CN114123883B - 用于永磁同步直线电机助推发射的控制方法、装置及介质 - Google Patents

用于永磁同步直线电机助推发射的控制方法、装置及介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于永磁同步直线电机助推发射的控制方法、装置及介质，该控制方法包括采集电机的三相电流ia、ib、ic变换为id和iq；确定逆变器每组开关量对应的桥臂电压uα、uβ变换为ud、uq；根据直线电机定子绕组分段情况及定子和动子的长度关系，计算每块定子板的反电动势系数及出力系数K；将逆变器每组开关量对应的桥臂电压dq轴分量代入电流预测模型预测k+1时刻的dq轴电流值；将k+1时刻的dq轴电流值代入代价函数选取开关量来控制逆变器各个开关管的通断。本发明将每块定子板上反电动势系数K引入电流预测中，提高电流预测的准确性，降低了动子运行时的推力波动。

Description

用于永磁同步直线电机助推发射的控制方法、装置及介质
技术领域
本发明涉及直线电机助推发射技术领域，特别涉及一种用于永磁同步直线电机助推发射的控制方法。
背景技术
由于无人机直线电机助推发射系统具有较长行程的特点，目前多采用初级分段式永磁同步直线电机。但初级分段直线电机的每段定子之间绕组不连续，使得段间区域电磁参数会随着动子和定子间的耦合面积变化呈现非周期性的变化，从而增加了控制难度。动子在相邻两段定子间跨段运行时，每段定子的反电动势有所不同，定子的出力也会变化，容易引起推力波动，影响系统的动态性能。已有文献中，针对初级分段直线电机动子跨段运行的研究并不多，普遍采用传统的矢量控制或直接转矩控制方式，这些控制方法虽然简单，但存在动子跨段运行产生的推力波动问题，大大影响了系统的动态性能。目前，针对初级分段直线电机动子跨段运行的电流控制方法的研究还有待提高，如何使得系统具有良好的动态性能以及较小的段间推力波动，是亟待解决的问题。
众所周知，模型预测控制具有极为优良的动态控制性能，但因其计算量大、依赖控制对象模型等缺点，限制了其发展，尤其在初级分段直线电机中，存在动子跨段运行的过程，从而降低了预测模型的准确性，影响控制性能。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的第一目的在于提供一种适用于初级分段式永磁同步直线电机助推发射的控制方法。
本发明的第二目的在于提供一种适用于初级分段式永磁同步直线电机助推发射的控制装置。
本发明的第三目的在于提供一种计算机可读介质。
为实现上述目的，本发明第一方面用于永磁同步直线电机助推发射的控制方法，包括如下步骤：
采集电机的三相电流ia、ib、ic，将三相电流经过Clark变换为iα和iβ，再将 iα和iβ经过Park变换为id和iq；
确定逆变器每组开关量对应的桥臂电压uα、uβ，经过Park变换为ud、uq；
根据直线电机定子绕组分段情况及定子和动子的长度关系，计算每块定子板的反电动势系数及出力系数K；
将逆变器每组开关量对应的桥臂电压dq轴分量ud、uq代入电流预测模型预测k+1时刻的dq轴电流值id(k+1)和iq(k+1)；
将k+1时刻的dq轴电流值id(k+1)和iq(k+1)代入代价函数选取开关量来控制逆变器各个开关管的通断。
进一步，在直线电机动子长度L2小于定子长度L1且动子由初始位置运动到 L1-L2位置时，相邻定子板的反电动势系数及出力系数为K1＝1，K2＝0；动子由L1-L2位置运动到L1位置过程，相邻两个定子板的反电动势系数及出力系数为 K1＝(L1-s)/L2，K2＝1-K1；动子位移在L1和2L1-L2之间时，相邻两个定子板的电动势系数及出力系数为K1＝0，K2＝1。
进一步，在直线电机动子长度L2大于定子长度L1且动子由初始位置运动到 2L1-L2位置时，相邻三个定子板的反电动势系数及出力系数为K1＝(L1-s)/L2， K2＝(L2+s-L1)/L2，K3＝0；动子位移在2L1-L2和L1之间时，相邻三个定子板的反电动势系数及出力系数为K1＝(L1-s)/L2，K2＝1，K3＝(s+L2-2L1)/L2。
进一步，所述电流预测模型为：
其中，Ts为采样周期，Rs为定子电阻，Ld、Lq为定子电感Ls的dq轴分量，ωe为电机电角速度，ud、uq为电机桥臂电压的dq轴分量，Ψf为动子永磁体磁链。
本发明第二方面提供一种用于永磁同步直线电机助推发射的控制装置，包括一个或多个处理器；以及
存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器执行如第一方面所述的控制方法。
本发明第三方面提供一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如第一方面所述的控制方法。
本发明的控制方法考虑动子运行过程中引起的每段定子上的反电动势不同，将每块定子板上反电动势系数K引入电流预测中，提高电流预测的准确性，从而使动子在相邻两段定子间跨段运行时推力波动降低约30％，能够快速并稳定地实现加速助推和匀速返回过程，提高了系统的动态性能。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为无人机直线电机全发射过程示意图；
图2为定子长度长于动子的情况下动子在相邻定子间切换运行过程示意图；
图3为动子长度长于定子的情况下动子在相邻定子间切换运行过程示意图；
图4为两电平逆变器拓扑图；
图5为本发明一实施例控制方法的流程图；
图6为本发明电流预测模型控制策略控制框图；
图7为动子匀速返回控制策略控制框图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。
此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知方法、装置、实现或者操作以避免模糊本发明的各方面。
附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。
图1是无人机直线电机全发射过程示意图，该图包括两个环节，动子加速助推环节和匀速返回环节。加速助推环节中，t1、t2时刻动子推动负载加速前进。 t3时刻抛载，动子减速；t4～t6时刻动子匀速返回原位。
图2和图3为本发明提供的动子在相邻定子间切换运行过程示意图，其中图2为定子长于动子的情况，图3为动子长于定子的情况。假设每块定子长度为L1，动子长度为L2，以图2为例，动子由初始位置(位移s＝0)运动到s＝L1-L2位置时，逆变器1工作为第一块定子板供电，第一块定子板的反电动势系数及出力系数K1＝1；当动子由s＝L1-L2位置运动到s＝L1位置的过程中，逆变器1与逆变器2同时工作，为定子板1和2同时供电，定子板1的反电动势系数及出力系数K1＝(L1-s)/L2，定子板2的反电动势系数及出力系数K2＝1-K1；当动子位移s在L1和2L1-L2之间时，只有逆变器2工作，为定子板2供电，定子板1的反电动势系数及出力系数K1＝0，定子板2的反电动势系数及出力系数K2＝1，以此类推(包括动子返回过程)。需要说明的是，每块定子板的长度可不等，不局限于L1。
以图3为例，动子由初始位置(位移s＝0)运动到s＝2L1-L2位置时，逆变器 1和逆变器2同时工作为定子板1和2供电，第一块定子板的反电动势系数及出力系数K1＝(L1-s)/L2，第二块定子板的反电动势系数及出力系数K2＝(L2+s-L1)/L2；当动子位移s在2L1-L2和L1之间时，逆变器1、2、3同时工作，为定子板1、2、 3供电，定子1的反电动势系数及出力系数K1＝(L1-s)/L2，定子2的反电动势系数及出力系数K2＝1，定子3的反电动势系数及出力系数K3＝(s+L2-2L1)/L2，以此类推(包括动子返回过程)。需要说明的是，每块定子板的长度可不等，不局限于L1。
图4是两电平逆变器拓扑图，在此以两电平逆变器为例进行说明。两电平逆变器共三个桥臂，分别为a、b、c三相，直流电源为Udc。在此，电机采用的是三相永磁同步直线电机。逆变器主电路包括直流支撑电容C，功率器件S1～S6。直流支撑电容选用薄膜电容，具有纹波电流通过能力强、等效阻抗小、寿命长的优点；功率器件选用智能功率模块，集驱动和保护功能于一体，能够简化系统结构，提高设备可靠性。
下面具体说明应用于无人机直线电机助推发射的新型控制策略的控制方法：
如图5所示，本发明第一方面提供一种永磁同步直线电机助推发射的控制方法，包括如下步骤：
步骤S510：采集电机的三相电流ia、ib、ic，将三相电流经过Clark变换为iα和iβ，再将iα和iβ经过Park变换为id和iq。
步骤S520：确定逆变器每组开关量对应的桥臂电压uα、uβ，经过Park变换为ud、uq。
步骤S530：根据直线电机定子绕组分段情况及定子和动子的长度关系，计算每块定子板的反电动势系数及出力系数K；
步骤S540：将逆变器每组开关量对应的桥臂电压dq轴分量ud、uq代入电流预测模型预测k+1时刻的dq轴电流值id(k+1)和iq(k+1)；
步骤S550：将k+1时刻的dq轴电流值id(k+1)和iq(k+1)代入代价函数选取开关量来控制逆变器各个开关管的通断。
上述的逆变器可以采用上述控制方法进行控制，具体地，图6为本发明电流预测模型控制策略控制框图，系统采集直线电机的三相交流电流ia、ib、ic，经过Clark和Park变换为id和iq。已知三相永磁同步电机的连续状态空间方程为：
其中，Rs为定子电阻，Ld、Lq为定子电感Ls的dq轴分量，ωe为电机电角速度，ud、uq为电机桥臂电压的dq轴分量，Ψf为动子永磁体磁链。
选取前向欧拉法对系统进行离散化，前向欧拉公式如下：
其中，Ts为采样周期，i(k)表示第k个采样时刻状态变量i的值。利用前向欧拉离散法对定子电压状态方程式(1)进行离散化可得永磁同步电机离散模型：
从而可根据第k个采样时刻得到dq轴定子电流值计算任意输入电压作用下未来k+1时刻的dq轴定子电流预测值，可得永磁同步电机离散预测模型如下所示：
式中，右上角p代表预测值。
根据永磁同步直线电机特性可知，式(4)中的是表征反电动势的量，随着动子在相邻定子板之间切换的过程中，定子产生的反电动势有所不同，因此，对于直线电机而言，式(4)需经过如下处理：
其中，K为不同定子板的反电动势系数。对于永磁同步直线电机而言，电流模型预测控制必须将不同定子板的反电动势变化情况引入电流预测控制中，才能更准确地预测下一时刻电流值，从而使动子在相邻两段定子间跨段运行时推力波动降低，提高系统的动态性能。
图6中代价函数是选取开关量的关键，在此选取模型预测控制中较为常规的方法：
其中，m、n为权重系数，f(id,iq)如下所示：
其中，imax为电机电流最大值。
由已有技术可知，每一组开关量均对应一组桥臂电压dq轴分量ud、uq，在新型控制策略中，每一组ud、uq、K均可预测一组将预测电流值代入式(6)中，可得每组开关量对应的代价函数g，可令g取最小来确定应选取的开关量，从而实现逆变器控制。
图7为动子匀速返回控制策略控制框图，包括转速模型预测控制和新型电流模型预测控制两个环节。其中，转速模型预测控制采用常规方法，结合新型电流预测控制策略，实现动子快速并稳定回位。
本发明第二方面提供一种用于永磁同步直线电机助推发射的控制装置，包括一个或多个处理器；以及
存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器执行如第一方面所述的控制方法。
本发明第三方面提供一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如第一方面所述的控制方法。
根据本发明的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本发明的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质被安装。在该计算机程序被中央处理单元(CPU) 执行时，执行本申请的系统中限定的上述功能。
需要说明的是，本发明所示的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本发明中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本发明中，计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线、电线、光缆、 RF等等，或者上述的任意合适的组合。
附图中的流程图和框图，图示了按照本发明各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，上述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图或流程图中的每个方框、以及框图或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
描述于本发明实施例中所涉及到的模块可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现，所描述的模块也可以设置在处理器中。其中，这些模块的名称在某种情况下并不构成对该模块本身的限定。
应当注意，尽管在上文详细描述中提及了用于动作执行的设备的若干模块或者单元，但是这种划分并非强制性的。实际上，根据本发明的实施方式，上文描述的两个或更多模块或者单元的特征和功能可以在一个模块或者单元中具体化。反之，上文描述的一个模块或者单元的特征和功能可以进一步划分为由多个模块或者单元来具体化。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员易于理解，这里描述的示例实施方式可以通过软件实现，也可以通过软件结合必要的硬件的方式来实现。因此，根据本发明实施方式的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等) 中或网络上，包括若干指令以使得一台计算设备(可以是个人计算机、服务器、触控终端、或者网络设备等)执行根据本发明实施方式的方法。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (3)

1.一种用于永磁同步直线电机助推发射的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
采集电机的三相电流ia、ib、ic，将三相电流经过Clark变换为iα和iβ，再将iα和iβ经过Park变换为id和iq；
确定逆变器每组开关量对应的桥臂电压uα、uβ，经过Park变换为ud、uq；
根据直线电机定子绕组分段情况及定子和动子的长度关系，计算每块定子板的反电动势系数及出力系数K；在直线电机动子长度L2小于定子长度L1且动子由初始位置运动到L1-L2位置时，相邻两个定子板的反电动势系数及出力系数为K1＝1，K2＝0；动子由L1-L2位置运动到L1位置过程，相邻两个定子板的反电动势系数及出力系数为K1＝(L1-s)/L2，K2＝1-K1；动子位移在L1和2L1-L2之间时，相邻定子板的电动势系数及出力系数为k1＝0，k2＝1；在直线电机动子长度L2大于定子长度L1且动子由初始位置运动到2L1-L2位置时，相邻三个定子板的反电动势系数及出力系数为K1＝(L1-s)/L2，K2＝(L2+s-L1)/L2，K3＝0；动子位移在2L1-L2和L1之间时，相邻三个定子板的反电动势系数及出力系数为K1＝(L1-s)/L2，K2＝1，K3＝(s+L2-2L1)/L2；
将逆变器每组开关量对应的桥臂电压dq轴分量ud、uq代入电流预测模型预测k+1时刻的dq轴电流值id(k+1)和iq(k+1)；所述电流预测模型为：
其中，Ts为采样周期，Rs为定子电阻，Ld、Lq为定子电感Ls的dq轴分量，ωe为电机电角速度，ud、uq为电机桥臂电压的dq轴分量，Ψf为动子永磁体磁链，K为不同定子板的反电动势系数及出力系数；
将k+1时刻的dq轴电流值id(k+1)和iq(k+1)代入代价函数选取开关量来控制逆变器各个开关管的通断。
2.一种用于永磁同步直线电机助推发射的控制装置，其特征在于，包括一个或多个处理器；以及
存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器执行如权利要求1所述的控制方法。
3.一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1所述的控制方法。
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