CN109995287A - 一种双逆变器开绕组感应电机的优化模型预测控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属双逆变器开绕组感应电机技术领域，具体涉及一种双逆变器开绕组感应电机的优化模型预测控制方法，包括以下步骤：(1)构造无权重因子价值函数；(2)研究并建立一种虚拟理想矢量FCS‑MPC；(3)引入损耗因子，构建低开关频率控制策略；分析和解决了OEWIM在大功率应用场合开关损耗较高的问题。

Description

一种双逆变器开绕组感应电机的优化模型预测控制方法

技术领域

本发明属于双逆变器开绕组感应电机技术领域，具体涉及一种双逆变器开绕组感应电机的优化模型预测控制方法。

背景技术

双逆变器馈电开绕组异步电机(OpenEndWindingInductionMotor，OEWIM)凭借其容错性高，能提供更多的电平数近年来在大功率应用场合得到了迅速的推广和应用。高性能交流调速控制方式有磁场定向控制(FieldOrientedControl，FOC)和直接转矩控制(DirectTorqueControl，DTC)，在FOC中能够实现电机良好的转矩和磁链控制，但是内部电流环需要复杂的整定，DTC中控制结构简单能够实现快速动态响应，但是输出转矩脉动大。

模型预测控制(ModelPredictiveControl,MPC)作为近年来兴起的控制策略，具有结构简单、动态响应快、控制效果好等优点；目前将MPC应用于异步电机高性能闭环控制，得到了较好的控制效果，然而，价值函数中的权因子整定困难，不利于实际应用；为了解决这一问题，提出一种预测电流控制，虽然省去了权重因子整定过程，但电机输出转矩纹波较大；还有提出一种应用于永磁同步发电机的无权重因子MPC，该方法能够解决权重因子整定问题，但计算过程较复杂且对于OEWIM并不适用；也有提出一种基于多目标排序分析方法以达到消除权重因子的目的，然而该方法由于涉及到复杂的数学推导，使得预测过程变得更加复杂。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明的目的在于提供一种双逆变器开绕组感应电机的优化模型预测控制方法，将定子磁链幅值和电磁转矩的同步控制转换为对一个等效的定子磁链复矢量的控制，从而摒弃了FCS-MPC中繁琐的权重因子整定过程，进一步提高了FCS-MPC在电机控制中的实用性；在此基础上提出一种优化的预测策略，以实现最佳电压的简化选择，显著减小了电压矢量选择过程的计算量和复杂度；最后，引入开关状态分配策略以降低逆变器的开关频率。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种双逆变器开绕组感应电机的优化模型预测控制方法，包括以下步骤：

(1)构造无权重因子价值函数；

(2)研究并建立一种虚拟理想矢量FCS-MPC；

(3)引入损耗因子，构建低开关频率控制策略。

优选的，所述无权重因子价值函数的构造方法，包括以下步骤；

(1)对OEWIM数学模型进行离散化处理，得到磁链和电流的预测值；

(2)根据磁链和电流的预测值，得到预测的电磁转矩；

(3)构造价值函数去同时控制定子磁链幅值和电磁转矩，所述价值函数由两部分组成，第一部分是用来评估转矩误差，第二部分是用来评估磁链误差；

(4)在OEWIM模型中构造一个无权重因子定子磁链价值函数，消除权重因子。

优选的，所述虚拟理想矢量FCS-MPC的建立方法，包括以下步骤：

(1)将双两电平电压矢量图等分为六个扇区；双两电平电压矢量图是怎么来的。

(2)根据理想电压矢量所在扇区，将扇区内的电压矢量代入价值函数进行运算，而扇区外的电压矢量因远离理想电压矢量直接被淘汰。

优选的，所述开关函数为：

其中，S_{x1(x＝a,b,c)}＝0,1表示的是逆变器1的开关状态；

S_{x2(x＝a,b,c)}＝0,1表示的是逆变器2的开关状态；

*表示前一个采样周期的开关状态。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

1)通过将磁链幅值和转矩的同时控制转换为对一个等效定子磁链矢量的控制，可消除繁杂的权重因子整定问题，具有算法简单、通用性好、易于实现等优点。

2)采用虚拟理想矢量有效降低了矢量选择计算过程复杂的问题，加快寻优过程，减轻了系统的计算负担。

3)分析和解决了OEWIM在大功率应用场合开关损耗较高的问题。

附图说明

图1为本发明提供的扇区划分示意图；

图2为本发明提供的仿真结果中转速波形图；

图3为本发明提供的仿真结果中电磁转矩波形图；

图4为本发明提供的仿真结果中磁链波形图；

图5为本发明提供的仿真结果中电流波形图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体附图，进一步阐明本发明。

需要说明的是，在本发明中，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文中所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1

一种双逆变器开绕组感应电机的优化模型预测控制方法，包括以下步骤：

对OEWIM数学模型进行离散化处理，可得到磁链和电流的预测值如下：

ψ_s(k+1)＝ψ_s(k)+T_s[V_s(k)|R_si_s(k)] (1)

根据磁链和电流的预测值，得到预测的电磁转矩，具体为：

其中

为同时控制定子磁链幅值和电磁转矩，可构造价值函数如下，其中λ为磁链幅值的权重因子：

价值函数由两部分组成，第一部分是用来评估转矩误差，第二部分是用来评估磁链误差，其中λ分别代表的是定子磁链的权重因子。

式中T_nom代表电机额定转矩，ψ_nom代表电机额定磁通。

选取合适的权重因子对于控制系统的动态响应十分重要，但是根据式(5)选取的权重因子只是一个参考值，并不是一个准确值。要获取良好的控制性能，需要大量的仿真和实验对权重因子进行整定，因此权重因子的调节是一个复杂繁琐的过程。

由上述所讨论的模型预测控制原理中可以看出，在价值函数中需要调节的有权重因子，其不正确的选择会导致电机转矩和磁链的异常。因此，权重因子的调节成为模型预测控制中的主要问题之一。由前文所述在模型预测控制原理中，通常利用转矩T_e、定子磁链幅值|ψ_s|分别追踪它们的参考值和在本节中基于OEWIM模型构造一个无权重因子定子磁链价值函数，以消除权重因子。

转矩能够表示为转子磁链和定子磁链的交叉乘积：

其中，设定参考定子磁链值为

根据式(6)，转子磁链ψ_r已知，参考转矩和定子磁链将满足如表达式：

根据式(7)和(8)，定子磁链参考值能够由参考转矩和给定磁链得出：

最终根据式(9)、(10)建立一个利用定子磁链ψ_s追踪其参考值的价值函数：

从式(11)可以看出，价值函数消除了权重因子λ，不再需要权重因子的整定。同时，减少了预测转矩的计算工作，因为在价值函数中转矩T_e已经不再是控制约束。

对于采用FCS-MPC的OEWIM系统，为了得到最佳电压矢量，需要对价值函数进行19次计算，这是相当费时的。本文将提出一种新的预测策略，只需求解5次价值函数就能得到最佳电压矢量，大大降低了计算负担。

根据等式(1)定子电压离散方程能够表示为：

进一步可以表示为：

其中，

ψ_s(k+1)＝ψ_sα(k+1)+jψ_sβ(k+1) (15)

将等式(13)、(14)代入(11)中，价值函数将被表示为：

由价值函数(16)可知，使得价值函数为零的电压矢量为理想电压矢量表示为：

为了使价值函数最小，下一采样周期所选择的电压矢量应当接近甚至等于理想电压矢量因此本文将双两电平电压矢量图等分为六个扇区，根据理想电压矢量所在扇区，只需将扇区内的电压矢量代入价值函数进行运算，而扇区外的电压矢量因远离理想电压矢量直接被淘汰，这样大大减少了选择合适的电压矢量的运算次数。扇区划分如图4所示，理想电压矢量扇区判断如表1所示。

表1扇区判断

Tab.1Sectorjudgment

根据表1所提供的扇区判断方法，若理想电压矢量处于扇区1，则只需将电压矢量U₀、U₁、U₈、U₁₈、U₇这5个电压矢量代入价值函数中进行计算，筛选出使得价值函数最小的最佳电压矢量。若理想电压矢量位于其它扇区，最佳电压矢量的选择方法如前所述。

在双逆变器供电开绕组异步电机系统中，共有64种不同的开关状态和19种不同的电压矢量。这就意味着所选择的最佳电压矢量可能存在几个相应的开关状态，由于不同的开关状态将会导致不同的开关频率，因此应当选择合适的开关状态以降低开关频率减少系统开关损耗。

开关函数为：

其中，S_{x1(x＝a，b，c)}＝0，1表示的是逆变器1的开关状态，S_{x2(x＝a，b，c)}＝0，1表示的是逆变器2的开关状态。*表示前一个采样周期的开关状态。

仿真结果

在MATLAB/Simulink环境中搭建仿真模型，以验证控制算法的有效性。仿真和实验参数如表2所示，系统采样频率为50KHZ。仿真中，先采用预磁措施在电机内部建立起磁通，然后施加转速指令启动电机至1500r/min，并于0.3s突加额定负载10N.m，得到转子机械转速、电磁转矩、定子磁链和定子相电流波形，如图2所示。

表2电机参数

Tab.2Motorparameters

从图2可以看出，系统启动平稳，突加额定负载转矩后，转速略有下降，但很快恢复至稳态。转矩和电流的纹波较小，另外，从图2所示的磁链和转矩的波形可以看出，定子磁链以及电磁转矩在电机启动后能够快速无偏差的跟踪其指令值，具有良好的动静态性能。

结论

双逆变器开绕组感应电机FCS-MPC需要繁琐的权重因子整定过程，矢量选择过程计算量大，开关损耗大，极大地限制了该方法的通用性和实用性。针对这些问题，本文提出一种将定子磁链矢量作为控制目标的FCS-MPC，并对其进行了深入的分析、仿真和实验研究，得到以下结论：

1)通过将磁链幅值和转矩的同时控制转换为对一个等效定子磁链矢量的控制，可消除繁杂的权重因子整定问题，具有算法简单、通用性好、易于实现等优点。

2)采用虚拟理想矢量有效降低了矢量选择计算过程复杂的问题，加快寻优过程，减轻了系统的计算负担。

3)分析和解决了OEWIM在大功率应用场合开关损耗较高的问题。

仿真和实验结果表明文中所提的方法具有良好的控制性能，验证了方法的有效性和实用性。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的特点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种双逆变器开绕组感应电机的优化模型预测控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)构造无权重因子价值函数；

(2)研究并建立一种虚拟理想矢量FCS-MPC；

(3)引入损耗因子，构建低开关频率控制策略。

2.根据权利要求1所述的双逆变器开绕组感应电机的优化模型预测控制方法，其特征在于：所述无权重因子价值函数的构造方法，包括以下步骤；

(1)对OEWIM数学模型进行离散化处理，得到磁链和电流的预测值；

(2)根据磁链和电流的预测值，得到预测的电磁转矩；

(3)构造价值函数去同时控制定子磁链幅值和电磁转矩，所述价值函数由两部分组成，第一部分是用来评估转矩误差，第二部分是用来评估磁链误差；

(4)在OEWIM(双逆变器开绕组感应电机)模型中构造一个无权重因子定子磁链价值函数，消除权重因子。

3.根据权利要求1所述的双逆变器开绕组感应电机的优化模型预测控制方法，其特征在于：所述虚拟理想矢量FCS-MPC的建立方法，包括以下步骤：

(1)将双两电平电压矢量图等分为六个扇区；

(2)根据理想电压矢量所在扇区，将扇区内的电压矢量代入价值函数进行运算，而扇区外的电压矢量因远离理想电压矢量直接被淘汰。

4.根据权利要求1所述的双逆变器开绕组感应电机的优化模型预测控制方法，其特征在于：所述开关函数为：

其中，Sx1(x＝a,b,c)＝0,1表示的是逆变器1的开关状态；

Sx2(x＝a,b,c)＝0,1表示的是逆变器2的开关状态；

*表示前一个采样周期的开关状态。