無需權重係數整定的預測轉矩控制方法與流程

2023-06-19 06:38:06 2

本發明屬於永磁同步電動機技術領域，具體涉及一種無需權重係數整定的預測轉矩控制方法。

背景技術：

永磁同步電動機因其功率密度大、運行可靠性強等諸多優點被廣泛應用於航空航天、機械製造、軌道交通等諸多工業領域。電壓型逆變器作為為表貼式-永磁同步電機最常用的驅動電源，近年來受到廣泛的研究，並且被引入了多種新型算法。有限集-模型預測控制作為一種具有運算量大的特點的新型控制算法，隨著數位訊號處理器處理能力的提高也被應用於電壓型逆變器饋電的永磁同步電機。

有限集-模型預測控制在當前控制周期內對每個開關狀態所產生的電機輸出結果進行預測，將預測結果與所期望結果最相近的開關狀態作為最佳開關狀態應用於下一控制周期。價值函數作為有限集-模型預測控制的一個異於其它控制方法的特點，被用來評價預測結果與期望結果相近程度。同時價值函數可以包含不同類型電機輸出類型來對多種電機輸出進行預測控制。作為有限集-模型預測控制的一種，標準預測轉矩控制策略通過將轉矩和磁鏈兩個電機輸出引入價值函數來實現對轉矩和磁鏈直接進行控制。其價值函數包括期望轉矩與預測轉矩的差的絕對值和期望磁鏈與預測磁鏈的差的絕對值。由於轉矩與磁鏈不是同一量綱，導致在價值函數無法均衡衡量預測轉矩和預測磁鏈與期望值的偏差程度，所以標準預測轉矩控制策略的價值函數中磁鏈差的絕對值前有一個權重係數，預測轉矩控制策略正是靠這個權重係數來調節磁鏈差值的影響程度進而使價值函數可以同比重的衡量磁鏈和轉矩的偏差程度。但是權重係數往往需要多次修改然和觀察結果來確定最合適的值，這給預測轉矩控制策略的應用帶來了一些麻煩。

技術實現要素：

(一)要解決的技術問題

本發明要解決的技術問題是：如何提供一種無需權重係數整定的預測轉矩控制方法。

傳統預測轉矩控制由價值函數、電機模型和有限控制集三部分組成。其中電機模型用來預測下一時刻電機的轉矩與定子磁鏈輸出，價值函數用來從有限控制集中選擇出最優電壓矢量，通常的表達形式為：

式中，n＝0…7代表兩電平逆變器輸出的8個電壓矢量，在傳統預測轉矩控制中該8個矢量組成有限控制集；Ten代表第n個電壓矢量作用下(k+1)時刻的電磁轉矩值；Ψen代表第n個電壓矢量作用下(k+1)時刻的定子磁鏈；Qψ代表權重係數，該值影響電磁轉矩與定子磁鏈在價值函數中的重要性，直接影響預測轉矩控制的效果。

公式(1)用來計算有限控制集中的一個電壓矢量的價值函數值，公式(2)用來選擇有限控制集中價值函數值最小的電壓矢量作為最優電壓矢量，價值函數值小的電壓矢量可以生成與期望轉矩與磁鏈誤差值最小的下一時刻轉矩磁鏈，即最優電壓矢量可以保證下一時刻電機輸出儘可能靠近期望值。

從公式(1)可以看出，價值函數中由於包含了非同一量綱的轉矩與磁鏈兩項，所以必須加入一個權重係數Q來協調轉矩誤差與磁鏈誤差這兩項對最優電壓矢量選擇的影響。權重係數給預測轉矩控制的應用帶來了一些麻煩，因為權重係數的確定需要多次嘗試和調整，而且在不同運行狀態下需要不同的值才能達到最優的運行狀態。這就是權重係數整定的技術問題。

(二)技術方案

為解決上述技術問題，本發明提供一種無需權重係數整定的預測轉矩控制方法，該方法包括如下步驟：

步驟1：編碼器獲取電機轉子角度θr和轉速ωr，設定速度參考值採用比例-積分控制器獲得參考轉矩值

步驟2：霍爾傳感器獲取定子電流isk在本控制周期的採樣值，利用磁鏈和轉矩觀測器來計算當前時刻定子磁鏈Ψsk、轉子磁鏈與轉矩Tek；

步驟3：針對每個電壓矢量預測下一控制周期的定子電流isk+1、定子磁鏈值Ψsk+1與轉矩值

步驟4：針對每個電壓矢量，分別計算其兩種輸出效果步數CTe和CΨ；

式中，CTe為轉矩輸出效果步數；為期望轉矩輸出；為當前k時刻轉矩輸出；為(k+1)時刻轉矩輸出；CΨ為磁鏈幅值輸出效果步數；|Ψs|ref為期望磁鏈幅值輸出；|Ψsk|為當前k時刻磁鏈幅值輸出；||Ψsk+1|為(k+1)時刻磁鏈幅值輸出；

步驟5：利用基於步數的價值函數計算每個電壓矢量對應的價值函數值，選出價值函數值為正且最小的最優電壓矢量；

步驟6：在下一控制周期應用所選出的最優電壓矢量。

(三)有益效果

與現有技術相比較，本發明技術方案中，由於新的價值函數中只有控制周期這一量綱，故避免了權重係數的整定問題。新型預測轉矩控制針對第i個電壓矢量通過式(3)和式(4)分別算出其效果步數CTe和CΨ，然後代入式(5)算出其價值函數值。當價值函數gi為-1時，即說明對應的第i個電壓矢量會使轉矩和磁鏈幅值中至少一項偏離期望值，故當價值函數gi為-1時，對應的第i個電壓矢量Vi應被捨棄。具有最小正值的價值函數所對應的電壓矢量即是最優矢量。這樣既保證了電機的轉矩與磁鏈輸出在期望值周圍，也避免了權重係數整定的問題。

附圖說明

圖1為本發明技術方案的原理圖。

具體實施方式

為使本發明的目的、內容、和優點更加清楚，下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式作進一步詳細描述。

由於傳統預測轉矩控制策略的價值函數中的轉矩與磁鏈並非同一量綱，所以傳統預測轉矩控制策略存在權重係數難以整定的問題。本發明提出的新型預測轉矩控制策略通過用步數的方式來衡量電壓矢量對轉矩和磁鏈幅值的作用效果，從而將轉矩與磁鏈幅值與期望值的差值共同表現為統一量綱的步數，解決了權重係數難以調節的問題。

為解決上述技術問題，本發明提供一種無需權重係數整定的預測轉矩控制方法，該方法包括如下步驟：

步驟1：編碼器獲取電機轉子角度θr和轉速ωr，設定速度參考值採用比例-積分控制器獲得參考轉矩值

步驟2：霍爾傳感器獲取定子電流isk在本控制周期的採樣值，利用磁鏈和轉矩觀測器來計算當前時刻定子磁鏈Ψsk、轉子磁鏈與轉矩Tek；

步驟3：針對每個電壓矢量預測下一控制周期的定子電流isk+1、定子磁鏈值Ψsk+1與轉矩值Tek+1；

步驟4：針對每個電壓矢量，分別計算其兩種輸出效果步數CTe和CΨ；

式中，CTe為轉矩輸出效果步數；Teref為期望轉矩輸出；Tek為當前k時刻轉矩輸出；Tek+1為(k+1)時刻轉矩輸出；CΨ為磁鏈幅值輸出效果步數；|Ψs|ref為期望磁鏈幅值輸出；|Ψsk|為當前k時刻磁鏈幅值輸出；||Ψsk+1|為(k+1)時刻磁鏈幅值輸出；

步驟5：利用基於步數的價值函數計算每個電壓矢量對應的價值函數值，選出價值函數值為正且最小的最優電壓矢量；

步驟6：在下一控制周期應用所選出的最優電壓矢量。

下面結合具體實施例來詳細描述本發明。

實施例

本實施例具體內容如下：

(1)編碼器獲取電機轉子角度θr和轉速ωr，設定速度參考值採用比例-積分控制器獲得參考轉矩值

(2)霍爾傳感器獲取定子電壓Udc與定子電流isk在本控制周期的採樣值，利用磁鏈和轉矩觀測器來計算當前時刻定子磁鏈Ψsk、轉子磁鏈Ψrk與轉矩Tek；

(2.1)磁鏈觀測器計算獲得當前時刻的轉子磁鏈與定子磁鏈Ψsk

ψrk＝ψ·θr (6)

ψsk＝Lsisk+ψrk (7)

式中，Ψ是電機的轉子磁鏈幅值，是一個每臺電機都有的定值；Ls是定子電感。

(2.2)轉矩觀測器計算獲得當前時刻的轉矩Tek

(3)針對每個電壓矢量預測下一控制周期的定子電流isk+1、定子磁鏈值Ψsk+1與轉矩值Tek+1；

(3.1)根據電機模型預測每個電壓矢量下一控制周期的定子電流isk+1

(3.2)根據電機模型預測每個電壓矢量下一控制周期的定子磁鏈值Ψsk+1

(3.3)根據電機模型預測每個電壓矢量下一控制周期的轉矩值Tek+1

(4)針對每個電壓矢量，分別計算其兩種輸出效果步數CTe和CΨ；

式中，CTe為轉矩輸出效果步數；Teref為期望轉矩輸出；Tek為當前k時刻轉矩輸出；Tek+1為(k+1)時刻轉矩輸出；CΨ為磁鏈幅值輸出效果步數；|Ψs|ref為期望磁鏈幅值輸出；|Ψsk|為當前k時刻磁鏈幅值輸出；|Ψsk+1|為(k+1)時刻磁鏈幅值輸出。

(5)利用基於步數的價值函數計算每個電壓矢量對應的價值函數值，選出價值函數值為正且最小的最優電壓矢量；

(6)在下一控制周期應用所選出的最優電壓矢量。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也應視為本發明的保護範圍。