CN111277196A - 基于电流预测的开关磁阻电机再生制动控制方法 - Google Patents

基于电流预测的开关磁阻电机再生制动控制方法 Download PDF

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CN111277196A CN202010154425.3A CN202010154425A CN111277196A CN 111277196 A CN111277196 A CN 111277196A CN 202010154425 A CN202010154425 A CN 202010154425A CN 111277196 A CN111277196 A CN 111277196A
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Abstract

本发明公开了一种基于电流预测的开关磁阻电机再生制动控制方法，步骤为：建立电压平衡方程；对电压平衡方程中电流微分项进行离散化，得到各相绕组预测制动电流的函数关系式；计算得到各相绕组当前采样时刻的预测制动电流误差；计算得到各相绕组下一采样时刻修正后的预测制动电流；计算得到电机下一采样时刻的期望参考电流；构建目标函数，对电机调速系统中功率变换电路对应功率开关的状态向量进行遍历寻优，得到状态向量的最优取值；根据最优取值对调速系统中对应功率开关实施控制。本发明有效克服了传统控制方法存在的制动电流波动大的问题，实现了对其制动电流的精确控制，从而使制动过程中制动电流和制动转矩基本保持稳定。

Description

基于电流预测的开关磁阻电机再生制动控制方法
技术领域
本发明涉及开关磁阻电机领域，特别涉及一种基于电流预测的开关磁阻电机再生制动控制方法。
背景技术
开关磁阻电机具有起动电流小、起动转矩大、调速范围宽、效率高、可控参数多等系列优点，现已在电动汽车、风力发电、机车牵引等众多领域得到了广泛应用。然而在一些要求频繁起制动、加减速的运行工况下，开关磁阻电机因频繁制动运行而产生大量的能量损耗，不仅造成了大量能量损失，而且严重影响了设备的正常运行，因此开展开关磁阻电机再生制动控制研究具有重要意义。
目前，在开关磁阻电机再生制动控制方面已开展了大量研究，提出了诸如角度位置控制、零电压保持开通控制、电压斩波与角度位置结合控制等多种控制方法。其中，角度位置控制实现简单，解决了再生制动中母线电压泵生等问题；零电压保持开通控制则解决了制动过程中制动电流峰值过大的问题；而电压斩波与角度位置结合控制方法则解决了低速制动过程中回收功率不足的问题等。然而上述制动控制方法均存在制动过程中制动电流波动大的问题，因而影响了电机制动运行的平稳性。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种算法简单、稳定可靠的基于电流预测的开关磁阻电机再生制动控制方法。
本发明解决上述问题的技术方案是：一种基于电流预测的开关磁阻电机再生制动控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：建立开关磁阻电机各相绕组制动过程的电压平衡方程；
步骤S2：根据前向欧拉法对电压平衡方程中电流微分项进行离散化，得到各相绕组预测制动电流的函数关系式；
步骤S3：采集电机各相绕组当前采样时刻的实际制动电流，并将每一相绕组当前采样时刻的实际制动电流和该相绕组当前采样时刻的预测制动电流比较，得到该相绕组当前采样时刻的预测制动电流误差；
步骤S4：根据步骤S3所得当前采样时刻的预测制动电流误差，利用反馈矫正法对该相绕组下一采样时刻的预测制动电流进行修正，得到该相绕组下一采样时刻修正后的预测制动电流；
步骤S5：检测电机当前采样时刻的实际转速，并将当前采样时刻的实际转速与给定转速比较，比较得到的偏差经PI控制算法处理得到电机下一采样时刻的期望参考电流；
步骤S6：根据步骤S5所得下一采样时刻的期望参考电流及步骤S4所得各相绕组修正后的总预测制动电流之差构建目标函数，并根据目标函数对电机调速系统中功率变换电路对应功率开关的状态向量进行遍历寻优，得到调速系统对应功率开关状态向量的最优取值；
步骤S7)根据所得对应功率开关状态向量的最优取值对调速系统中功率变换电路的对应功率开关实施控制，使下一采样时刻电机各相绕组的总预测制动电流准确跟踪其期望参考电流，从而实现对电机制动电流的精确控制。
上述基于电流预测的开关磁阻电机再生制动控制方法，所述步骤S1中建立的电压平衡方程具体为：
对于m相开关磁阻电机，其第j相绕组的电压平衡方程为：
Figure BDA0002403580740000031
式中：Rj、Uj、ij、ψj分别为电机第j相绕组的电阻、电压、电流、磁链，j＝1，2，3…，m；θ为电机转子的位置角。
上述基于电流预测的开关磁阻电机再生制动控制方法，所述步骤S2具体步骤包括：
公式(1)中电流微分项表示为：
Figure BDA0002403580740000032
式中：T为采样周期，ij(k)为第j相绕组当前采样时刻的制动电流，ij(k+1)为第j相绕组下一采样时刻的制动电流；下文中的k均表示当前采样时刻，k+1表示下一采样时刻；
将下一采样时刻的制动电流ij(k+1)作为预测制动电流，记为iaj(k+1)，并将式(2)代入式(1)，得到第j相绕组预测制动电流的函数关系式为：
Figure BDA0002403580740000033
式中：磁链ψj的函数关系式为：
Figure BDA0002403580740000034
其中：Lq为电感系数，Ld为非饱和电感，Ldsat为饱和电感，ψm为最大磁链值，Im为最大磁链对应的电流值，f(θ)为位置角度函数，其中位置角度函数f(θ)为：
Figure BDA0002403580740000041
其中：Nr为开关磁阻电机转子极数；
则磁链对电流和转子位置角度的偏导数
Figure BDA0002403580740000042
分别为：
Figure BDA0002403580740000043
Figure BDA0002403580740000044
上述基于电流预测的开关磁阻电机再生制动控制方法，所述步骤S3中，对于m相开关磁阻电机，其第j相绕组当前采样时刻的预测制动电流误差ej(k)为：
ej(k)＝ij(k)-iaj(k) (8)
式中：ej(k)为第j相绕组当前采样时刻的预测制动电流误差，ij(k)和iaj(k)分别为第j相绕组当前采样时刻的实际制动电流和预测制动电流。
上述基于电流预测的开关磁阻电机再生制动控制方法，所述步骤S4中，利用反馈矫正法对下一采样时刻该相绕组的预测制动电流进行修正，具体为：
ipj(k+1)＝iaj(k+1)+ej(k) (9)
式中：ipj(k+1)为第j相绕组下一采样时刻修正后的预测制动电流。
上述基于电流预测的开关磁阻电机再生制动控制方法，所述步骤S5中，获得电机下一采样时刻的期望参考电流，具体步骤为：
步骤S5-1：设电机当前采样时刻的给定转速为n*(k)，实际转速为n(k)，则电机当前采样时刻的转速偏差为：
Δn(k)＝n*(k)-n(k) (10)
步骤S5-2：根据所得当前采样时刻的转速偏差Δn(k)，经PI控制算法得到电机当前采样时刻的期望参考电流i*(k)，如公式(11)所示：
Figure BDA0002403580740000051
式中：i*(k)为电机当前采样时刻的期望参考电流，Kp为比例系数，KI为积分系数，Δn(i)为第i次采样时刻的转速偏差；
步骤S5-3：根据公式(11)得电机在上一采样时刻的期望参考电流为：
Figure BDA0002403580740000052
式中：i*(k-1)为电机上一采样时刻的期望参考电流，Δn(k-1)为电机上一采样时刻的转速偏差；
步骤S5-4：根据公式(11)和公式(12)，得到电机当前采样时刻和上一采样时刻期望参考电流的偏差Δi*(k)为：
Δi*(k)＝i*(k)-i*(k-1)＝KP[Δn(k)-Δn(k-1)]+KITΔn(k) (13)
步骤S5-5：根据公式(11)和公式(13)，得电机下一采样时刻的期望参考电流i*(k+1)为：
i*(k+1)＝i*(k)+Δi*(k)＝i*(k)+Kp[Δn(k)-Δn(k-1)]+KITΔn(k) (14)
上述基于电流预测的开关磁阻电机再生制动控制方法，所述步骤S6中，根据所得下一采样时刻的期望参考电流及各相绕组修正后的总预测制动电流之差构建目标函数，目标函数为：
Figure BDA0002403580740000053
式中：J为目标函数。
上述基于电流预测的开关磁阻电机再生制动控制方法，所述步骤S6中，根据目标函数对电机调速系统中功率变换电路对应功率开关状态向量进行遍历寻优，得到该调速系统对应功率开关状态向量的最优取值，具体步骤包括：
步骤S6-1：建立电机各相绕组电压与该相绕组对应功率开关状态变量间的函数关系；
对于m相开关磁阻电机来说，其第j相绕组电压与该相绕组对应功率开关状态变量间的函数关系式为：
Uj＝SjUs (16)
式中：Uj表示电机第j相绕组电压，Us表示电源电压，Sj表示第j相绕组对应功率开关的状态变量，j＝1，2，3…，m；
设电机调速系统中功率变换电路采用不对称半桥型结构，当Sj＝1时，表示该相绕组所对应的两个功率开关同时开通，此时该相绕组电压Uj＝Us；当Sj＝-1时，则表示该相绕组所对应的两个功率开关同时关断，此时该相绕组电压Uj＝-Us；
步骤S6-2：分析开关磁阻电机各相绕组对应功率开关状态变量的可能取值，由此确定m相开关磁阻电机所对应开关状态向量中所包含的各种开关状态组合；
实时检测开关磁阻电机各相绕组的电感，同时实时检测电机转子的位置角度，控制要求为：当该相绕组电感处于下降区间且其位置角度处于所设定的开通角和关断角范围内时，则该相绕组所对应功率开关的状态变量根据目标函数控制为开通状态Sj＝1或关断状态Sj＝-1；否则，该相绕组所对应功率开关的状态变量控制为关断状态Sj＝-1；根据上述控制要求确定各相绕组所对应功率开关状态变量的可能取值，并由此确定m相开关磁阻电机所对应开关状态向量中所包含的各种开关状态组合；对于m相开关磁阻电机来说，其开关状态向量表示为S＝[S1,S2,S3...,Sm]；
步骤S6-3：以m相开关磁阻电机调速系统中功率开关状态向量所包含各种开关状态组合所对应的目标函数取最小值为优化目标，采用遍历寻优法获得其开关状态向量的最优取值。
上述基于电流预测的开关磁阻电机再生制动控制方法，所述步骤S6-3具体包括如下步骤：
步骤S6-3-1：设置系统参数，包括：绕组电阻Rj，j＝1，2，3…，m，电感系数Lq，非饱和电感Ld，饱和电感Ldast，最大磁链值ψm，最大磁链值对应的电流值Im，采样周期T；
步骤S6-3-2：采集电机当前采样时刻各相绕组的电流ij(k)，j＝1，2，3…，m；电源电压Us、转子位置角度θ、当前采样时刻实际转速n(k)以及当前采样时刻给定转速n*(k)；
步骤S6-3-3：根据步骤S6-2所得功率开关状态向量所包含的各种开关状态组合，任选其中一种开关状态组合作为第一种开关状态组合以待处理；
步骤S6-3-4：根据所选取的开关状态组合并根据公式(16)确定电机各相绕组的电压；
步骤S6-3-5：根据公式(3)计算出下一采样时刻电机各相绕组的预测制动电流；
步骤S6-3-6：根据公式(8)计算出当前采样时刻电机各相绕组的预测制动电流误差；
步骤S6-3-7：根据公式(9)计算出下一采样时刻电机各相绕组修正后的预测制动电流；
步骤S6-3-8：根据公式(14)计算出电机下一采样时刻的期望参考电流；
步骤S6-3-9：根据公式(15)计算出该开关状态组合对应的目标函数J；
步骤S6-3-10：选取第二种开关状态组合，并根据该开关状态组合重复步骤S6-3-4至步骤S6-3-9，计算出第二种开关状态组合对应的目标函数，并将第二种开关状态组合对应的目标函数与第一种开关状态组合对应的目标函数进行比较，将其中较小的目标函数及其开关状态组合对应的开关状态向量取值予以保存；
步骤S6-3-11：依次取其余各种开关状态组合，按步骤S6-3-4至步骤S6-3-9计算出每种开关状态组合对应的目标函数，并将所得目标函数与所保存的目标函数进行比较，保存其中较小的目标函数及其开关状态组合对应的开关状态向量取值，直到所有开关状态组合全部计算完为止；
步骤S6-3-12：根据所得最小目标函数所对应的开关状态向量取值，对开关磁阻电机调速系统中各相绕组所对应的功率开关实施控制，实现电机总预测制动电流准确跟踪其期望参考电流，从而实现对调速系统制动电流的精确控制。
本发明的有益效果在于：本发明的控制方法步骤如下：建立开关磁阻电机各相绕组制动过程的电压平衡方程；根据前向欧拉法对电压平衡方程中电流微分项进行离散化，得到各相绕组预测制动电流的函数关系式；采集电机各相绕组当前采样时刻的实际制动电流，并将每一相绕组当前采样时刻的实际制动电流和该相绕组当前采样时刻的预测制动电流比较，得到该相绕组当前采样时刻的预测制动电流误差；根据所得当前采样时刻的预测制动电流误差，利用反馈矫正法对该相绕组下一采样时刻的预测制动电流进行修正，得到该相绕组下一采样时刻修正后的预测制动电流；检测电机当前采样时刻的实际转速，并将当前采样时刻的实际转速与给定转速比较，比较得到的偏差经PI控制算法处理得到电机下一采样时刻的期望参考电流；根据所得下一采样时刻的期望参考电流及各相绕组修正后的总预测制动电流之差构建目标函数，并根据目标函数对电机调速系统中功率变换电路对应功率开关的状态向量进行遍历寻优，得到调速系统对应功率开关状态向量的最优取值；根据所得对应功率开关状态向量的最优取值对调速系统中功率变换电路的对应功率开关实施控制，使下一采样时刻电机各相绕组的总预测制动电流准确跟踪其期望参考电流，从而实现对电机制动电流的精确控制。与传统控制方法相比较，本发明提供的基于电流预测的开关磁阻电机再生制动控制方法，有效降低了开关磁阻电机制动过程中制动电流的波动范围，使开关磁阻电机制动过程中制动转矩基本保持稳定，实现了开关磁阻电机制动过程的平稳运行。
附图说明
图1为本发明基于电流预测的开关磁阻电机再生制动控制系统原理框图。
图2为本发明基于电流预测的开关磁阻电机再生制动控制方法流程图。
图3为本发明基于电流预测的开关磁阻电机再生制动控制系统单相功率变换电路对应功率开关工作模式图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
如图1所示，图1为本发明的基于电流预测的开关磁阻电机再生制动控制系统原理框图。该控制系统采用包括转速外环和电流内环的双闭环控制模式，其中转速外环采用PI控制算法，电流内环采用电流预测控制方法。其基本工作原理是：实时检测开关磁阻电机的实际转速，并将其与给定转速进行比较，其偏差经PI控制算法进行处理，得到内环的期望参考电流；内环则根据该期望参考电流，同时实时检测功率变换电路中电源电压及电机各相绕组的实际制动电流，经电流预测控制得到该调速系统对应功率开关状态向量的最优取值，根据所得最优状态向量取值对调速系统中对应功率开关实施控制，即可实现对调速系统中电机制动电流实施精确控制。
如图2所示，图2为本发明的基于电流预测的开关磁阻电机再生制动控制方法的流程图，包括以下步骤：
步骤S1：建立开关磁阻电机各相绕组制动过程的电压平衡方程。
步骤S1实现方式：
步骤S1-1)确定开关磁阻电机制动控制工作模式；
开关磁阻电机在制动运行中，通过控制功率变换电路中对应功率开关的工作模式实现其制动控制，其工作模式如图3所示。其中，图3(a)所示为单相功率变换电路拓扑结构图；该功率变换电路采用不对称半桥型结构，包括两个功率开关V1和V2以及两个续流二极管D1和D2，图中L表示开关磁阻电机单相绕组，电容C为滤波电容。在开关磁阻电机制动运行中，其制动控制包括两个功率开关V1和V2同时开通和同时关断两种模式，分别如图3(b)和图3(c)所示。当功率开关V1和V2同时开通时，其开关磁阻电机对应的绕组电压等于电源电压，即：Uj＝Us(j＝1，2，3…，m)，此时开关磁阻电机处于励磁阶段并产生制动转矩；而当功率开关V1和V2同时关断时，其开关磁阻电机对应的绕组电压等于负的电源电压，即：Uj＝﹣Us，此时开关磁阻电机处于发电阶段，即将储存在电机绕组中的磁场能回馈至蓄电池。
步骤S1-2)忽略功率开关与续流二极管的管压降，则制动过程中开关磁阻电机各相绕组的电压平衡方程为：
Figure BDA0002403580740000111
式中：Rj、Uj、ij及ψj分别为电机第j相绕组的电阻、电压、电流与磁链，j＝1，2，3…，m；其中电机第j相绕组磁链ψj是关于该相电流ij和转子位置角θ的函数，即：
ψj＝ψj(ij,θ) (18)
将公式(18)代入公式(17)，得电压平衡方程为：
Figure BDA0002403580740000112
步骤S2：根据前向欧拉法对电压平衡方程中电流微分项进行离散化，得到各相绕组预测制动电流的函数关系式。
步骤S2实现方式：
在采样周期T较小的情况下，公式(1)中电流微分项表示为：
Figure BDA0002403580740000113
式中：T为采样周期，ij(k)为第j相绕组当前采样时刻的制动电流，ij(k+1)为第j相绕组下一采样时刻的制动电流；下文中的k均表示当前采样时刻，k+1表示下一采样时刻；
将下一采样时刻的制动电流ij(k+1)作为预测制动电流，记为iaj(k+1)，并将式(2)代入式(1)，得到第j相绕组预测制动电流的函数关系式为：
Figure BDA0002403580740000121
式中：磁链ψj的函数关系式为：
Figure BDA0002403580740000122
其中：Lq为电感系数，Ld为非饱和电感，Ldsat为饱和电感，ψm为最大磁链值，Im为最大磁链对应的电流值，f(θ)为位置角度函数，其中位置角度函数f(θ)为：
Figure BDA0002403580740000123
其中：Nr为开关磁阻电机转子极数；
则磁链对电流和转子位置角度的偏导数
Figure BDA0002403580740000124
分别为：
Figure BDA0002403580740000125
Figure BDA0002403580740000126
步骤S3：采集电机各相绕组当前采样时刻的实际制动电流，并将每一相绕组当前采样时刻的实际制动电流和该相绕组当前采样时刻的预测制动电流比较，得到该相绕组当前采样时刻的预测制动电流误差。
步骤S3)实现方式：
对于m相开关磁阻电机，其第j相绕组当前采样时刻的预测制动电流误差ej(k)为：
ej(k)＝ij(k)-iaj(k) (8)
式中：ej(k)为第j相绕组当前采样时刻的预测制动电流误差，ij(k)和iaj(k)分别为第j相绕组当前采样时刻的实际制动电流和预测制动电流。
步骤S4：根据步骤S3所得当前采样时刻的预测制动电流误差，利用反馈矫正法对该相绕组下一采样时刻的预测制动电流进行修正，得到该相绕组下一采样时刻修正后的预测制动电流。
步骤S4)实现方式：
利用反馈矫正法对下一采样时刻该相绕组的预测制动电流进行修正，具体为：
ipj(k+1)＝iaj(k+1)+ej(k) (9)
式中：ipj(k+1)为第j相绕组下一采样时刻修正后的预测制动电流。
步骤S5：检测电机当前采样时刻的实际转速，并将当前采样时刻的实际转速与给定转速比较，比较得到的偏差经PI控制算法处理得到电机下一采样时刻的期望参考电流。
步骤S5)实现方式：
步骤S5-1：设电机当前采样时刻的给定转速为n*(k)，实际转速为n(k)，则电机当前采样时刻的转速偏差为：
Δn(k)＝n*(k)-n(k) (10)
步骤S5-2：根据所得当前采样时刻的转速偏差Δn(k)，经PI控制算法得到电机当前采样时刻的期望参考电流i*(k)，如公式(11)所示：
Figure BDA0002403580740000131
式中：i*(k)为电机当前采样时刻的期望参考电流，Kp为比例系数，KI为积分系数，Δn(i)为第i次采样时刻的转速偏差；
步骤S5-3：根据公式(11)得电机在上一采样时刻的期望参考电流为：
Figure BDA0002403580740000141
式中：i*(k-1)为电机上一采样时刻的期望参考电流，Δn(k-1)为电机上一采样时刻的转速偏差；
步骤S5-4：根据公式(11)和公式(12)，得到电机当前采样时刻和上一采样时刻期望参考电流的偏差Δi*(k)为：
Δi*(k)＝i*(k)-i*(k-1)＝KP[Δn(k)-Δn(k-1)]+KITΔn(k) (13)
步骤S5-5：根据公式(11)和公式(13)，得电机下一采样时刻的期望参考电流i*(k+1)为：
i*(k+1)＝i*(k)+Δi*(k)＝i*(k)+Kp[Δn(k)-Δn(k-1)]+KITΔn(k) (14)
步骤S6：根据步骤S5所得下一采样时刻的期望参考电流及步骤S4所得各相绕组修正后的总预测制动电流之差构建目标函数，并根据目标函数对电机调速系统中功率变换电路对应功率开关的状态向量进行遍历寻优，得到调速系统对应功率开关状态向量的最优取值。
步骤S6)实现方式：
首先建立目标函数；
根据所得开关磁阻电机各相绕组下一采样时刻修正后的总预测制动电流和期望参考电流之差构建目标函数J，即：
Figure BDA0002403580740000142
式中：J为目标函数。
根据目标函数对电机调速系统中功率变换电路对应功率开关状态向量进行遍历寻优，得到该调速系统对应功率开关状态向量的最优取值，具体步骤包括：
步骤S6-1：建立电机各相绕组电压与该相绕组对应功率开关状态变量间的函数关系；
对于m相开关磁阻电机来说，其第j相绕组电压与该相绕组对应功率开关状态变量间的函数关系式为：
Uj＝SjUs (16)
式中：Uj表示电机第j相绕组电压，Us表示电源电压，Sj表示第j相绕组对应功率开关的状态变量，j＝1，2，3…，m；
设电机调速系统中功率变换电路采用不对称半桥型结构，当Sj＝1时，表示该相绕组所对应的两个功率开关同时开通，此时该相绕组电压Uj＝Us；当Sj＝-1时，则表示该相绕组所对应的两个功率开关同时关断，此时该相绕组电压Uj＝-Us；
步骤S6-2：分析开关磁阻电机各相绕组对应功率开关状态变量的可能取值，由此确定m相开关磁阻电机所对应开关状态向量中所包含的各种开关状态组合；
实时检测开关磁阻电机各相绕组的电感，同时实时检测电机转子的位置角度，控制要求为：当该相绕组电感处于下降区间且其位置角度处于所设定的开通角和关断角范围内时，则该相绕组所对应功率开关的状态变量根据目标函数控制为开通状态Sj＝1或关断状态Sj＝-1；否则，该相绕组所对应功率开关的状态变量控制为关断状态Sj＝-1；根据上述控制要求确定各相绕组所对应功率开关状态变量的可能取值，并由此确定m相开关磁阻电机所对应开关状态向量中所包含的各种开关状态组合；对于m相开关磁阻电机来说，其开关状态向量表示为S＝[S1,S2,S3...,Sm]；
步骤S6-3：以m相开关磁阻电机调速系统中功率开关状态向量所包含各种开关状态组合所对应的目标函数取最小值为优化目标，采用遍历寻优法获得其开关状态向量的最优取值。所述步骤S6-3具体包括如下步骤：
步骤S6-3-1：设置系统参数，包括：绕组电阻Rj，j＝1，2，3…，m，电感系数Lq，非饱和电感Ld，饱和电感Ldast，最大磁链值ψm，最大磁链值对应的电流值Im，采样周期T；
步骤S6-3-2：采集电机当前采样时刻各相绕组的电流ij(k)，j＝1，2，3…，m；电源电压Us、转子位置角度θ、当前采样时刻实际转速n(k)以及当前采样时刻给定转速n*(k)；
步骤S6-3-3：根据步骤S6-2所得功率开关状态向量所包含的各种开关状态组合，任选其中一种开关状态组合作为第一种开关状态组合以待处理；
步骤S6-3-4：根据所选取的开关状态组合并根据公式(16)确定电机各相绕组的电压；
步骤S6-3-5：根据公式(3)计算出下一采样时刻电机各相绕组的预测制动电流；
步骤S6-3-6：根据公式(8)计算出当前采样时刻电机各相绕组的预测制动电流误差；
步骤S6-3-7：根据公式(9)计算出下一采样时刻电机各相绕组修正后的预测制动电流；
步骤S6-3-8：根据公式(14)计算出电机下一采样时刻的期望参考电流；
步骤S6-3-9：根据公式(15)计算出该开关状态组合对应的目标函数J；
步骤S6-3-10：选取第二种开关状态组合，并根据该开关状态组合重复步骤S6-3-4至步骤S6-3-9，计算出第二种开关状态组合对应的目标函数，并将第二种开关状态组合对应的目标函数与第一种开关状态组合对应的目标函数进行比较，将其中较小的目标函数及其开关状态组合对应的开关状态向量取值予以保存；
步骤S6-3-11：依次取其余各种开关状态组合，按步骤S6-3-4至步骤S6-3-9计算出每种开关状态组合对应的目标函数，并将所得目标函数与所保存的目标函数进行比较，保存其中较小的目标函数及其开关状态组合对应的开关状态向量取值，直到所有开关状态组合全部计算完为止；
步骤S6-3-12：根据所得最小目标函数所对应的开关状态向量取值，对开关磁阻电机调速系统中各相绕组所对应的功率开关实施控制，实现电机总预测制动电流准确跟踪其期望参考电流，从而实现对调速系统制动电流的精确控制。
步骤S7)根据所得对应功率开关状态向量的最优取值对调速系统中功率变换电路的对应功率开关实施控制，使下一采样时刻电机各相绕组的总预测制动电流准确跟踪其期望参考电流，从而实现对电机制动电流的精确控制。

Claims (9)

1.一种基于电流预测的开关磁阻电机再生制动控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：建立开关磁阻电机各相绕组制动过程的电压平衡方程；
步骤S2：根据前向欧拉法对电压平衡方程中电流微分项进行离散化，得到各相绕组预测制动电流的函数关系式；
步骤S3：采集电机各相绕组当前采样时刻的实际制动电流，并将每一相绕组当前采样时刻的实际制动电流和该相绕组当前采样时刻的预测制动电流比较，得到该相绕组当前采样时刻的预测制动电流误差；
步骤S4：根据步骤S3所得当前采样时刻的预测制动电流误差，利用反馈矫正法对该相绕组下一采样时刻的预测制动电流进行修正，得到该相绕组下一采样时刻修正后的预测制动电流；
步骤S5：检测电机当前采样时刻的实际转速，并将当前采样时刻的实际转速与给定转速比较，比较得到的偏差经PI控制算法处理得到电机下一采样时刻的期望参考电流；
步骤S6：根据步骤S5所得下一采样时刻的期望参考电流及步骤S4所得各相绕组修正后的总预测制动电流之差构建目标函数，并根据目标函数对电机调速系统中功率变换电路对应功率开关的状态向量进行遍历寻优，得到调速系统对应功率开关状态向量的最优取值；
步骤S7)根据所得对应功率开关状态向量的最优取值对调速系统中功率变换电路的对应功率开关实施控制，使下一采样时刻电机各相绕组的总预测制动电流准确跟踪其期望参考电流，从而实现对电机制动电流的精确控制。
2.根据权利要求1所述的基于电流预测的开关磁阻电机再生制动控制方法，其特征在于，所述步骤S1中建立的电压平衡方程具体为：
对于m相开关磁阻电机，其第j相绕组的电压平衡方程为：
Figure FDA0002403580730000021
式中：Rj、Uj、ij、ψj分别为电机第j相绕组的电阻、电压、电流、磁链，j＝1，2，3…，m；θ为电机转子的位置角。
3.根据权利要求2所述的基于电流预测的开关磁阻电机再生制动控制方法，其特征在于，所述步骤S2具体步骤包括：
公式(1)中电流微分项表示为：
Figure FDA0002403580730000022
式中：T为采样周期，ij(k)为第j相绕组当前采样时刻的制动电流，ij(k+1)为第j相绕组下一采样时刻的制动电流；下文中的k均表示当前采样时刻，k+1表示下一采样时刻；
将下一采样时刻的制动电流ij(k+1)作为预测制动电流，记为iaj(k+1)，并将式(2)代入式(1)，得到第j相绕组预测制动电流的函数关系式为：
Figure FDA0002403580730000023
式中：磁链ψj的函数关系式为：
Figure FDA0002403580730000024
其中：Lq为电感系数，Ld为非饱和电感，Ldsat为饱和电感，ψm为最大磁链值，Im为最大磁链对应的电流值，f(θ)为位置角度函数，其中位置角度函数f(θ)为：
Figure FDA0002403580730000031
其中：Nr为开关磁阻电机转子极数；
则磁链对电流和转子位置角度的偏导数
Figure FDA0002403580730000032
分别为：
Figure FDA0002403580730000033
Figure FDA0002403580730000034
4.根据权利要求3所述的基于电流预测的开关磁阻电机再生制动控制方法，其特征在于，所述步骤S3中，对于m相开关磁阻电机，其第j相绕组当前采样时刻的预测制动电流误差ej(k)为：
ej(k)＝ij(k)-iaj(k) (8)
式中：ej(k)为第j相绕组当前采样时刻的预测制动电流误差，ij(k)和iaj(k)分别为第j相绕组当前采样时刻的实际制动电流和预测制动电流。
5.根据权利要求4所述的基于电流预测的开关磁阻电机再生制动控制方法，其特征在于，所述步骤S4中，利用反馈矫正法对下一采样时刻该相绕组的预测制动电流进行修正，具体为：
ipj(k+1)＝iaj(k+1)+ej(k) (9)
式中：ipj(k+1)为第j相绕组下一采样时刻修正后的预测制动电流。
6.根据权利要求5所述的基于电流预测的开关磁阻电机再生制动控制方法，其特征在于，所述步骤S5中，获得电机下一采样时刻的期望参考电流，具体步骤为：
步骤S5-1：设电机当前采样时刻的给定转速为n*(k)，实际转速为n(k)，则电机当前采样时刻的转速偏差为：
Δn(k)＝n*(k)-n(k) (10)
步骤S5-2：根据所得当前采样时刻的转速偏差Δn(k)，经PI控制算法得到电机当前采样时刻的期望参考电流i*(k)，如公式(11)所示：
Figure FDA0002403580730000041
式中：i*(k)为电机当前采样时刻的期望参考电流，KP为比例系数，KI为积分系数，Δn(i)为第i次采样时刻的转速偏差；
步骤S5-3：根据公式(11)得电机在上一采样时刻的期望参考电流为：
Figure FDA0002403580730000042
式中：i*(k-1)为电机上一采样时刻的期望参考电流，Δn(k-1)为电机上一采样时刻的转速偏差；
步骤S5-4：根据公式(11)和公式(12)，得到电机当前采样时刻和上一采样时刻期望参考电流的偏差Δi*(k)为：
Δi*(k)＝i*(k)-i*(k-1)＝KP[Δn(k)-Δn(k-1)]+KITΔn(k) (13)
步骤S5-5：根据公式(11)和公式(13)，得电机下一采样时刻的期望参考电流i*(k+1)为：
i*(k+1)＝i*(k)+Δi*(k)＝i*(k)+Kp[Δn(k)-Δn(k-1)]+KITΔn(k) (14)
7.根据权利要求6所述的基于电流预测的开关磁阻电机再生制动控制方法，其特征在于，所述步骤S6中，根据所得下一采样时刻的期望参考电流及各相绕组修正后的总预测制动电流之差构建目标函数，目标函数为：
Figure FDA0002403580730000051
式中：J为目标函数。
8.根据权利要求7所述的基于电流预测的开关磁阻电机再生制动控制方法，其特征在于，所述步骤S6中，根据目标函数对电机调速系统中功率变换电路对应功率开关状态向量进行遍历寻优，得到该调速系统对应功率开关状态向量的最优取值，具体步骤包括：
步骤S6-1：建立电机各相绕组电压与该相绕组对应功率开关状态变量间的函数关系；
对于m相开关磁阻电机来说，其第j相绕组电压与该相绕组对应功率开关状态变量间的函数关系式为：
Uj＝SjUs (16)
式中：Uj表示电机第j相绕组电压，Us表示电源电压，Sj表示第j相绕组对应功率开关的状态变量，j＝1，2，3…，m；
设电机调速系统中功率变换电路采用不对称半桥型结构，当Sj＝1时，表示该相绕组所对应的两个功率开关同时开通，此时该相绕组电压Uj＝Us；当Sj＝-1时，则表示该相绕组所对应的两个功率开关同时关断，此时该相绕组电压Uj＝-Us；
步骤S6-2：分析开关磁阻电机各相绕组对应功率开关状态变量的可能取值，由此确定m相开关磁阻电机所对应开关状态向量中所包含的各种开关状态组合；
实时检测开关磁阻电机各相绕组的电感，同时实时检测电机转子的位置角度，控制要求为：当该相绕组电感处于下降区间且其位置角度处于所设定的开通角和关断角范围内时，则该相绕组所对应功率开关的状态变量根据目标函数控制为开通状态Sj＝1或关断状态Sj＝-1；否则，该相绕组所对应功率开关的状态变量控制为关断状态Sj＝-1；根据上述控制要求确定各相绕组所对应功率开关状态变量的可能取值，并由此确定m相开关磁阻电机所对应开关状态向量中所包含的各种开关状态组合；对于m相开关磁阻电机来说，其开关状态向量表示为S＝[S1,S2,S3...,Sm]；
步骤S6-3：以m相开关磁阻电机调速系统中功率开关状态向量所包含各种开关状态组合所对应的目标函数取最小值为优化目标，采用遍历寻优法获得其开关状态向量的最优取值。
9.根据权利要求8所述的基于电流预测的开关磁阻电机再生制动控制方法，其特征在于，所述步骤S6-3具体包括如下步骤：
步骤S6-3-1：设置系统参数，包括：绕组电阻Rj，j＝1，2，3…，m，电感系数Lq，非饱和电感Ld，饱和电感Ldast，最大磁链值ψm，最大磁链值对应的电流值Im，采样周期T；
步骤S6-3-2：采集电机当前采样时刻各相绕组的电流ij(k)，j＝1，2，3…，m；电源电压Us、转子位置角度θ、当前采样时刻实际转速n(k)以及当前采样时刻给定转速n*(k)；
步骤S6-3-3：根据步骤S6-2所得功率开关状态向量所包含的各种开关状态组合，任选其中一种开关状态组合作为第一种开关状态组合以待处理；
步骤S6-3-4：根据所选取的开关状态组合并根据公式(16)确定电机各相绕组的电压；
步骤S6-3-5：根据公式(3)计算出下一采样时刻电机各相绕组的预测制动电流；
步骤S6-3-6：根据公式(8)计算出当前采样时刻电机各相绕组的预测制动电流误差；
步骤S6-3-7：根据公式(9)计算出下一采样时刻电机各相绕组修正后的预测制动电流；
步骤S6-3-8：根据公式(14)计算出电机下一采样时刻的期望参考电流；
步骤S6-3-9：根据公式(15)计算出该开关状态组合对应的目标函数J；
步骤S6-3-10：选取第二种开关状态组合，并根据该开关状态组合重复步骤S6-3-4至步骤S6-3-9，计算出第二种开关状态组合对应的目标函数，并将第二种开关状态组合对应的目标函数与第一种开关状态组合对应的目标函数进行比较，将其中较小的目标函数及其开关状态组合对应的开关状态向量取值予以保存；
步骤S6-3-11：依次取其余各种开关状态组合，按步骤S6-3-4至步骤S6-3-9计算出每种开关状态组合对应的目标函数，并将所得目标函数与所保存的目标函数进行比较，保存其中较小的目标函数及其开关状态组合对应的开关状态向量取值，直到所有开关状态组合全部计算完为止；
步骤S6-3-12：根据所得最小目标函数所对应的开关状态向量取值，对开关磁阻电机调速系统中各相绕组所对应的功率开关实施控制，实现电机总预测制动电流准确跟踪其期望参考电流，从而实现对调速系统制动电流的精确控制。
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