本發(fā)明屬于永磁同步電動(dòng)機(jī)技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種無(wú)需權(quán)重系數(shù)整定的預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制方法。
背景技術(shù):
永磁同步電動(dòng)機(jī)因其功率密度大、運(yùn)行可靠性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械制造、軌道交通等諸多工業(yè)領(lǐng)域。電壓型逆變器作為為表貼式-永磁同步電機(jī)最常用的驅(qū)動(dòng)電源,近年來(lái)受到廣泛的研究,并且被引入了多種新型算法。有限集-模型預(yù)測(cè)控制作為一種具有運(yùn)算量大的特點(diǎn)的新型控制算法,隨著數(shù)字信號(hào)處理器處理能力的提高也被應(yīng)用于電壓型逆變器饋電的永磁同步電機(jī)。
有限集-模型預(yù)測(cè)控制在當(dāng)前控制周期內(nèi)對(duì)每個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)所產(chǎn)生的電機(jī)輸出結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè),將預(yù)測(cè)結(jié)果與所期望結(jié)果最相近的開(kāi)關(guān)狀態(tài)作為最佳開(kāi)關(guān)狀態(tài)應(yīng)用于下一控制周期。價(jià)值函數(shù)作為有限集-模型預(yù)測(cè)控制的一個(gè)異于其它控制方法的特點(diǎn),被用來(lái)評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)結(jié)果與期望結(jié)果相近程度。同時(shí)價(jià)值函數(shù)可以包含不同類型電機(jī)輸出類型來(lái)對(duì)多種電機(jī)輸出進(jìn)行預(yù)測(cè)控制。作為有限集-模型預(yù)測(cè)控制的一種,標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制策略通過(guò)將轉(zhuǎn)矩和磁鏈兩個(gè)電機(jī)輸出引入價(jià)值函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩和磁鏈直接進(jìn)行控制。其價(jià)值函數(shù)包括期望轉(zhuǎn)矩與預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩的差的絕對(duì)值和期望磁鏈與預(yù)測(cè)磁鏈的差的絕對(duì)值。由于轉(zhuǎn)矩與磁鏈不是同一量綱,導(dǎo)致在價(jià)值函數(shù)無(wú)法均衡衡量預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩和預(yù)測(cè)磁鏈與期望值的偏差程度,所以標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制策略的價(jià)值函數(shù)中磁鏈差的絕對(duì)值前有一個(gè)權(quán)重系數(shù),預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制策略正是靠這個(gè)權(quán)重系數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)磁鏈差值的影響程度進(jìn)而使價(jià)值函數(shù)可以同比重的衡量磁鏈和轉(zhuǎn)矩的偏差程度。但是權(quán)重系數(shù)往往需要多次修改然和觀察結(jié)果來(lái)確定最合適的值,這給預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制策略的應(yīng)用帶來(lái)了一些麻煩。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是:如何提供一種無(wú)需權(quán)重系數(shù)整定的預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制方法。
傳統(tǒng)預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制由價(jià)值函數(shù)、電機(jī)模型和有限控制集三部分組成。其中電機(jī)模型用來(lái)預(yù)測(cè)下一時(shí)刻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與定子磁鏈輸出,價(jià)值函數(shù)用來(lái)從有限控制集中選擇出最優(yōu)電壓矢量,通常的表達(dá)形式為:
式中,n=0…7代表兩電平逆變器輸出的8個(gè)電壓矢量,在傳統(tǒng)預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制中該8個(gè)矢量組成有限控制集;Ten代表第n個(gè)電壓矢量作用下(k+1)時(shí)刻的電磁轉(zhuǎn)矩值;Ψen代表第n個(gè)電壓矢量作用下(k+1)時(shí)刻的定子磁鏈;Qψ代表權(quán)重系數(shù),該值影響電磁轉(zhuǎn)矩與定子磁鏈在價(jià)值函數(shù)中的重要性,直接影響預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制的效果。
公式(1)用來(lái)計(jì)算有限控制集中的一個(gè)電壓矢量的價(jià)值函數(shù)值,公式(2)用來(lái)選擇有限控制集中價(jià)值函數(shù)值最小的電壓矢量作為最優(yōu)電壓矢量,價(jià)值函數(shù)值小的電壓矢量可以生成與期望轉(zhuǎn)矩與磁鏈誤差值最小的下一時(shí)刻轉(zhuǎn)矩磁鏈,即最優(yōu)電壓矢量可以保證下一時(shí)刻電機(jī)輸出盡可能靠近期望值。
從公式(1)可以看出,價(jià)值函數(shù)中由于包含了非同一量綱的轉(zhuǎn)矩與磁鏈兩項(xiàng),所以必須加入一個(gè)權(quán)重系數(shù)Q來(lái)協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)矩誤差與磁鏈誤差這兩項(xiàng)對(duì)最優(yōu)電壓矢量選擇的影響。權(quán)重系數(shù)給預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制的應(yīng)用帶來(lái)了一些麻煩,因?yàn)闄?quán)重系數(shù)的確定需要多次嘗試和調(diào)整,而且在不同運(yùn)行狀態(tài)下需要不同的值才能達(dá)到最優(yōu)的運(yùn)行狀態(tài)。這就是權(quán)重系數(shù)整定的技術(shù)問(wèn)題。
(二)技術(shù)方案
為解決上述技術(shù)問(wèn)題,本發(fā)明提供一種無(wú)需權(quán)重系數(shù)整定的預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制方法,該方法包括如下步驟:
步驟1:編碼器獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子角度θr和轉(zhuǎn)速ωr,設(shè)定速度參考值采用比例-積分控制器獲得參考轉(zhuǎn)矩值
步驟2:霍爾傳感器獲取定子電流isk在本控制周期的采樣值,利用磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器來(lái)計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻定子磁鏈Ψsk、轉(zhuǎn)子磁鏈與轉(zhuǎn)矩Tek;
步驟3:針對(duì)每個(gè)電壓矢量預(yù)測(cè)下一控制周期的定子電流isk+1、定子磁鏈值Ψsk+1與轉(zhuǎn)矩值
步驟4:針對(duì)每個(gè)電壓矢量,分別計(jì)算其兩種輸出效果步數(shù)CTe和CΨ;
式中,CTe為轉(zhuǎn)矩輸出效果步數(shù);為期望轉(zhuǎn)矩輸出;為當(dāng)前k時(shí)刻轉(zhuǎn)矩輸出;為(k+1)時(shí)刻轉(zhuǎn)矩輸出;CΨ為磁鏈幅值輸出效果步數(shù);|Ψs|ref為期望磁鏈幅值輸出;|Ψsk|為當(dāng)前k時(shí)刻磁鏈幅值輸出;||Ψsk+1|為(k+1)時(shí)刻磁鏈幅值輸出;
步驟5:利用基于步數(shù)的價(jià)值函數(shù)計(jì)算每個(gè)電壓矢量對(duì)應(yīng)的價(jià)值函數(shù)值,選出價(jià)值函數(shù)值為正且最小的最優(yōu)電壓矢量;
步驟6:在下一控制周期應(yīng)用所選出的最優(yōu)電壓矢量。
(三)有益效果
與現(xiàn)有技術(shù)相比較,本發(fā)明技術(shù)方案中,由于新的價(jià)值函數(shù)中只有控制周期這一量綱,故避免了權(quán)重系數(shù)的整定問(wèn)題。新型預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制針對(duì)第i個(gè)電壓矢量通過(guò)式(3)和式(4)分別算出其效果步數(shù)CTe和CΨ,然后代入式(5)算出其價(jià)值函數(shù)值。當(dāng)價(jià)值函數(shù)gi為-1時(shí),即說(shuō)明對(duì)應(yīng)的第i個(gè)電壓矢量會(huì)使轉(zhuǎn)矩和磁鏈幅值中至少一項(xiàng)偏離期望值,故當(dāng)價(jià)值函數(shù)gi為-1時(shí),對(duì)應(yīng)的第i個(gè)電壓矢量Vi應(yīng)被舍棄。具有最小正值的價(jià)值函數(shù)所對(duì)應(yīng)的電壓矢量即是最優(yōu)矢量。這樣既保證了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與磁鏈輸出在期望值周圍,也避免了權(quán)重系數(shù)整定的問(wèn)題。
附圖說(shuō)明
圖1為本發(fā)明技術(shù)方案的原理圖。
具體實(shí)施方式
為使本發(fā)明的目的、內(nèi)容、和優(yōu)點(diǎn)更加清楚,下面結(jié)合附圖和實(shí)施例,對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
由于傳統(tǒng)預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制策略的價(jià)值函數(shù)中的轉(zhuǎn)矩與磁鏈并非同一量綱,所以傳統(tǒng)預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制策略存在權(quán)重系數(shù)難以整定的問(wèn)題。本發(fā)明提出的新型預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制策略通過(guò)用步數(shù)的方式來(lái)衡量電壓矢量對(duì)轉(zhuǎn)矩和磁鏈幅值的作用效果,從而將轉(zhuǎn)矩與磁鏈幅值與期望值的差值共同表現(xiàn)為統(tǒng)一量綱的步數(shù),解決了權(quán)重系數(shù)難以調(diào)節(jié)的問(wèn)題。
為解決上述技術(shù)問(wèn)題,本發(fā)明提供一種無(wú)需權(quán)重系數(shù)整定的預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制方法,該方法包括如下步驟:
步驟1:編碼器獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子角度θr和轉(zhuǎn)速ωr,設(shè)定速度參考值采用比例-積分控制器獲得參考轉(zhuǎn)矩值
步驟2:霍爾傳感器獲取定子電流isk在本控制周期的采樣值,利用磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器來(lái)計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻定子磁鏈Ψsk、轉(zhuǎn)子磁鏈與轉(zhuǎn)矩Tek;
步驟3:針對(duì)每個(gè)電壓矢量預(yù)測(cè)下一控制周期的定子電流isk+1、定子磁鏈值Ψsk+1與轉(zhuǎn)矩值Tek+1;
步驟4:針對(duì)每個(gè)電壓矢量,分別計(jì)算其兩種輸出效果步數(shù)CTe和CΨ;
式中,CTe為轉(zhuǎn)矩輸出效果步數(shù);Teref為期望轉(zhuǎn)矩輸出;Tek為當(dāng)前k時(shí)刻轉(zhuǎn)矩輸出;Tek+1為(k+1)時(shí)刻轉(zhuǎn)矩輸出;CΨ為磁鏈幅值輸出效果步數(shù);|Ψs|ref為期望磁鏈幅值輸出;|Ψsk|為當(dāng)前k時(shí)刻磁鏈幅值輸出;||Ψsk+1|為(k+1)時(shí)刻磁鏈幅值輸出;
步驟5:利用基于步數(shù)的價(jià)值函數(shù)計(jì)算每個(gè)電壓矢量對(duì)應(yīng)的價(jià)值函數(shù)值,選出價(jià)值函數(shù)值為正且最小的最優(yōu)電壓矢量;
步驟6:在下一控制周期應(yīng)用所選出的最優(yōu)電壓矢量。
下面結(jié)合具體實(shí)施例來(lái)詳細(xì)描述本發(fā)明。
實(shí)施例
本實(shí)施例具體內(nèi)容如下:
(1)編碼器獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子角度θr和轉(zhuǎn)速ωr,設(shè)定速度參考值采用比例-積分控制器獲得參考轉(zhuǎn)矩值
(2)霍爾傳感器獲取定子電壓Udc與定子電流isk在本控制周期的采樣值,利用磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器來(lái)計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻定子磁鏈Ψsk、轉(zhuǎn)子磁鏈Ψrk與轉(zhuǎn)矩Tek;
(2.1)磁鏈觀測(cè)器計(jì)算獲得當(dāng)前時(shí)刻的轉(zhuǎn)子磁鏈與定子磁鏈Ψsk
ψrk=ψ·θr (6)
ψsk=Lsisk+ψrk (7)
式中,Ψ是電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈幅值,是一個(gè)每臺(tái)電機(jī)都有的定值;Ls是定子電感。
(2.2)轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器計(jì)算獲得當(dāng)前時(shí)刻的轉(zhuǎn)矩Tek
(3)針對(duì)每個(gè)電壓矢量預(yù)測(cè)下一控制周期的定子電流isk+1、定子磁鏈值Ψsk+1與轉(zhuǎn)矩值Tek+1;
(3.1)根據(jù)電機(jī)模型預(yù)測(cè)每個(gè)電壓矢量下一控制周期的定子電流isk+1
(3.2)根據(jù)電機(jī)模型預(yù)測(cè)每個(gè)電壓矢量下一控制周期的定子磁鏈值Ψsk+1
(3.3)根據(jù)電機(jī)模型預(yù)測(cè)每個(gè)電壓矢量下一控制周期的轉(zhuǎn)矩值Tek+1
(4)針對(duì)每個(gè)電壓矢量,分別計(jì)算其兩種輸出效果步數(shù)CTe和CΨ;
式中,CTe為轉(zhuǎn)矩輸出效果步數(shù);Teref為期望轉(zhuǎn)矩輸出;Tek為當(dāng)前k時(shí)刻轉(zhuǎn)矩輸出;Tek+1為(k+1)時(shí)刻轉(zhuǎn)矩輸出;CΨ為磁鏈幅值輸出效果步數(shù);|Ψs|ref為期望磁鏈幅值輸出;|Ψsk|為當(dāng)前k時(shí)刻磁鏈幅值輸出;|Ψsk+1|為(k+1)時(shí)刻磁鏈幅值輸出。
(5)利用基于步數(shù)的價(jià)值函數(shù)計(jì)算每個(gè)電壓矢量對(duì)應(yīng)的價(jià)值函數(shù)值,選出價(jià)值函數(shù)值為正且最小的最優(yōu)電壓矢量;
(6)在下一控制周期應(yīng)用所選出的最優(yōu)電壓矢量。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式,應(yīng)當(dāng)指出,對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō),在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下,還可以做出若干改進(jìn)和變形,這些改進(jìn)和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。