数J1)；
通过计算第二个目标函数得到最优解对应的最优候选电压矢量，得到逆变器每个开关管的驱动信号。
另一方面，本发明还提供一种异步电机广义级联模型预测磁链控制装置，包括：
三相电压源、异步电机、三相二极管整流桥、直流侧电容、异步电机、电压电流采样电路、DSP控制器和驱动电路；
其中，电压电流采样电路利用电压霍尔传感器和电流霍尔传感器分别采集直流侧电压以及异步电机两相电流，采样信号经过信号调理电路后进入DSP控制器转换为数字信号；
DSP控制器完成所述的异步电机广义级联模型预测磁链控制方法的运算，输出六路开关脉冲，然后经过驱动电路后得到逆变器的六个开关管的最终驱动信号。
从上面所述可以看出，本发明提供的异步电机广义级联模型预测磁链控制方法和装置，采用级联控制结构消除权重系数调试和设计问题，显著提升了电机控制效果；计算中无需规定目标函数的计算顺序，增加了方法的通用性；目标函数的设计易于理解，消除了额外的复杂计算，提高了数据处理的执行效率；本发明提供的控制方法易于和其他控制方法统一，易于在统一的控制程序框架下实现不同的控制模式。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的异步电机广义级联模型预测磁链控制方法实施流程图；
图2为本发明提供的异步电机广义级联模型预测磁链控制方法的原理图；
采用异步电机广义级联模型预测磁链控制方法1如图Part1所示；
采用异步电机广义级联模型预测磁链控制方法2如图Part2所示；
图3为本发明提供的异步电机广义级联模型预测磁链控制装置硬件结构图；
图4为采用异步电机广义级联模型预测磁链控制方法1在15kHz采样率下，电机运行在150r/min时带额定负载的实验结果；
图5为采用异步电机广义级联模型预测磁链控制方法2在15kHz采样率下，电机运行在150r/min时带额定负载的实验结果；
图6为采用异步电机广义级联模型预测磁链控制方法1在15kHz采样率下，电机运行在1500r/min时带额定负载的实验结果；
图7为采用异步电机广义级联模型预测磁链控制方法2在15kHz采样率下，电机运行在1500r/min时带额定负载的实验结果；
图8为采用异步电机广义级联模型预测磁链控制方法1在15kHz采样率下进行1500r/min正反转的实验结果；
图9为采用异步电机广义级联模型预测磁链控制方法2在15kHz采样率下进行1500r/min正反转的实验结果。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
以下结合附图对发明进行进一步说明，如图1所示，为本发明提供的异步电机广义级联模型预测磁链控制方法实施法流程图，包括：
步骤101，根据外环转速PI调节器，得到转矩指令，设定磁链幅值指令，步骤包括：
根据外环转速PI调节器得到的转矩指令Te *，具体表示为
(kp和ki分别为PI调节器中的比例增益和积分增益，s表示微分)，直接设定磁链幅值指令
步骤102，根据计算得到的定子磁链和定子电流，预测k+1时刻的定子磁链和转矩，步骤包括：
通过电流采样得到当前k时刻的定子电流
以及重构电压
由全阶观测器计算得到定子磁链
根据得到的定子磁链
和定子电流
预测k+1时刻的定子磁链
和转矩
预测表达式如下：
其中
p为异步电机极对数，j为虚数单位，Rs为异步电机定子电阻，Rr为异步电机转子电阻，Ls为异步电机定子电感，Lr为异步电机转子电感，Lm为异步电机互感，Tsc为采样周期，Im为取复数虚部，
为电机转速，
为候选电压矢量，Udc为直流母线电压，k＝1...7，当k＝7时，Udc＝0；
步骤103，根据得到的所述转矩指令和磁链幅值指令，得到的所述预测k+1时刻的定子磁链和转矩，构造磁链目标函数和转矩目标函数，步骤包括：
根据得到的转矩指令
和磁链幅值指令
分别构造磁链目标函数J1和转矩目标函数J2，构造函数表示为
步骤104，根据得到的所述磁链目标函数或转矩目标函数，生成最优候选电压矢量，构建逆变器每个开关管的驱动信号，步骤包括：
根据得到的磁链目标函数J1和转矩目标函数J2，计算第一个目标函数：磁链目标函数J1(或者转矩目标函数J2)，根据计算目标函数得到三个最小的解所对应的逆变器产生的三个候选电压矢量；
根据得到的三个候选电压矢量，代入并计算第二个目标函数：转矩目标函数J2(若先计算转矩目标函数J2时，此步骤为代入并计算磁链目标函数J1)；
根据计算第二个目标函数得到的最优解对应的候选电压矢量，构建逆变器每个开关管的驱动信号。
本发明提供的异步电机广义级联模型预测磁链控制方法和装置，采用级联控制结构消除权重系数调试和设计问题，显著提升了电机控制效果；计算中无需规定目标函数的计算顺序，增加了方法的通用性；目标函数的设计易于理解，消除了额外的复杂计算，提高了数据处理的执行效率；本发明提供的控制方法易于和其他控制方法统一，易于在统一的控制程序框架下实现不同的控制模式。
如图2所示，为本发明提供的异步电机广义级联模型预测磁链控制方法的原理图，包括PI调节器201，全阶观测器202，转矩/磁链预测模块203，目标函数构建模块204，脉冲发生模块205，异步电机206。
其中全阶观测器计算得到定子磁链，通过转矩/磁链预测模块预测k+1时刻的定子磁链和转矩。
本发明提供的异步电机广义级联模型预测磁链控制方法按照图所示的过程依次实现。
另一方面，本发明还提供一种异步电机广义级联模型预测磁链控制装置，如图3所示，包括：
三相电压源301、异步电机206、三相二极管整流桥303、直流侧电容304、电压电流采样电路305、DSP控制器306和驱动电路307。
其中，电压电流采样电路利用电压霍尔传感器和电流霍尔传感器分别采集直流侧电压以及异步电机两相电流，采样信号经过信号调理电路后进入DSP控制器转换为数字信号。
DSP控制器用于完成上述步骤101-104所提出方法的运算，输出六路开关脉冲，然后经过驱动电路后得到逆变器的六个开关管的最终驱动信号。
本发明所提出异步电机广义级联模型预测磁链控制方法的有效性可以通过分析图4和图5、图6和图7、图8和图9所示的实验结果得出。
如图4和图5所示，表示为异步电机广义级联模型预测控制在15kHz采样率下，电机运行在150r/min时带额定负载的实验结果，其中波形图从上至下依次为转速，电磁转矩，定子磁链幅值以及电机定子端a相电流。从图4和图5中可以发现，在电机低速运行情况下，本发明所述的两种控制方法都具有较小的磁链脉动和转矩脉动，定子电流都有很好的正弦度。
如图6和图7所示，表示为异步电机广义级联模型预测控制在15kHz采样率下，电机运行在1500r/min带额定负载的实验结果。从图6和图7中可以发现，采用本发明的两种控制方法在高速运行的情况下，同样具很小的磁链脉动和转矩脉动并且定子电流成正弦，本发明所述的两种控制方法具有相同控制效果。
如图8和图9所示，表示为异步电机广义级联模型预测控制在15kHz采样率下，电机在1500r/min进行正反转运行的实验结果。从图8和图9中可以看出在电机整个正反转过程中，本发明所述的方法能够实现磁链幅值和电磁转矩的解耦控制，而且本发明所述的两种方法具有类似快速动态性能，同时具有平滑的转矩、较小的磁链脉动以及高正弦度的定子电流。
由此可见本发明提供的异步电机广义级联模型预测磁链控制方法和装置，采用级联控制结构消除权重系数调试和设计问题，显著提升了电机控制效果；计算中无需规定目标函数的计算顺序，增加了方法的通用性；目标函数的设计易于理解，消除了额外的复杂计算，提高了数据处理的执行效率；本发明提供的控制方法易于和其他控制方法统一，易于在统一的控制程序框架下实现不同的控制模式。
上述实施例的装置用于实现前述实施例中相应的方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本发明难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本发明的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。
尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。
本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种异步电机广义级联模型预测磁链控制方法，其特征在于包括：
根据外环转速PI调节器，得到转矩指令，设定磁链幅值指令；
根据计算得到的定子磁链和定子电流，预测k+1时刻的定子磁链和转矩；
根据得到的所述转矩指令和磁链幅值指令，得到的所述预测k+1时刻的定子磁链和转矩，构造磁链目标函数和转矩目标函数；
根据得到的所述磁链目标函数和转矩目标函数，计算第一个目标函数：磁链目标函数或者转矩目标函数，根据计算目标函数得到三个最小的解所对应的逆变器产生的三个候选电压矢量；
根据得到的三个候选电压矢量，代入并计算第二个目标函数；若第一个目标函数计算的是磁链目标函数，则第二个目标函数计算转矩目标函数；若第一个目标函数计算的是转矩目标函数，则第二个目标函数计算磁链目标函数；
根据计算第二个目标函数得到最优解对应的最优候选电压矢量，构建逆变器每个开关管的驱动信号；
其中，所述根据计算得到的定子磁链和定子电流，预测k+1时刻的定子磁链和转矩的步骤包括：
(1)通过电流采样得到当前k时刻的定子电流
以及重构电压
由全阶观测器计算得到定子磁链
(2)根据得到的定子磁链
和定子电流
预测k+1时刻的定子磁链
和转矩
预测表达式为：
其中
p为异步电机极对数，j为虚数单位，Rs为异步电机定子电阻，Rr为异步电机转子电阻，Ls为异步电机定子电感，Lr为异步电机转子电感，Lm为异步电机互感，Tsc为采样周期，Im为取复数虚部，
为电机转速，
为候选电压矢量，Udc为直流母线电压，k＝1...7，当k＝7时，Udc＝0。
2.根据权利要求1所述的一种异步电机广义级联模型预测磁链控制方法，其特征在于，所述根据外环转速PI调节器，得到转矩指令的步骤包括：
设转矩指令表示为
通过公式
计算得出所述转矩指令，其中kp和ki分别为PI调节器中的比例增益和积分增益，s表示微分，
表示速度指令，ωr表示电机实际转速；
直接设定磁链幅值指令
3.根据权利要求2所述的一种异步电机广义级联模型预测磁链控制方法，其特征在于，所述根据得到的所述转矩指令和磁链幅值指令，得到的所述预测k+1时刻的定子磁链和转矩，构造磁链目标函数和转矩目标函数步骤包括：
设磁链目标函数表示为J1，转矩目标函数表示为J2；
构造函数表示为
4.一种异步电机广义级联模型预测磁链控制装置，其特征在于，包括：
三相电压源、异步电机、三相二极管整流桥、直流侧电容、异步电机、电压电流采样电路、DSP控制器和驱动电路；
其中，电压电流采样电路利用电压霍尔传感器和电流霍尔传感器分别采集直流侧电压以及异步电机两相电流，采样信号经过信号调理电路后进入DSP控制器转换为数字信号；
DSP控制器完成如权利要求1～3任意一项所述的异步电机广义级联模型预测磁链控制方法的运算，输出六路开关脉冲，然后经过驱动电路后得到逆变器的六个开关管的最终驱动信号。
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