五橋臂雙永磁電機轉矩轉速協同模型預測控制裝置和方法與流程

文檔序號：12689851閱讀：716來源：國知局

本發明涉及一種模型預測控制方法。特別是涉及一種應用于五橋臂雙永磁電機控制系統的模型預測控制方法。

背景技術：

雙電機的協同驅動系統已經開始廣泛應用于礦井、冶金、港口等諸多行業，以改善傳統單電機驅動可靠性較低，控制性能差，系統機械傳動機構復雜，單臺電機功率要求較高等問題。

傳統的雙電機驅動系統中，兩臺電機分別由兩臺變頻器進行控制，電機之間不存在電氣耦合。現代先進雙電機控制系統將網側變流器進行合并，實現了共直流母線結構，簡化了拓撲結構。為了進一步簡化雙電機控制系統，一些學者針對逆變側提出了五橋臂拓撲結構，對比傳統的逆變側結構，五橋臂逆變器減少了一個橋臂，簡化了結構并提高了系統的可靠性，在近年來得到了許多學者的關注。但是，由于五橋臂逆變器中，兩電機公用一個橋臂，因此造成了兩電機電氣上的耦合，如何在簡化拓撲結構的基礎上提高兩電機的控制性能，是目前的一個研究難點。

針對上述問題，一些學者提出了半周期調制策略，提高了兩電機對直流母線的電壓利用率。然而，上述算法雖然改進了調制算法，但并未將功率器件的開關狀態與電機的控制目標直接相聯系，同時，由于電流環仍采用PI控制器，電機的轉矩響應速度較低。

近些年來，隨著高性能微處理器的發展，在電機驅動、電源、新能源領域，模型預測控制以其獨有的特點而被得到廣泛的關注。一些學者將模型預測控制應用于五橋臂逆變器，對32種開關狀態的電流控制效果進行分別預測，并采用價值函數進行評估和優化，提高了雙電機控制系統的轉矩響應速度。但是，該類方法并沒有針對五橋臂變流器提出有效的轉矩同步控制策略，也未改善兩電機速度外環的同步性能。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是，提供一種方法，能夠在不改變五橋臂雙永磁電機控制系統硬件電路的基礎上，有效地提高電機轉矩響應速度，同時有效地提高兩電機系統轉速、轉矩的同步性能。

本發明所采用的技術方案是：五橋臂雙永磁電機轉矩轉速協同模型預測控制方法，將三相電網和不可控整流橋的輸出作為五橋臂逆變器的輸入，五橋臂逆變器的每一個臂均由串接的兩個開關管構成，串接點輸出控制兩臺三相永磁同步電機的一個相，其中第3個臂同時控制兩臺三相永磁同步電機的各一個相，還包括如下具體步驟：

1、雙永磁電機系統電氣量采集與計算，包括：

(1)采集兩臺電機的轉速，結合兩臺電機共同的轉速參考值，計算兩臺電機在兩相旋轉dq坐標系上的q軸定子參考電流；

(2)采集兩臺電機的三相定子電流，并將所述的三相定子電流變換為在兩相靜止α-β坐標系上的定子電流分量；

(3)采集兩臺電機的轉子磁場角度，將兩臺電機在兩相靜止α-β坐標系上的定子電流分量變換為兩相旋轉dq坐標系上的定子電流分量；

(4)采集直流側電壓；

(5)列出五橋臂逆變器的所有可能輸出的開關狀態組合，根據五橋臂逆變器所有可能輸出的開關狀態組合，計算兩臺電機的三相定子電壓；

(6)將兩臺電機的三相定子電壓變換為在兩相旋轉dq坐標系上的定子電壓分量；

設定兩臺電機參數：兩臺電機的定子電阻分別為R₁、R₂；兩臺電機的d軸定子電感分別為L_d1、L_d2；兩臺電機的q軸定子電感分別為L_q1、L_q2；兩臺電機的轉子永磁體磁鏈分別為ψ_f1、ψ_f2；

將采集和計算得到的電氣量設定為k時刻兩臺電機的電氣量，用離散形式表示：兩臺電機的轉速分別為ω_r1(k)、ω_r2(k)；兩臺電機在兩相旋轉dq坐標系上的定子電流分量為i_d1(k)、i_q1(k)、i_d2(k)、i_q2(k)；兩臺電機在兩相旋轉dq坐標系上的定子電壓分量為

2、電流預測和價值函數尋優，包括：

五橋臂逆變器共有2⁵＝32種開關狀態組合，對序號為n＝1～32的32種開關狀態組合，預測k+1時刻兩臺電機在兩相旋轉dq坐標系上的定子電流；

建立價值函數gⁿ(k+1)，當價值函數gⁿ(k+1)取得最小值時，價值函數gⁿ(k+1)對應的n的數值作為逆變器最終的輸出電壓矢量的狀態。

電流預測和價值函數尋優，具體地，對序號為n＝1～32的32種開關狀態組合，預測k+1時刻兩臺電機在兩相旋轉dq坐標系上的定子電流公式如下：

式中，T為系統的控制周期。

建立價值函數gⁿ(k+1)，有

式中，h_d1、h_q1、h_d2、h_q2為兩臺電機的電流權值，h_T為兩臺電機的轉矩同步權值，為兩臺電機在兩相旋轉dq坐標系上的q軸定子參考電流。

當價值函數gⁿ(k+1)取得最小值時，價值函數gⁿ(k+1)對應的n的數值作為逆變器最終的輸出電壓矢量的序號n^o，

五橋臂雙永磁電機轉矩轉速協同模型預測控制裝置，包括三相電網和不可控整流橋、兩臺三相永磁同步電機，還包括五橋臂逆變器、微處理器，三相電網和不可控整流橋的輸出作為五橋臂逆變器的輸入，五橋臂逆變器的每一個臂均由串接的兩個開關管構成，串接點輸出控制兩臺三相永磁同步電機的一個相，其中第3個臂同時控制兩臺三相永磁同步電機的各一個相；微處理器進行公式計算、算法處理，并生成開關管開關信號。

微處理器進行公式計算、算法處理，并生成開關管開關信號，具體包括：電流預測和價值函數尋優，五橋臂逆變器共有2⁵＝32種開關狀態組合，對序號為n＝1～32的32種開關狀態組合，預測k+1時刻兩臺電機在兩相旋轉dq坐標系上的定子電流；

建立價值函數gⁿ(k+1)，當價值函數gⁿ(k+1)取得最小值時，價值函數gⁿ(k+1)對應的n的數值作為逆變器最終的輸出電壓矢量的狀態。

本發明的特點及有益效果是：

本發明的一種應用于五橋臂雙永磁電機控制系統的模型預測控制方法，提出了一種轉矩轉速協同型模型預測控制方法，與傳統算法相比，新算法有效的提高電機轉矩響應速度，同時有效的提高兩電機系統轉速、轉矩的同步性能。

附圖說明

圖1是五橋臂電壓源逆變器拓撲結構圖。

圖2是q軸定子參考電流計算過程結構圖。

具體實施方式

下面結合實施例和附圖對本發明的一種應用于五橋臂雙永磁電機控制系統的轉矩轉速協同型模型預測控制方法做出詳細說明。

為改善傳統雙永磁電機五橋臂逆變器控制方法的轉矩同步性能和轉速同步性能，本發明的一種應用于五橋臂雙永磁電機控制系統的轉矩轉速協同型模型預測控制方法，建立了一種應用于雙永磁電機五橋臂逆變器的模型預測控制方法。在模型預測控制方法中，通過建立價值函數，實現轉矩同步控制。同時，在模型預測控制方法中加入轉速同步控制器，實現轉速的同步控制。

本發明的一種應用于五橋臂雙永磁電機控制系統的轉矩轉速協同型模型預測控制方法，控制目標為：1、實現雙電機轉矩協同控制；2、實現雙電機轉速協同控制。

本發明的一種應用于五橋臂雙永磁電機控制系統的轉矩轉速協同型模型預測控制方法，用于由五橋臂逆變器和兩臺永磁同步電機組成的雙電機控制系統，包括如下步驟：

1、五橋臂雙永磁電機系統拓撲結構和工作原理。

在本實施例中，選用TI公司的TMS320F28335微處理器進行公式計算、算法處理，并生成開關管開關信號。圖1中，左側為三相電網和不可控整流橋，其中，u_sa、u_sb、u_sc為三相電網的各相相電壓；u_dc為直流側電容電壓；S_x1(x＝A，B，C，D，E)為上橋臂開關管開關狀態，S_x2(x＝A，B，C，D，E)為下橋臂開關管開關狀態，二者互補。右側為五橋臂逆變器的變流橋和兩臺永磁同步電機(permanent magnet synchronous motor，PMSM)PMSM1、PMSM2，其中，橋臂A、B、C用于驅動電機PMSM1，橋臂C、D、E用于驅動電機PMSM2。可以看出，與傳統的逆變器相比，五橋臂結構減少了功率開關器件的數量，兩臺電機共用了C相橋臂。

任一上橋臂的開關狀態S_x1可以表示為

由于每個開關管都有兩種開關狀態，因此，五橋臂逆變器共有2⁵＝32種開關狀態組合，設第n個(n＝1～32)組合的開關狀態為則所有結果如表1所示。

表1五橋臂逆變器開關狀態組合

表中，開關狀態組合的序號為n，分別為不同上橋臂開關管在第n個組合下的開關狀態。

2、雙永磁電機系統電氣量采集與計算，包括：

(1)采集兩臺電機的轉速ω_r1、ω_r2，結合兩臺電機共同的轉速參考值計算兩臺電機的q軸定子參考電流如圖2所示。圖中，PI表示比例積分控制器；C₁、C₂表示比例參數。

(2)采集兩臺電機的三相定子電流i_a1、i_b1、i_c1、i_a2、i_b2、i_c2，并將所述的三相定子電流變換為在兩相靜止α-β坐標系上的定子電流分量，公式如下：

式中，i_α1、i_β1、i_α2、i_β2是兩臺電機在兩相靜止α-β坐標系上的定子電流分量

(3)采集兩臺電機的轉子磁場角度θ₁、θ₂，將兩臺電機在兩相靜止α-β坐標系上的定子電流分量變換為兩相旋轉dq坐標系上的定子電流分量i_d1、i_q1、i_d2、i_q2，公式如下：

(4)采集直流側電壓u_dc；

(5)根據五橋臂逆變器的所有可能輸出的開關狀態組合，計算兩臺電機的三相定子電壓，第n個(n＝1～32)狀態下電壓公式如下：

式中，為第n個(n＝1～32)組合狀態下的各橋臂電壓。