CN115079575B - 一种基于有限控制集模型预测控制的永磁同步电机模拟器 - Google Patents

一种基于有限控制集模型预测控制的永磁同步电机模拟器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于有限控制集模型预测控制的永磁同步电机模拟器，利用有限控制集的思想提取开关状态作为控制量，对开关频率及调制模块则没有要求，使电机模拟器系统的开关损耗更低且不存在延迟，从而大大改善了系统动态特性。控制中相比现有技术能够有效解决LCL型接口电路结构复杂、易出现电流振荡的问题，使系统的稳定性显著提高。本发明的电机模拟器对于不同工况、不同型号的真实电机，均具有良好普适性并能达到精确的模拟效果，克服了现有测试方法中对台架的依赖，大大降低了研发成本。

Description

一种基于有限控制集模型预测控制的永磁同步电机模拟器
技术领域
本发明属于永磁同步电机系统硬件在环测试技术领域，具体涉及一种基于有限控制集模型预测控制的永磁同步电机模拟器。
背景技术
永磁同步电机的设计研发中，其驱动系统测试是提升性能的关键环节之一，现有的测试方式主要依靠基于真实电机搭建的机械负载台架来进行，在使用中普遍存在故障辨识困难、机械损耗大、可复用性差等问题，无法满足日益增长的测试需要。部分基于“数字仿真+功率器件”形式电机模拟器的现有技术，通过电磁仿真及数字模拟得到控制信号，进而驱动功率器件，能够实现对真实电机接口特性的有效模拟，从而在开发测试中省去测试台架的搭建。电机模拟器中的接口控制算法是电机模拟器系统的核心部分，本质上是电机控制器电流环的内环，其控制精度及鲁棒性是系统能否有效模拟真实电机的决定性因素。然而，现有电机模拟器中的接口控制算法普遍采用PID控制，由于接口电流耦合量多、存在非线性变量、易出现控制冲突，使得PID控制实际使用时效果欠佳，限制了电机模拟器模拟精度的提升。
发明内容
有鉴于此，针对上述本领域中存在的技术问题，本发明提供了一种基于有限控制集模型预测控制的永磁同步电机模拟器，由LCL型接口电路、实时处理器以及驱动电路组成；
其中，上述实时处理器用于运行电机模型，以及执行以下接口算法：
步骤一、首先对所述LCL型接口电路建立旋转坐标系下的d、q轴接口电压方程；对所述接口电压方程基于一阶欧拉公式执行向前离散化处理，并考虑电压输出延迟，得到下一采样时刻(k+1时刻)接口电流离散时间预测模型；
步骤二、针对驱动电路逆变器的所有可能开关状态进行建模；基于电机模拟器的接口电流预测值相对于由电机模型得到的相电流参考值的跟踪精度，设计代价函数并以系统决定的接口电流最大值确定代价函数的约束；
步骤三、选择切换不同逆变器开关状态，并将不同开关状态所对应的电压空间矢量依次输入所述接口电流离散时间预测模型及代价函数，预测下一采样时刻的接口电流，并通过遍历对比得到使所述代价函数最小的电压空间矢量作为最优控制量，与对应的开关状态共同作用于逆变器；
所述驱动电路基于实时处理器的控制输出三相电压，使LCL型接口电路的接口电流对相电流参考值实现跟踪；所述实时处理器采集所述电机模型输出的电机转速、转角等机械特性信号并反馈至外接待测电机控制器，实现电机控制系统的闭环测试。
进一步地，步骤一中具体建立以下形式的LCL型接口电路接口电压方程：
Figure BDA0003753335920000021
Figure BDA0003753335920000022
式中，uid、uiq、iid、iiq分别为接口电路输入侧电压、电流的d、q轴分量；uod、uoq、iod、ioq分别为接口电路输出侧电压、电流的d、q轴分量；uCd、uCq为滤波电容两侧电压；Li、Lo为输入侧、输出侧滤波电感；Ri、Ro为输入侧、输出侧滤波电感的内阻；RC为阻尼电阻；ωe为电角速度；t为时间变量；
基于一阶欧拉公式执行向前离散化后，得到下一采样时刻接口电流离散时间预测模型：
Figure BDA0003753335920000023
其中，
Figure BDA0003753335920000024
Figure BDA0003753335920000025
式中，io(k)、io(k+1)、ii(k)、ii(k+1)、uo(k)、ui(k)、uC(k)均为向量，分别表示为：
Figure BDA0003753335920000026
进一步地，驱动电路具体选用三相两电平电压源型逆变器，则在步骤二中对其开关状态建模包含三相电路桥臂功率开关器件的8种开关状态，对应于8个电压空间矢量：U1(000)、U2(001)、U3(010)、U4(011)、U5(100)、U6(101)、U7(110)、U8(111)；
所述代价函数具体设计为以下形式：
Figure BDA0003753335920000031
式中，
Figure BDA0003753335920000032
为电机模型计算得到的相电流参考值，
Figure BDA0003753335920000033
Figure BDA0003753335920000034
为接口电流约束，满足：
Figure BDA0003753335920000035
式中，imax表示由系统决定的接口电流最大值。
进一步地，步骤三的具体执行过程包括：
(1)采集当前时刻(k时刻)的接口电流ii(k)以及待测控制器输出的三相电压，输入电机模型计算得到相电流参考值
Figure BDA0003753335920000036
(2)利用所述接口电流离散时间预测模型，对各开关状态对应的电压空间矢量在下一采样时刻(k+1时刻)的接口电流ii(k+1)进行预测；
(3)通过代价函数对各接口电流预测结果和电压空间矢量进行遍历对比，确定出使代价函数最小的电压空间矢量及对应开关状态，输出到驱动电路并开始下一采样时刻的预测控制。
上述本发明所提供的基于有限控制集模型预测控制的永磁同步电机模拟器，利用有限控制集的思想提取开关状态作为控制量，对开关频率及调制模块则没有要求，使电机模拟器系统的开关损耗更低且不存在延迟，从而大大改善了系统动态特性。控制中相比现有技术能够有效解决LCL型接口电路结构复杂、易出现电流振荡的问题，使系统的稳定性显著提高。本发明的电机模拟器对于不同工况、不同型号的真实电机，均具有良好普适性并能达到精确的模拟效果，克服了现有测试方法中对台架的依赖，大大降低了研发成本。
附图说明
图1为包含本发明所提供的永磁同步电机模拟器的控制系统框架；
图2为本发明所提供的永磁同步电机模拟器中LCL型接口电路拓扑机构；
图3为本发明所提供的永磁同步电机模拟器执行的接口算法框架；
图4为接口算法的具体流程。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明所提供的基于有限控制集模型预测控制的永磁同步电机模拟器，如图1所示，由LCL型接口电路、实时处理器以及驱动电路组成；
其中，上述实时处理器用于运行电机模型，以及执行如图3所示的以下接口算法：
步骤一、首先对所述LCL型接口电路建立旋转坐标系下的d、q轴接口电压方程；对所述接口电压方程基于一阶欧拉公式执行向前离散化处理，并考虑电压输出延迟，得到下一采样时刻(k+1时刻)接口电流离散时间预测模型；
步骤二、针对驱动电路逆变器的所有可能开关状态进行建模；基于电机模拟器的接口电流预测值相对于由电机模型得到的相电流参考值的跟踪精度，设计代价函数并以系统决定的接口电流最大值确定代价函数的约束；
步骤三、选择切换不同逆变器开关状态，并将不同开关状态所对应的电压空间矢量依次输入所述接口电流离散时间预测模型及代价函数，预测下一采样时刻的接口电流，并通过遍历对比得到使所述代价函数最小的电压空间矢量作为最优控制量，与对应的开关状态共同作用于逆变器；
所述驱动电路基于实时处理器的控制输出三相电压，使LCL型接口电路的接口电流对相电流参考值实现跟踪；所述实时处理器采集所述电机模型输出的电机转速、转角等机械特性信号并反馈至外接待测电机控制器，实现电机控制系统的闭环测试。
在本发明的一个优选实施方式中，步骤一中具体针对如图2所示的LCL型接口电路拓扑结构，建立以下形式的接口电压方程：
Figure BDA0003753335920000041
Figure BDA0003753335920000042
式中，uid、uiq、iid、iiq分别为接口电路输入侧电压、电流的d、q轴分量；uod、uoq、iod、ioq分别为接口电路输出侧电压、电流的d、q轴分量；uCd、uCq为滤波电容两侧电压；Li、Lo为输入侧、输出侧滤波电感；Ri、Ro为输入侧、输出侧滤波电感的内阻；RC为阻尼电阻；ωe为电角速度；t为时间变量；
基于一阶欧拉公式执行向前离散化后，得到下一采样时刻接口电流离散时间预测模型：
Figure BDA0003753335920000051
其中，
Figure BDA0003753335920000052
Figure BDA0003753335920000053
式中，io(k)、io(k+1)、ii(k)、ii(k+1)、uo(k)、ui(k)、uC(k)均为向量，分别表示为：
Figure BDA0003753335920000054
在本发明的一个优选实施方式中，驱动电路具体选用三相两电平电压源型逆变器，则在步骤二中对其开关状态建模包含三相电路桥臂功率开关器件的8种开关状态，对应于8个电压空间矢量：U1(000)、U2(001)、U3(010)、U4(011)、U5(100)、U6(101)、U7(110)、U8(111)；
所述代价函数具体设计为以下形式：
Figure BDA0003753335920000055
式中，
Figure BDA0003753335920000056
为电机模型计算得到的相电流参考值，
Figure BDA0003753335920000057
Figure BDA0003753335920000058
为接口电流约束，满足：
Figure BDA0003753335920000059
式中，imax表示由系统决定的接口电流最大值。
在本发明的一个优选实施方式中，步骤三的具体执行过程如图4所示，包括：
(1)采集当前时刻(k时刻)的接口电流ii(k)以及待测控制器输出的三相电压，输入电机模型计算得到相电流参考值
Figure BDA0003753335920000061
(2)利用所述接口电流离散时间预测模型，对各开关状态对应的电压空间矢量在下一采样时刻(k+1时刻)的接口电流ii(k+1)进行预测；
(3)通过代价函数对各接口电流预测结果和电压空间矢量进行遍历对比，确定出使代价函数最小的电压空间矢量及对应开关状态，输出到驱动电路并开始下一采样时刻的预测控制。
本发明所提供电机模拟器中的实时处理器可具体采用FPGA芯片搭配DSP芯片的双高速芯片形式，由FPGA芯片负责运行电机模型，DSP芯片则负责运行接口控制算法。
应理解，本发明实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.一种基于有限控制集模型预测控制的永磁同步电机模拟器，其特征在于：由LCL型接口电路、实时处理器以及驱动电路组成；
其中，上述实时处理器用于运行电机模型，以及执行以下接口算法：
步骤一、首先对所述LCL型接口电路建立旋转坐标系下的d、q轴接口电压方程；对所述接口电压方程基于一阶欧拉公式执行向前离散化处理，并考虑电压输出延迟，得到下一采样时刻接口电流离散时间预测模型；
步骤二、针对驱动电路逆变器的所有可能开关状态进行建模；基于电机模拟器的接口电流预测值相对于由电机模型得到的相电流参考值的跟踪精度，设计代价函数并以系统决定的接口电流最大值确定代价函数的约束；
步骤三、选择切换不同逆变器开关状态，并将不同开关状态所对应的电压空间矢量依次输入所述接口电流离散时间预测模型及代价函数，预测下一采样时刻的接口电流，并通过遍历对比得到使所述代价函数最小的电压空间矢量作为最优控制量，与对应的开关状态共同作用于逆变器；
所述驱动电路基于实时处理器的控制输出三相电压，使LCL型接口电路的接口电流对相电流参考值实现跟踪；所述实时处理器采集所述电机模型输出的电机转速、转角信号并反馈至外接待测电机控制器，实现电机控制系统的闭环测试；
上述步骤一中具体建立以下形式的LCL型接口电路接口电压方程：
Figure FDA0004054962430000011
Figure FDA0004054962430000012
式中，uid、uiq、iid、iiq分别为接口电路输入侧电压、电流的d、q轴分量；uod、uoq、iod、ioq分别为接口电路输出侧电压、电流的d、q轴分量；uCd、uCq为滤波电容两侧电压；Li、Lo为输入侧、输出侧滤波电感；Ri、Ro为输入侧、输出侧滤波电感的内阻；RC为阻尼电阻；ωe为电角速度；t为时间变量；
基于一阶欧拉公式执行向前离散化后，得到下一采样时刻接口电流离散时间预测模型：
Figure FDA0004054962430000013
其中，
Figure FDA0004054962430000021
Figure FDA0004054962430000022
式中，io(k)、io(k+1)、ii(k)、ii(k+1)、uo(k)、ui(k)、uC(k)均为向量，分别表示为：
io(k+1)＝[iod(k+1) ioq(k+1)]T
ii(k+1)＝[iid(k+1) iiq(k+1)]T
io(k)＝[iod(k) ioq(k)]T
ii(k)＝[iid(k) iiq(k)]T
uo(k)＝[uod(k) uoq(k)]T
ui(k)＝[uid(k) uiq(k)]T
uC(k)＝[uCd(k) uCq(k)]T
所述驱动电路具体选用三相两电平电压源型逆变器，则在步骤二中对其开关状态建模包含三相电路桥臂功率开关器件的8种开关状态，对应于8个电压空间矢量：U1(000)、U2(001)、U3(010)、U4(011)、U5(100)、U6(101)、U7(110)、U8(111)；
所述代价函数具体设计为以下形式：
Figure FDA0004054962430000023
式中，
Figure FDA0004054962430000024
为电机模型计算得到的相电流参考值，
Figure FDA0004054962430000025
为接口电流约束，满足：
Figure FDA0004054962430000026
式中，imax表示由系统决定的接口电流最大值；
步骤三的具体执行过程包括：
(1)采集当前k时刻的接口电流ii(k)以及待测控制器输出的三相电压，输入电机模型计算得到相电流参考值
Figure FDA0004054962430000027
(2)利用所述接口电流离散时间预测模型，对各开关状态对应的电压空间矢量在k+1时刻的接口电流ii(k+1)进行预测；
(3)通过代价函数对各接口电流预测结果和电压空间矢量进行遍历对比，确定出使代价函数最小的电压空间矢量及对应开关状态，输出到驱动电路并开始下一采样时刻的预测控制。
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