CN109347389B - 一种基于模型预测磁链控制的开关磁阻电机直接转矩控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供基于模型预测磁链控制的开关磁阻电机直接转矩控制方法，至少包括以下步骤：通过传感器测量定子的电流、转子的转速、转子的位置以及直流链路的电压；计算K时刻的定子的磁链和电机的转矩；通过转矩控制的滞环，比较当前时刻K的转矩值与PI环设定的转矩值，选出待选的三个电压矢量；将待选的电压矢量带入二阶龙格‑库塔法公式来预测K+1时刻的定子电流；通过K+1时刻的定子电流预测K+1时刻的定子的磁链值；将预测K+1时刻的定子的磁链值ψ_k+1与给定磁链值ψ_ref进行比较；通过评价函数选择使评价函数最小的U_k+1电压向量；将选定的最优电压的矢量对应的开关信号发送到三相不对称桥式变换器中；对开关磁阻电机进行控制。

Description

一种基于模型预测磁链控制的开关磁阻电机直接转矩控制 方法

技术领域

本发明涉及开关磁阻电机转矩控制技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于模型预测磁链控制的开关磁阻电机直接转矩控制方法。

背景技术

开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor，SRM或SR电机)最早于19世纪40年代提出。由于当时技术的条件，没有得到很好的发展。但是在20世纪60年代以后，随着电力电子器件的发展，SRM电机也开始被学术界重视起来。SRM以其结构简单、成本低、效率高、调速性能好等优点受到学术界和工业界的广泛关注，与之相关的论文与专利数量快速增长。我国大约从1985年开始展开对SRM的研究。产品覆盖纺织、电动汽车、家电、矿山机械、石油石化等领域，展现出SRM广阔的应用前景。但是开关磁阻电机的严重非线性电磁特性及其本体的定转子双凸极结构，使得转矩脉动在SRM中不可避免，相比其它调速系统，SRM的转矩脉动尤为明显。此问题严重制约了SRM在传动领域的应用范围，在一些要求低脉动的场合，很难有用武之地。直接转矩控制技术(Direct torque control)作为一种驱动算法具有转矩响应快、思想简单、避免多坐标变换等优点逐渐成为SRM的一种主流驱动算法。在DTC中，转矩滞环与磁链滞环同时获取当前时刻的转矩值与磁链值，将其与给定的转矩磁链值比较选择电压矢量来实现直接控制电磁转矩，尽管转矩被用作直接控制变量，但由于SRM中转矩与磁链角度之间的非线性变化，导致转矩的变化滞后于磁链的变化，将实时的转矩与磁链同时进行比较选择电压矢量不可避免的会造成误差。这种误差在换向区时尤为明显，这也是造成传统DTC在SRM控制中转矩脉动大的原因。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种基于模型预测磁链控制的开关磁阻电机直接转矩控制方法。本发明基于模型预测磁链控制的开关磁阻电机直接转矩控制方法，其特征在于，至少包括以下步骤：

S1：通过传感器测量定子的电流、转子的转速、转子的位置以及直流链路的电压；

S2：计算K时刻的定子的磁链和电机的转矩；

S3：通过转矩控制的滞环，比较当前时刻K的转矩值与PI环设定的转矩值，选出待选的三个电压矢量；

S4：将待选的电压矢量带入二阶龙格-库塔法公式来预测K+1时刻的定子电流；

S5：通过K+1时刻的定子电流预测K+1时刻的磁链值；

S6：将预测K+1时刻的磁链值ψ_k+1与给定磁链值ψ_ref进行比较；通过评价函数选择使评价函数最小的U_k+1电压向量；

S7：将选定的最优电压的矢量对应的开关信号发送到三相不对称桥式变换器中；

S8：对开关磁阻电机进行控制。

进一步的，在第K相上的电压方程为：

引入磁共能的概念：

开关磁阻电机的电磁转矩特性可以表示为：

则开关磁阻电机转矩与磁链的关系为：

更进一步的，对齐位置d轴和未对齐位置q轴处的磁链曲线表示为：

ψ_q＝L_qI；

ψ_d＝L_dsatI+A(1-e^-BI)；

其中，L_dsat表示d轴上的饱和电感，系数A和B分别表示I＝0与I＝I_m时的常数，I_m表示定子绕组的最大电流，则A、B分别表示为：

A＝ψ_m-L_dsatI_m；

B＝(L_d-L_dsat)/(ψ_m-L_dsatI_m)；

其中，L_d表示d轴上的不饱和电感，ψ_m表示在I＝I_m时的磁链值，则开关磁阻电机的磁链为：

ψ(I,θ)＝L_qI+[L_dsatI+A(1-e^-BI)-L_qI]f(θ)；

其中，L_q表示未对齐电感，θ表示定子与转子的相对位置角。进一步的，二阶龙格-库塔法的离散方法，表达为：

其中，T_s表示控制周期，I'_k+1表示电流的预测校正值，I_k+1表示K+1时刻的电流值，I_k表示K时刻的电流，ψ_k表示K时刻的磁链，θ_k表示K时刻的转子位置角，U_k+1表示K+1时刻候选的电压矢量，则K+1时刻的磁链值为：

其中，I_k+1表示待选的电压矢量经过二阶龙格库塔法预测出来的相应的电流值；L_dsat表示d轴上的饱和电感，A和B分别表示当I＝0与I＝I_m时的常数，I_m表示定子绕组的最大电流，L_q表示未对齐电感，θ_k+1＝θ_k+T_sω_k，ω_k表示当前时刻的角速度；

则评价函数为：

g＝||ψ_ref|-|ψ_k+1||；

其中，ψ_ref表示给定磁链值；ψ_k+1表示K+1时刻的磁链值。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明能够减小开关磁阻电机中传统直接转矩控制的转矩脉动。与传统的直接转矩控制方法相比，该方法能够在全转速范围内得到较好的表现，消除了传统模型预测控制中的权重因子，只考虑三个候选电压向量，避免计算同一控制层的所有27个电压向量从而大大降低计算量，同时通过引入模型预测磁链控制，消除了传统直接转矩控制中转矩与磁链之间的一阶延迟对系统带来的影响。

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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明模拟磁链曲线，曲线(a)表示分析模型，(b)表示实测曲线；

图2为本发明开关磁阻电机采用的三相不对称半桥；

图3为本发明电压矢量图及相应的开关状态；

图4为本发明整体系统的结构框图；

图5为本发明全过程转矩脉动；

图6(a)、(b)为本发明的实施例模拟加速到450r/min，负载10N·m，(a)为本发明的仿真转矩波形，(b)为传统方式的仿真转矩波形；

图7(a)、(b)为本发明的实施例模拟恒速450r/min，负载10N·m，(a)为本发明的仿真磁链、电流及转矩波形，(b)为传统方式的仿真磁链、电流及转矩波形；

图8(a)、(b)为本发明的实施例模拟加速到1200r/min，负载10N·m，(a)为本发明的仿真转矩波形，(b)为传统方式的仿真转矩波形；

图9(a)、(b)为本发明的实施例模拟恒速1200r/min，负载10N·m，(a)为本发明的仿真磁链、电流及转矩波形，(b)为传统方式的仿真磁链、电流及转矩波形；

图10(a)、(b)为本发明的实施例模拟磁链圆，(a)为本发明的仿真磁链圆，(b)为传统方式的仿真磁链圆；

图11(a)、(b)为本发明的实施例模拟恒速1200r/min，负载跳变15N·m，(a)为本发明的仿真转矩波形，(b)为传统方式的仿真转矩波形；

图12(a)、(b)为本发明的实施例模拟恒速1200r/min，空载，(a)为本发明的仿真转矩波形，(b)为传统方式的仿真转矩波形；

图13(a)、(b)为本发明的实施例模拟恒速1200r/min负载15N·m，(a)为本发明的仿真转矩波形，(b)为传统方式的仿真转矩波形。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

如图1-13所示，本发明提供了基于模型预测磁链控制的开关磁阻电机直接转矩控制方法，其特征在于，至少包括以下步骤：

S1：通过传感器测量定子的电流、转子的转速、转子的位置以及直流链路的电压；

S2：计算K时刻的定子的磁链和电机的转矩；

S3：通过转矩控制的滞环，比较当前时刻K的转矩值与PI环设定的转矩值，选出待选的三个电压矢量；

S4：将待选的电压矢量带入二阶龙格-库塔法公式来预测K+1时刻的定子电流；

S5：通过K+1时刻的定子电流预测K+1时刻的磁链值；

S6：将预测K+1时刻的磁链值ψ_k+1与给定磁链值ψ_ref进行比较；通过评价函数选择使评价函数最小的U_k+1电压向量；

S7：将选定的最优电压的矢量对应的开关信号发送到三相不对称桥式变换器中；

S8：对开关磁阻电机进行控制。

如图1所示，建立精确的SRM非线性模型是高性能转矩控制的重要前提。对于开关磁阻电机来讲获取电磁特性的方法主要有以下三种：

(1)在已知机器几何形状的情况下通过有限元分析法获得

(2)在电机上进行堵转实验测得

(3)通过分析非线性函数拟合

选择建模方法需要在实用性和准确性之间进行权衡。本发明用Le-Huy等人的非线性函数分析模型，忽略了相与相之间的相互耦合。在已知对齐和非对齐位置上的转子位置相对应的磁链曲线的前提下建立起来开关磁阻电机的电磁特性。

在本实施方式中，在第K相上的电压方程为：

引入磁共能的概念：

开关磁阻电机的电磁转矩特性可以表示为：

则开关磁阻电机转矩与磁链的关系为：

更进一步的，对齐位置d轴和未对齐位置q轴处的磁链曲线表示为：

ψ_q＝L_qI；

ψ_d＝L_dsatI+A(1-e^-BI)；

其中，L_dsat表示d轴上的饱和电感，系数A和B分别表示I＝0与I＝I_m时的常数，I_m表示定子绕组的最大电流，则A、B分别表示为：

A＝ψ_m-L_dsatI_m；

B＝(L_d-L_dsat)/(ψ_m-L_dsatI_m)；

其中，L_d表示d轴上的不饱和电感，ψ_m表示在I＝I_m时的磁链值，则开关磁阻电机的磁链为：

ψ(I,θ)＝L_qI+[L_dsatI+A(1-e^-BI)-L_qI]f(θ)；

其中，L_q表示未对齐电感，θ表示定子与转子的相对位置角。

不同于感应电机与永磁同步电机，开关磁阻电机使用的变换器为三相不对称半桥，其结构与相应的电压矢量如图2所示

转矩参考值T_e ^ref是通过速度PI外环得到的，转矩滞环通过T_e ^ref与当前时刻的转矩值T_e ^k作比较，依据当前所在的扇区位置来选出候选的电压矢量。如图3所示，如果当前在1扇区，而当前时刻的转矩值小于给定值，则候选的电压矢量为U₂、U₃、U₄来增加转矩。相反，当前时刻的转矩值大于给定的转矩值时，候选的电压矢量为U₁、U₅、U₆来减小转矩。

作为优选的实施方式，二阶龙格-库塔法的离散方法，表达为：

其中，T_s表示控制周期，I'_k+1表示电流的预测校正值，I_k+1表示K+1时刻的电流值，I_k表示K时刻的电流，ψ_k表示K时刻的磁链，θ_k表示K时刻的转子位置角，U_k+1表示K+1时刻候选的电压矢量，则K+1时刻的磁链值为：

其中，I_k+1表示待选的电压矢量经过二阶龙格库塔法预测出来的相应的电流值；L_dsat表示d轴上的饱和电感，A和B分别表示当I＝0与I＝I_m时的常数，I_m表示定子绕组的最大电流，L_q表示未对齐电感，θ_k+1＝θ_k+T_sω_k，ω_k表示当前时刻的角速度其中，T_s表示控制周期，I'_k+1表示电流的预测校正值，I_k+1表示K+1时刻的电流值，I_k表示K时刻的电流，ψ_k表示K时刻的磁链，θ_k表示K时刻的转子位置角，U_k+1表示K+1时刻候选的电压矢量，则K+1时刻的磁链值为：

其中，I_k+1表示待选的电压矢量经过二阶龙格库塔法预测出来的相应的电流值；L_dsat表示d轴上的饱和电感，A和B分别表示当I＝0与I＝I_m时的常数，I_m表示定子绕组的最大电流，L_q表示未对齐电感，θ_k+1＝θ_k+T_sω_k，ω_k表示当前时刻的角速度

则评价函数为：

g＝||ψ_ref|-|ψ_k+1||；

其中，ψ_ref表示给定磁链值；ψ_k+1表示K+1时刻的磁链值。

作为本申请的实施例，如图5所示，本发明方法与传统DTC在10N·m负载条件下的低速和高速性能进行了比较。电机初始转速为450r/min，负载为10N·m，在0.15s时加速至1200r/min。两种方法的转矩滞环宽度均为0.1，DTC的磁链滞环宽度为0.01。参考磁链为0.33Wb。给定转矩：T_e＝50N·m，惯性：J＝0.05Kg·m2，摩擦力:F＝0.02N·m·s。

如图6(a)、(b)-图9(a)、(b)所示各个过程转矩脉动及电流磁链波形(横纵坐标均一致，左侧为新算法右侧为直接转矩控制)。如图10(a)、(b)所示，电机在无负载的情况下保持恒定转速为1200r/min，突然在0.3s时对电机施加15N·m的负载。

引入转矩脉动系数T_RC，其定义如下：

T_max、T_min、T_av分别代表转矩的最大值、最小值和平均值。由此，基于两次仿真的实验结果我们可以得到如下表1表2：

表1第一次仿真转矩脉动系数

表2第二次仿真转矩脉动系数

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的实施例仅仅是示意性的，本专利所使用的方法及思想不局限于本专利已使用的磁链数学模型，换言之如仅使用其它数学模型，均与本专利方法及思路相同。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.基于模型预测磁链控制的开关磁阻电机直接转矩控制方法，其特征在于，至少包括以下步骤：

S1：通过传感器测量定子的电流、转子的转速、转子的位置以及直流链路的电压；

S2：计算K时刻的定子的磁链和电机的转矩；

S3：通过转矩控制的滞环，比较当前时刻K的转矩值与PI环设定的转矩值，选出待选的三个电压矢量；

S4：将待选的电压矢量带入二阶龙格-库塔法公式来预测K+1时刻的定子电流；

二阶龙格-库塔法的离散方法，表达为：

其中，T_s表示控制周期，I'_k+1表示电流的预测校正值，I_k+1表示K+1时刻的电流值，I_k表示K时刻的电流，ψ_k表示K时刻的磁链，θ_k表示K时刻的转子位置角，U_k+1表示K+1时刻候选的电压矢量，则K+1时刻的磁链值为：

其中，I_k+1表示待选的电压矢量经过二阶龙格库塔法预测出来的相应的电流值；L_dsat表示d轴上的饱和电感，A和B分别表示当I＝0与I＝I_m时的常数，I_m表示定子绕组的最大电流，L_q表示未对齐电感，θ_k+1＝θ_k+T_sω_k，ω_k表示当前时刻的角速度；

则评价函数为：

g＝||ψ_ref|-|ψ_k+1||；

其中，ψ_ref表示给定磁链值；ψ_k+1表示K+1时刻的磁链值；

S5：通过K+1时刻的定子电流预测K+1时刻的磁链值；

S6：将预测K+1时刻的磁链值ψ_k+1与给定磁链值ψ_ref进行比较；通过评价函数选择使评价函数最小的U_k+1电压向量；

S7：将选定的最优电压的矢量对应的开关信号发送到三相不对称桥式变换器中；

S8：对开关磁阻电机进行控制。

2.根据权利要求1的基于模型预测磁链控制的开关磁阻电机直接转矩控制方法，其特征还在于：

在第K相上的电压方程为：

引入磁共能的概念：

开关磁阻电机的电磁转矩特性可以表示为：

则开关磁阻电机转矩与磁链的关系为：

3.根据权利要求1的基于模型预测磁链控制的开关磁阻电机直接转矩控制方法，其特征还在于：

对齐位置d轴和未对齐位置q轴处的磁链曲线表示为：

ψ_q＝L_qI；

ψ_d＝L_dsatI+A(1-e^-BI)；

其中，L_dsat表示d轴上的饱和电感，系数A和B分别表示I＝0与I＝I_m时的常数，I_m表示定子绕组的最大电流，则A、B分别表示为：

A＝ψ_m-L_dsatI_m；

B＝(L_d-L_dsat)/(ψ_m-L_dsatI_m)；

其中，L_d表示d轴上的不饱和电感，ψ_m表示在I＝I_m时的磁链值，则开关磁阻电机的磁链为：

ψ(I,θ)＝L_qI+[L_dsatI+A(1-e^-BI)-L_qI]f(θ)；

其中，L_q表示未对齐电感，θ表示定子与转子的相对位置角。

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