CN113852316A - 一种基于模型预测控制的发电机起动控制方法及装置 - Google Patents

一种基于模型预测控制的发电机起动控制方法及装置 Download PDF

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CN113852316A CN202111163877.9A CN202111163877A CN113852316A CN 113852316 A CN113852316 A CN 113852316A CN 202111163877 A CN202111163877 A CN 202111163877A CN 113852316 A CN113852316 A CN 113852316A
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管毅
姜宇
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Abstract

本申请属于航空电机起动控制技术领域，特别涉及一种基于模型预测控制的发电机起动控制方法及装置。该方法包括：采集当前时刻的转速，并根据给定的起动转速与转矩的对应关系，确定当前时刻电磁转矩所需的定子电流指令值；采集当前时刻的发电机三相电流，并进行矢量变换得到当前时刻同步旋转坐标系下的定子电流；对所有可能输出的门控信号组合，给出对应的电压矢量；对任一电压矢量，根据给定的预测模型预测下一时刻的定子电流；对获得的下一时刻的多个定子电流，分别计算跟随代价值，找出跟随代价值最小的定子电流；确定对应的门控信号组合，以该门控信号组合控制三相桥臂开关状态。本申请提高了系统转矩输出动态性，精简了系统组成。

Description

一种基于模型预测控制的发电机起动控制方法及装置
技术领域
本申请属于航空电机起动控制技术领域，特别涉及一种基于模型预测控制的发电机起动控制方法及装置。
背景技术
当前的三级式同步起动/发电机系统中起动控制方法多采用基于转速环加电流环的调速控制方法，旨在控制航空三级式同步起动/发电机带动发动机负载至发动机点火转速，发动机进行点火操作，进而继续升速至脱开转速，起动控制过程完成。此时发动机完全运转，作为原动机带动三级式同步起动/发电机进入发电状态。调速控制的优点在于控制指标明确，即带动发动机负载升速至脱开转速。然而，内环电流环所影响的转矩输出依赖于外环指令，难以直接进行快速调节，并且，在点火转速点与脱开转速点间，发动机逐渐开始出力，此时处于起动状态的三级式同步起动/发电机输出力矩与发动机输出力矩间关系难以描述，处理不当会在轴上产生转矩波动，不利于系统寿命，严重可致断轴。近年来，一些发动机厂商通过对发动机特性详细研究与试验测试，对起动系统提出了明确的输出转矩指标要求，明确了转矩-转速对应关系与详细指标，如图1所示。传统基于调速控制的起动控制方法无法适应新的转矩输出动、静态要求。
发明内容
为了解决上述技术问题，本申请提供了一种基于模型预测控制的发电机起动控制方法及装置，通过对转矩电流的快速预测与输出，实现起动系统转矩动态控制，满足发动机起动所需转矩指标要求。
本申请第一方面提供了一种基于模型预测控制的发电机起动控制方法，主要包括：
步骤S1、采集当前时刻的转速，并根据给定的起动转速与转矩的对应关系，确定当前时刻电磁转矩所需的定子电流指令值；
步骤S2、采集当前时刻的发电机三相电流，并进行矢量变换得到当前时刻同步旋转坐标系下的定子电流；
步骤S3、对所有可能输出的门控信号组合，给出对应的电压矢量，其中，每一门控信号组合表征一种三相桥臂开关状态；
步骤S4、对任一电压矢量，根据给定的预测模型预测下一时刻的定子电流；
步骤S5、对获得的下一时刻的多个定子电流，分别计算用于表征下一时刻的所述定子电流与当前时刻的所述电流指令值差距的跟随代价值，找出跟随代价值最小的定子电流；
步骤S6、根据跟随代价值最小的定子电流确定对应的电压矢量，并根据该电压矢量确定对应的门控信号组合，以该门控信号组合控制三相桥臂开关状态。
优选的是，步骤S3中，所述门控信号组合包括八种。
优选的是，所述预测模型包括：
xe(k+1)＝Aexe(k)+Beue(k)+Ee
其中，
xe(k)＝[id(k) iq(k)]T
ue(k)＝[ud(k) uq(k)]T
Figure BDA0003291068680000021
Figure BDA0003291068680000022
Figure BDA0003291068680000023
其中，L为定子电感值，R为定子电阻值，Ψf为磁链值，ωe(k)为k时刻转子电角速度。
优选的是，所述定子电感值、定子电阻值及磁链值通过试验获得，所述转子电角速度由机械转速确定。
优选的是，所述跟随代价值通过跟随代价函数确定，所述跟随代价函数为：
Figure BDA0003291068680000031
其中，id *与iq *为当前时刻电磁转矩所需的定子电流指令值，id(k+1)与iq(k+1)为下一时刻的定子电流。
本申请第二方面提供了一种基于模型预测控制的发电机起动控制装置，主要包括：
定子电流指令值确定模块，用于采集当前时刻的转速，并根据给定的起动转速与转矩的对应关系，确定当前时刻电磁转矩所需的定子电流指令值；
定子电流确定模块，用于采集当前时刻的发电机三相电流，并进行矢量变换得到当前时刻同步旋转坐标系下的定子电流；
电压矢量计算模块，用于对所有可能输出的门控信号组合，给出对应的电压矢量，其中，每一门控信号组合表征一种三相桥臂开关状态；
定子电流预测模块，用于对任一电压矢量，根据给定的预测模型预测下一时刻的定子电流；
跟随代价计算模块，用于对获得的下一时刻的多个定子电流，分别计算用于表征下一时刻的所述定子电流与当前时刻的所述电流指令值差距的跟随代价值，找出跟随代价值最小的定子电流；
指令选取模块，用于根据跟随代价值最小的定子电流确定对应的电压矢量，并根据该电压矢量确定对应的门控信号组合，以该门控信号组合控制三相桥臂开关状态。
优选的是，所述预测模型包括：
xe(k+1)＝Aexe(k)+Beue(k)+Ee
其中，
xe(k)＝[id(k) iq(k)]T
ue(k)＝[ud(k) uq(k)]T
Figure BDA0003291068680000032
Figure BDA0003291068680000033
Figure BDA0003291068680000041
其中，L为定子电感值，R为定子电阻值，Ψf为磁链值，ωe(k)为k时刻转子电角速度。
优选的是，所述定子电感值、定子电阻值及磁链值通过试验获得，所述转子电角速度由机械转速确定。
优选的是，所述跟随代价值通过跟随代价函数确定，所述跟随代价函数为：
Figure BDA0003291068680000042
其中，id *与iq *为当前时刻电磁转矩所需的定子电流指令值，id(k+1)与iq(k+1)为下一时刻的定子电流。
本申请是一种通过对矢量解耦后的定子交、直轴电流在控制系统下一采样时刻进行预测，并采用预设代价函数对众多预测值与期望指令进行对比，选择最为符合期望电流指令的预测值对应的控制量在下一采样时刻输出，具有如下优点：
1.本申请针对航空发动机起动新需求，即明确的转矩-转速输出对应关系与指标，综合考虑三级式起动/发电系统电励磁同步电机转矩控制优化方式，提供了一种无需转速控制器的控制方法，直接对转矩电流进行精确控制，降低了系统复杂度。
2.航空三级式起动/发电系统的起动过程本身就是一个纯动态过程，本申请提出的模型预测起动控制方法动态性强，适宜于该工况的应用。
3.本申请提出的模型预测起动控制方法能够对转矩电流进行预测并直接输出逆变器开关信号，一方面提高系统转矩输出动态性；另一方面，取消了传统起动控制系统中空间电压矢量调试器(SVPWM)，精简了系统组成。
4.本申请提出的模型预测起动控制方法本质上是一种离散型控制方法，适宜数字化实现与调试。
附图说明
图1是本申请发动机起动典型转矩-转速对应关系要求图。
图2是本申请典型三相两电平逆变器结构示意图。
图3是本申请基于模型预测控制的起动控制框图。
图4是本申请起动过程输出转矩曲线图。
图5是本申请起动过程转速曲线图。
图6是本申请起动过程三相电流波形。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。
本申请第一方面提供了一种基于模型预测控制的发电机起动控制方法，主要包括：
步骤S1、采集当前时刻的转速，并根据给定的起动转速与转矩的对应关系，确定当前时刻电磁转矩所需的定子电流指令值；
步骤S2、采集当前时刻的发电机三相电流，并进行矢量变换得到当前时刻同步旋转坐标系下的定子电流；
步骤S3、对所有可能输出的门控信号组合，给出对应的电压矢量，其中，每一门控信号组合表征一种三相桥臂开关状态；
步骤S4、对任一电压矢量，根据给定的预测模型预测下一时刻的定子电流；
步骤S5、对获得的下一时刻的多个定子电流，分别计算用于表征下一时刻的所述定子电流与当前时刻的所述电流指令值差距的跟随代价值，找出跟随代价值最小的定子电流；
步骤S6、根据跟随代价值最小的定子电流确定对应的电压矢量，并根据该电压矢量确定对应的门控信号组合，以该门控信号组合控制三相桥臂开关状态。
在步骤S1中，通过采集当前转速，采用查表法确定控制系统在当前时刻按照图1所规定输出对应电磁转矩所需要的定子电流指令值id *和iq *。
如图1所示，本次实施实例只列出起动阶段恒转矩区要求，恒功率区原理类似。设定起动转速-转矩对应关系为：
0r/min-412r/min：27.2N·m；
412r/min-1373r/min：39.5N·m；
1373r/min-2100r/min：47.2N·m；
2250r/min：44.2N·m；
2250r/min-3400r/min：44.2N·m。
步骤S2中，采集三级式同步起动/发电机三相电流iA，iB，iC，对其依据矢量变换策略进行CLARK及PARK变换，得到在当前k时刻同步旋转坐标系下的定子电流id(k)和iq(k)。
在步骤S3中，建立待预测全部电压矢量。对于交流起动发电系统最常用的三相两电平逆变器，如图2所示，在下一时刻(k+1时刻)所有可能输出的门控信号组合对应了8种开关状态及电压矢量，如下表所示。
Figure BDA0003291068680000061
Figure BDA0003291068680000071
其中，Sa，Sb，Sc分别为A、B、C相桥臂开关状态，表达式如下：
Figure BDA0003291068680000072
Figure BDA0003291068680000073
Figure BDA0003291068680000074
在步骤S4中，对步骤S3中的8个待预测电压矢量(V0～V7)依次采用预测模型预测k+1时刻的电流值。
所述预测模型包括：
xe(k+1)＝Aexe(k)+Beue(k)+Ee
其中，
xe(k)＝[id(k) iq(k)]T
ue(k)＝[ud(k) uq(k)]T
Figure BDA0003291068680000075
Figure BDA0003291068680000076
Figure BDA0003291068680000077
其中，L为定子电感值，R为定子电阻值，Ψf为磁链值，ωe(k)为k时刻转子电角速度。
在一些可选实施方式中，所述定子电感值、定子电阻值及磁链值通过试验获得，所述转子电角速度由机械转速确定。
该步骤可得8组d、q轴电流在k+1时刻预测值id(k+1)、iq(k+1)，分别对应步骤S3中8个电压矢量。
在步骤S5中，通过代价函数判断最优电压矢量。设计电流跟随代价函数如下式所示：
Figure BDA0003291068680000081
分别将步骤4中的8组电流预测值带入，可得8个代价函数值，取代价函数值最小的一组电流预测值id(k+1)、iq(k+1)所对应的电压矢量为最优电压矢量。
最后，输出最优电压矢量。在控制系统下一采样时刻(k+1时刻)，直接输出步骤S5中评定出的最优电压矢量所对应的A、B、C相桥臂开关状态。
图4为该方法输出的电磁转矩波形，图5为电机转速波形，图6为全过程相电流波形。从图中可以看出该方法依据规划转矩曲线实现了三级式同步电机的快速转矩输出及转速升速，电流控制效果良好，满足预定要求。
本申请第二方面提供了一种与上述方法对应的基于模型预测控制的发电机起动控制装置，主要包括：
定子电流指令值确定模块，用于采集当前时刻的转速，并根据给定的起动转速与转矩的对应关系，确定当前时刻电磁转矩所需的定子电流指令值；
定子电流确定模块，用于采集当前时刻的发电机三相电流，并进行矢量变换得到当前时刻同步旋转坐标系下的定子电流；
电压矢量计算模块，用于对所有可能输出的门控信号组合，给出对应的电压矢量，其中，每一门控信号组合表征一种三相桥臂开关状态；
定子电流预测模块，用于对任一电压矢量，根据给定的预测模型预测下一时刻的定子电流；
跟随代价计算模块，用于对获得的下一时刻的多个定子电流，分别计算用于表征下一时刻的所述定子电流与当前时刻的所述电流指令值差距的跟随代价值，找出跟随代价值最小的定子电流；
指令选取模块，用于根据跟随代价值最小的定子电流确定对应的电压矢量，并根据该电压矢量确定对应的门控信号组合，以该门控信号组合控制三相桥臂开关状态。
在一些可选实施方式中，所述预测模型包括：
xe(k+1)＝Aexe(k)+Beue(k)+Ee
其中，
xe(k)＝[id(k) iq(k)]T
ue(k)＝[ud(k) uq(k)]T
Figure BDA0003291068680000091
Figure BDA0003291068680000092
Figure BDA0003291068680000093
其中，L为定子电感值，R为定子电阻值，Ψf为磁链值，ωe(k)为k时刻转子电角速度。
在一些可选实施方式中，所述定子电感值、定子电阻值及磁链值通过试验获得，所述转子电角速度由机械转速确定。
在一些可选实施方式中，所述跟随代价值通过跟随代价函数确定，所述跟随代价函数为：
Figure BDA0003291068680000094
其中，id *与iq *为当前时刻电磁转矩所需的定子电流指令值，id(k+1)与iq(k+1)为下一时刻的定子电流。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种基于模型预测控制的发电机起动控制方法，其特征在于，包括：
步骤S1、采集当前时刻的转速，并根据给定的起动转速与转矩的对应关系，确定当前时刻电磁转矩所需的定子电流指令值；
步骤S2、采集当前时刻的发电机三相电流，并进行矢量变换得到当前时刻同步旋转坐标系下的定子电流；
步骤S3、对所有可能输出的门控信号组合，给出对应的电压矢量，其中，每一门控信号组合表征一种三相桥臂开关状态；
步骤S4、对任一电压矢量，根据给定的预测模型预测下一时刻的定子电流；
步骤S5、对获得的下一时刻的多个定子电流，分别计算用于表征下一时刻的所述定子电流与当前时刻的所述电流指令值差距的跟随代价值，找出跟随代价值最小的定子电流；
步骤S6、根据跟随代价值最小的定子电流确定对应的电压矢量，并根据该电压矢量确定对应的门控信号组合，以该门控信号组合控制三相桥臂开关状态。
2.如权利要求1所述的基于模型预测控制的发电机起动控制方法，其特征在于，步骤S3中，所述门控信号组合包括八种。
3.如权利要求1所述的基于模型预测控制的发电机起动控制方法，其特征在于，所述预测模型包括：
xe(k+1)＝Aexe(k)+Beue(k)+Ee
其中，
xe(k)＝[id(k) iq(k)]T
ue(k)＝[ud(k) uq(k)]T
Figure FDA0003291068670000011
Figure FDA0003291068670000021
Figure FDA0003291068670000022
其中，L为定子电感值，R为定子电阻值，Ψf为磁链值，ωe(k)为k时刻转子电角速度。
4.如权利要求3所述的基于模型预测控制的发电机起动控制方法，其特征在于，所述定子电感值、定子电阻值及磁链值通过试验获得，所述转子电角速度由机械转速确定。
5.如权利要求1所述的基于模型预测控制的发电机起动控制方法，其特征在于，所述跟随代价值通过跟随代价函数确定，所述跟随代价函数为：
Figure FDA0003291068670000023
其中，
Figure FDA0003291068670000024
与
Figure FDA0003291068670000026
为当前时刻电磁转矩所需的定子电流指令值，id(k+1)与iq(k+1)为下一时刻的定子电流。
6.一种基于模型预测控制的发电机起动控制装置，其特征在于，包括：
定子电流指令值确定模块，用于采集当前时刻的转速，并根据给定的起动转速与转矩的对应关系，确定当前时刻电磁转矩所需的定子电流指令值；
定子电流确定模块，用于采集当前时刻的发电机三相电流，并进行矢量变换得到当前时刻同步旋转坐标系下的定子电流；
电压矢量计算模块，用于对所有可能输出的门控信号组合，给出对应的电压矢量，其中，每一门控信号组合表征一种三相桥臂开关状态；
定子电流预测模块，用于对任一电压矢量，根据给定的预测模型预测下一时刻的定子电流；
跟随代价计算模块，用于对获得的下一时刻的多个定子电流，分别计算用于表征下一时刻的所述定子电流与当前时刻的所述电流指令值差距的跟随代价值，找出跟随代价值最小的定子电流；
指令选取模块，用于根据跟随代价值最小的定子电流确定对应的电压矢量，并根据该电压矢量确定对应的门控信号组合，以该门控信号组合控制三相桥臂开关状态。
7.如权利要求6所述的基于模型预测控制的发电机起动控制装置，其特征在于，所述预测模型包括：
xe(k+1)＝Aexe(k)+Beue(k)+Ee
其中，
xe(k)＝[id(k) iq(k)]T
ue(k)＝[ud(k) uq(k)]T
Figure FDA0003291068670000031
Figure FDA0003291068670000032
Figure FDA0003291068670000033
其中，L为定子电感值，R为定子电阻值，Ψf为磁链值，ωe(k)为k时刻转子电角速度。
8.如权利要求7所述的基于模型预测控制的发电机起动控制装置，其特征在于，所述定子电感值、定子电阻值及磁链值通过试验获得，所述转子电角速度由机械转速确定。
9.如权利要求6所述的基于模型预测控制的发电机起动控制装置，其特征在于，所述跟随代价值通过跟随代价函数确定，所述跟随代价函数为：
Figure FDA0003291068670000034
其中，
Figure FDA0003291068670000035
与
Figure FDA0003291068670000036
为当前时刻电磁转矩所需的定子电流指令值，id(k+1)与iq(k+1)为下一时刻的定子电流。
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CN115622457A (zh) * 2022-09-26 2023-01-17 陕西航空电气有限责任公司 一种基于模型预测控制的永磁起动/发电机起动控制方法

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