CN113746397B - 一种开关磁阻电机模型预测转矩和径向力控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种开关磁阻电机模型预测转矩和径向力控制方法。该方法需要通过离线测量获取开关磁阻电机的电感特性、转矩特性，以及通过有限元仿真获取径向力特性。根据当前位置、转速和电流信息，结合开关状态查表预测下一时刻的电流和位置信息，为进行延时补偿，需再进一步预测电流和位置信息，然后查表获取各开关状态下的转矩和径向力并带入成本函数，以成本函数值最小的运行状态为最优状态作为开关信号控制功率变换器中的开关，由此达到转矩脉动和振动同时抑制的效果。仿真结果验证了所述方法的有效性，所述方法控制逻辑简单、转矩脉动和振动抑制效果明显及易于工程实现。
Description
技术领域
本发明涉及一种开关磁阻电机模型预测转矩和径向力控制方法，属于电机控制领域。
背景技术
开关磁阻电机具有结构简单、成本低、运行可靠、控制灵活、调速范围宽、效率高等优点，被广泛应用于电动汽车、家用电器、航空航天、工业传动等领域。然而，由于其电磁特性的高度非线性，开关磁阻电机存在转矩脉动和伺服振动等缺点，这些缺点限制了其应用领域。因此为提高开关磁阻电机调速系统的性能，抑制转矩脉动和振动已成为开关磁阻电机的研究热点。
目前常用的减小转矩脉动的方法主要有转矩分配函数、相电流PI控制器、直接转矩控制和直接瞬时转矩控制等，这些方法都各有利弊。振动是开关磁阻电机噪声的主要来源。由于双凸极结构和非连续相电流的存在，在换向过程中，开关磁阻电机的径向力会发生剧烈变化，导致定子周期性变形后产生伺服振动，因此控制径向力脉动是抑制振动的主要切入点。目前抑制振动的方法包括：两步换相法、三步换相法、三角脉宽策略、单脉冲推进策略和直接瞬时力控制等控制技术。上述方法在转矩脉动和振动噪声方面都只针对一个目标，一种控制方法对一个控制目标产生积极的影响，但往往会产生消极的影响。
模型预测控制通过构建成本函数，直观方便地实现多目标优化，在开关磁阻电机控制中受到越来越多的关注。通过构建开关磁阻电机转矩和径向力的成本函数，模型预测控制既同时解决转矩脉动和振动的问题，对提高开关磁阻电机适用性和调速性能有着重要作用。
发明内容
针对开关磁阻电机转矩脉动和振动抑制技术。本发明提出了一种开关磁阻电机模型预测转矩和径向力控制方法。该方法需要通过离线测量获取开关磁阻电机的电感特性、转矩特性，以及通过有限元仿真获取径向力特性。根据当前位置、转速和电流信息，结合开关状态查表预测下一时刻的电流和位置信息，为进行延时补偿，需再进一步预测电流和位置信息，然后查表获取各开关状态下的转矩和径向力并带入成本函数，以成本函数值最小的运行状态为最优状态作为开关信号控制功率变换器中的开关，由此达到转矩脉动和振动同时抑制的效果。
本发明的技术方案如下：
所述一种开关磁阻电机模型预测转矩和径向力控制方法，包括以下步骤：
步骤1：给定参考转矩Tref和参考径向力Fref，在闭环系统中，Tref可由转速环PI调节器输出得到；通过转子固定夹持法获取开关磁阻电机电感特性、磁链特性和转矩特性，通过有限元仿真得到径向力特性，根据以上特性构建数据表Lph(iph,θ)、eph(iph,θ)、Tph(iph,θ)和Fph(iph,θ)；其中，Lph、eph、Tph、Fph、iph、θ分别表示开关磁阻电机相电感、反电动势系数、相转矩、相径向力、相电流和转子位置；反电动势系数计算公式为：
步骤2：采集电机在k时刻的转子位置θ(k)、相电流iph(k)和转速ω(k)的值；
步骤3：预测k+1时刻的转子位置θ(k+1)、相电流iph(k+1)；具体计算公式分别为：
θ(k+1)＝θ(k+1)+ω(k)Ts
式中，Ts为采样频率，θ(k+1)为k+1时刻的转子位置；
进一步的预测k+1时刻的电流，计算公式为：
式中，Ts为采样频率，Rph为绕组电阻，Vph(k)和eph(k)为k时刻电压传感器测量的相电压和查表获取的反电动势系数，iph(k+1)为k+1时刻的相电流值；
步骤4：预测k+2时刻转子位置θ(k+2)并判定电机运行状态，k+2时刻转子位置θ(k+2)计算公式为：
θ(k+2)＝2θ(k+1)-θ(k)
进一步的，定义开关矢量sph与相电压的关系如式为：
式中Vbus表示母线电压，VT、VD、Vph、sph分别表示开关管的压降、续流二极管的压降、相电压和状态变量；其中sph＝1表示不对称半桥功率变换器两个开关管都导通，sph＝0只有一个开关管导通，sph＝-1表示两个开关管都关闭；开关状态的组合原则为：在单向导通区，只计算当前导通相的开关状态，其余相为-1；在换相区，只预测正在换相的两相开关状态；
进一步的根据预测的开关状态，预测k+2时刻相电流iph(k+2)，计算公式为：
式中，Vph(k+1)、ω(k+1)、eph(k+1)分别是k+1时刻的预测相电压值、预测转子转速和预测反电动势系数，本发明设定ω(k+1)＝ω(k)；θ(k+2)、iph(k+2)分别k+2时刻的预测转子位置和相电流；
步骤5：结合k+2时刻的预测的相电流和转子位置信息，通过查表Tph(iph,θ)和Fph(iph,θ)预测k+2时刻的总转矩和总径向力，总转矩计算公式为：
式中Nph表示开关磁阻电机相数，Tph(k+2)表示k+2时刻预测的相转矩；
进一步的通过公式
计算总径向力，式中，Nph表示开关磁阻电机相数，Fph(k+2)表示k+2时刻预测的相径向力；
步骤6：根据步骤5预测出k+2时刻的总转矩和总径向力，成本函数的求解公式为
J＝ωT(T(k+2)-Tref)2+ωF(F(k+2)-Fref)2
式中，ωT、ωF分别是转矩和径向力的权重系数；
步骤7：以成本函数值最小的运行状态为最优状态作为开关信号控制功率变换器中的开关；
步骤8：检查是否给出了终止命令；如果是，停止循环；否则，返回步骤2。
有益效果
本发明公开了一种开关磁阻电机模型预测转矩和径向力控制方法。该方法需要通过离线测量获取开关磁阻电机的电感特性、转矩特性，以及通过有限元仿真获取径向力特性。根据当前位置、转速和电流信息，结合开关状态查表预测下一时刻的电流和位置信息，为进行延时补偿，需再进一步预测电流和位置信息，然后查表获取各开关状态下的转矩和径向力并带入成本函数，以成本函数值最小的运行状态为最优状态作为开关信号控制功率变换器中的开关，由此达到转矩脉动和振动同时抑制的效果。仿真和实验验证了所述方法的有效性，所述方法控制逻辑简单、转矩脉动和振动抑制效果明显及易于工程实现。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为基于模型预测控制的开关磁阻电机转矩脉动和振动抑制方法的控制框图；
图2为不对称半桥的三种工作状态示意图；
图3为基于模型预测控制的开关磁阻电机转矩脉动和振动抑制方法流程图；
图4为500rpm运行时，由电流斩波控制切换为本发明提出的方法时转矩脉动和径向力脉动的对比图；
图5为1000rpm运行时，由电流斩波控制切换为本发明提出的方法时转矩脉动和径向力脉动的对比图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实例，对本发明的技术方案进行详细说明。实例所用电机为一个1kW三相12/8极开关磁阻电机。
步骤1：给定参考转矩Tref和参考径向力Fref，在如图1所示的闭环系统中，Tref可由转速环PI调节器输出得到。通过转子固定夹持法获取开关磁阻电机电感特性、磁链特性和转矩特性，通过有限元仿真得到径向力特性，根据以上特性构建数据表Lph(iph,θ)、eph(iph,θ)、Tph(iph,θ)和Fph(iph,θ)。其中，Lph、eph、Tph、Fph、iph、θ分别表示开关磁阻电机相电感、反电动势系数、相转矩、相径向力、相电流和转子位置。其中反电动势系数计算公式如式(1)所示。
步骤2：采集电机在k时刻的转子位置θ(k)、相电流iph(k)和转速ω(k)的值。
步骤3：根据式(2)和式(3)预测k+1时刻的转子位置θ(k+1)、相电流iph(k+1)。
θ(k+1)＝θ(k+1)+ω(k)Ts (2)
式中，Rph为绕组电阻，Vph(k)和eph(k)为k时刻电压传感器测量的相电压和查表获取的反电动势系数，θ(k+1)、iph(k+1)分别为k+1时刻的转子位置和相电流值。
步骤4：通过式(4)预测k+2时刻转子位置θ(k+2)并判定电机运行状态。定义开关矢量sph与相电压的关系如式(5)所示，其中sph＝1表示不对称半桥功率变换器两个开关管都导通，sph＝0只有一个开关管导通，sph＝-1表示两个开关管都关闭。开关状态的组合原则为：在单向导通区，只计算当前导通相的开关状态，其余相为-1；在换相区，只预测正在换相的两相开关状态，开关状态的预测表如表1所示。根据所预测k+1时刻相电压，通过式(6)预测k+2时刻相电流iph(k+2)。
θ(k+2)＝2θ(k+1)-θ(k) (4)
式中θ(k+2)为k+2时刻的预测转子位置。
式中Vbus表示母线电压，VT、VD、Vph、sph分别表示开关管的压降、续流二极管的压降、相电压和状态变量。
式中，Rph为绕组电阻，Vph(k)和eph(k)为k时刻电压传感器测量的相电压和查表获取的反电动势系数，θ(k+1)、iph(k+1)分别为k+1时刻的转子位置和相电流值。
表1.开关状态
步骤5：结合k+2时刻的相电流和转子位置信息，通过查表Tph(iph,θ)和Fph(iph,θ)预测k+2时刻的转矩和径向力，再通过式(7)和式(8)求取总转矩和总径向力，式中Nph表示开关磁阻电机相数。
式中，Nph表示开关磁阻电机相数，Tph(k+2)、Fph(k+2)表示k+2时刻预测的相转矩和相径向力。
步骤6：根据步骤5预测出k+2时刻的总转矩和总径向力，通过式(9)求解成本函数的值；
J＝ωT(T(k+2)-Tref)2+ωF(F(k+2)-Fref)2 (9)
式中，ωT、ωF分别是转矩和径向力的权重系数。
步骤7：以成本函数值最小的运行状态为最优状态作为开关信号控制功率变换器中的开关。
步骤8：检查是否给出了终止命令。如果是，停止循环；否则，返回步骤二；
图3为本发明所提出的控制方法流程图，图4和图5分别为电机在500rpm和1000rpm运行时由电流斩波控制切换到本发明所提出的控制方法时的控制效果对比图。在500rpm时，由电流斩波控制切换到模型预测转矩脉动和径向力抑制控制方法时，转矩脉动由99.49％降到47.29％。径向力脉动由102.38％降到32.14％。在1000rpm时，切换控制方法后，转矩脉动由73.81％降到36.42％。径向力脉动由85.74％降到22.16％。由此可见，本发明提出的基于模型预测控制的开关磁阻电机转矩脉动和振动抑制方法对同时降低转矩脉动和振动有明显的效果。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (7)
1.一种开关磁阻电机模型预测转矩和径向力控制方法，其特征在于：
包括以下步骤：
步骤1：给定参考转矩Tref和参考径向力Fref，在闭环系统中，Tref可由转速环PI调节器输出得到；获取开关磁阻电机电感特性、磁链特性和转矩特性和径向力特性，根据以上特性构建数据表Lph(iph,θ)、eph(iph,θ)、Tph(iph,θ)和Fph(iph,θ)；其中，Lph、eph、Tph、Fph、iph、θ分别表示开关磁阻电机相电感、反电动势系数、相转矩、相径向力、相电流和转子位置；
步骤2：采集电机在k时刻的转子位置θ(k)、相电流iph(k)、转速ω(k)以及相电压Vph(k)的值；
步骤3：根据步骤2得到的测量数据，预测k+1时刻的转子位置θ(k+1)、相电流iph(k+1)；
步骤4：预测k+2时刻转子位置θ(k+2)并判定电机运行状态；定义开关矢量sph与相电压的关系如下，其中sph＝1表示不对称半桥功率变换器两个开关管都导通，sph＝0只有一个开关管导通，sph＝-1表示两个开关管都关闭；开关状态的组合原则为：在单向导通区，只计算当前导通相的开关状态，其余相为-1；在换相区，只预测正在换相的两相开关状态；
式中Vbus表示母线电压，VT、VD、Vph、sph分别表示开关管的压降、续流二极管的压降、相电压和状态变量；
结合预测的开关状态，计算出k+1时刻的预测相电压，预测k+2时刻相电流iph(k+2)；
步骤5：结合k+2时刻的相电流和转子位置信息，通过查表Tph(iph,θ)和Fph(iph,θ)预测k+2时刻的转矩和径向力，求取总转矩和总径向力；
步骤6：根据步骤5预测出k+2时刻的总转矩和总径向力，求解成本函数的值；
步骤7：根据步骤6得到的成本函数选择开关信号控制功率变换器中的开关；
步骤8：检查是否给出了终止命令；如果是，停止循环；否则，返回步骤2。
2.根据权利要求1所述一种开关磁阻电机模型预测转矩和径向力控制方法，其特征在于：步骤1中通过固定夹持法获取开关磁阻电机电感特性、磁链特性和转矩特性，通过有限元仿真获取径向力特性，根据以上特性构建二维数据表Lph(iph,θ)、eph(iph,θ)、Tph(iph,θ)和Fph(iph,θ)；其中根据公式
计算反电动势系数，其中Lph、eph、iph、θ分别表示开关磁阻电机相电感、反电动势系数、相电流和转子位置。
3.根据权利 要求1所述一种开关磁阻电机模型预测转矩和径向力控制方法，其特征在于：步骤3根据公式
θ(k+1)＝θ(k)+ω(k)Ts
计算k+1时刻转子位置，式中Ts为采样频率，ω(k)、θ(k)分别为k时刻的转速和位置，θ(k+1)为k+1时刻的转子位置；
根据公式
计算k+1时刻的电流；式中Ts为采样频率，Rph为绕组电阻，Vph(k)、iph(k)和eph(k)为k时刻传感器测量的相电压、相电流和查表获取的反电动势系数，iph(k+1)为k+1时刻的相电流值。
4.根据权利 要求1所述一种开关磁阻电机模型预测转矩和径向力控制方法，其特征在于：步骤4根据公式
θ(k+2)＝2θ(k+1)-θ(k)
计算k+2时刻的转子位置，式中θ(k+2)为k+2时刻的转子位置；
根据公式
计算k+2时刻的电流；式中Ts为采样频率，Rph为绕组电阻，Vph(k+1)、ω(k+1)、eph(k+1)分别是k+1时刻的相电压值、转子转速和反电动势系数；iph(k+2)为k+2时刻的相电流。
5.根据权利 要求1所述一种开关磁阻电机模型预测转矩和径向力控制方法，其特征在于：步骤5根据公式
计算k+2时刻总转矩，式中Nph表示开关磁阻电机相数，Tph(k+2)表示k+2时刻的相转矩；
根据公式
计算k+2时刻总径向力；式中Nph表示开关磁阻电机相数，Fph(k+2)表示k+2时刻的相径向力。
6.根据权利 要求1所述一种开关磁阻电机模型预测转矩和径向力控制方法，其特征在于：步骤6中通过公式
J＝wT(T(k+2)-Tref)2+wF(F(k+2)-Fref)2
计算成本函数的值，式中，wT、wF分别是转矩和径向力的权重系数。
7.根据权利 要求1所述一种开关磁阻电机模型预测转矩和径向力控制方法，其特征在于：步骤7中以成本函数值最小的运行状态为最优状态作为功率变换器的开关信号。
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