[發(fā)明專利]一種三相開關(guān)磁阻電機預(yù)測轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710537544.5
• 申請日: 2017-07-04
• 公開（公告）號: CN107425762B
• 公開（公告）日: 2019-10-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李存賀;李巖;王國峰;趙永生;柳健
• 申請（專利權(quán)）人: 大連海事大學
• 主分類號: H02P6/10
• 分類號: H02P6/10;H02P6/17;H02P21/18;H02P21/20;H02P25/098
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 李洪福

1.一種三相開關(guān)磁阻電機預(yù)測轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，其特征在于：包括供電電源、功率變換器、信號采集器、轉(zhuǎn)速控制器和預(yù)測轉(zhuǎn)矩控制器；所述的供電電源為整個系統(tǒng)供電；所述的轉(zhuǎn)速控制器輸入端接信號采集器獲取轉(zhuǎn)速信號檢測反饋，輸出端接預(yù)測轉(zhuǎn)矩控制器輸入端；所述的預(yù)測轉(zhuǎn)矩控制器輸入端接信號采集器獲取三相電流反饋、母線電壓和轉(zhuǎn)子位置信號檢測反饋，輸出端接功率變換器；所述的功率變換器輸出端接三相開關(guān)磁阻電機的三相繞組輸入端；

所述的信號采集器實時采集當前時刻即k時刻的轉(zhuǎn)子位置值θ(k)、轉(zhuǎn)速值ω(k)、三相電流值i₁(k)、i₂(k)、i₃(k)和母線電壓值u_dc(k)；所述的轉(zhuǎn)速控制器將獲取的實際轉(zhuǎn)速值ω(k)和參考轉(zhuǎn)速ω^*(k)作差值得到轉(zhuǎn)速誤差e(k)，轉(zhuǎn)速誤差e(k)通過比例和積分環(huán)節(jié)得到輸出轉(zhuǎn)矩期望值T_e^*(k)；所述的預(yù)測轉(zhuǎn)矩控制器根據(jù)獲取的三相電流值i₁(k)、i₂(k)、i₃(k)、母線電壓值u_dc(k)和轉(zhuǎn)子位置值θ(k)，預(yù)測下一時刻即k+1時刻不同開關(guān)矢量S_p作用下的電流值和轉(zhuǎn)矩值并將預(yù)測電流值和預(yù)測轉(zhuǎn)矩值代入設(shè)定的目標函數(shù)J，選取最小化目標函數(shù)J的開關(guān)矢量作為最優(yōu)開關(guān)矢量S_p^*，S_p^*經(jīng)過功率放大后輸出至功率變換器，控制功率變換器開關(guān)管通斷；所述的功率變換器將施加的經(jīng)過功率放大后的最優(yōu)開關(guān)矢量控制信號S_p^*轉(zhuǎn)換為第1、2、3相的相電壓u₁、u₂、u₃施加在三相開關(guān)磁阻電機繞組上；

所述的信號采集器包括轉(zhuǎn)子位置檢測模塊、母線電壓檢測模塊、三相相電流檢測模塊和濾波模塊；所述的轉(zhuǎn)子位置檢測模塊采用光電編碼器，實時檢測當前時刻轉(zhuǎn)子位置角度θ(k)和轉(zhuǎn)速ω(k)；所述的母線電壓檢測模塊采用霍爾傳感器，實時檢測當前時刻母線電壓u_dc(k)，并且在檢測到母線電壓過高時輸出控制信號，控制第4橋臂開關(guān)管閉合，將能量釋放，保護三相開關(guān)磁阻電機；所述的三相相電流檢測模塊采用3個霍爾傳感器實時檢測三相相電流i₁(k)、i₂(k)、i₃(k)；所述的濾波模塊對所有采集信號進行濾波后輸出至轉(zhuǎn)速控制器和預(yù)測轉(zhuǎn)矩控制器；

所述的功率變換器采用不對稱式半橋驅(qū)動電路，由4個橋臂構(gòu)成，第1、2、3橋臂均由上、下兩個開關(guān)管和兩個續(xù)流二極管組成，用于將施加的經(jīng)功率放大后的最優(yōu)開關(guān)矢量控制信號S_p^*轉(zhuǎn)換為第1、2、3相的相電壓u₁、u₂、u₃并施加在三相開關(guān)磁阻電機繞組上；第4橋臂由一個開關(guān)管和一個電阻組成，用于在母線電壓u_dc過高時釋放能量，起到保護電機的作用；定義第1、2、3橋臂的每個橋臂的上、下開關(guān)管同時導(dǎo)通為狀態(tài)s_j＝1，上、下開關(guān)管同時關(guān)斷為狀態(tài)s_j＝-1，上開關(guān)管關(guān)斷同時下開關(guān)管導(dǎo)通為狀態(tài)s_j＝0，其中下標j表示三相開關(guān)磁阻電機第j相，j＝1、2、3；對于三相開關(guān)磁阻電機，得到3³＝27組三相開關(guān)狀態(tài)組成的開關(guān)矢量S_p＝[s₁ s₂ s₃],p＝1、2、…、n，n為候選開關(guān)矢量個數(shù)；

所述的轉(zhuǎn)速控制器采用比例積分控制即PI控制，參考轉(zhuǎn)速ω^*(k)和實際轉(zhuǎn)速ω(k)的誤差值e(k)通過PI控制環(huán)節(jié)后，輸出轉(zhuǎn)矩期望值T_e^*(k)至轉(zhuǎn)矩控制環(huán)；PI控制環(huán)節(jié)公式如下：

其中，k_sp為比例系數(shù)，k_si為積分系數(shù)；

所述的預(yù)測轉(zhuǎn)矩控制器包括扇區(qū)計算模塊、轉(zhuǎn)子位置預(yù)測模塊、電流預(yù)測模塊、轉(zhuǎn)矩計算模塊、開關(guān)矢量選擇模塊和功率放大模塊；

所述的扇區(qū)計算模塊根據(jù)轉(zhuǎn)子實時位置θ，計算轉(zhuǎn)子當前所處扇區(qū)，并選擇相對應(yīng)的候選開關(guān)矢量集合；扇區(qū)計算方法如下：

當θ_on≤(θ)mod(2π/N_r)＜θ_on+θ_ov時，位于扇區(qū)I，開關(guān)矢量S_p∈{[-111],[-110],[-11-1],[-101],[-100],[-10-1],[-1-11],[-1-10],[-1-1-1]}，候選開關(guān)矢量個數(shù)n＝9；

當θ_on+θ_ov≤(θ)mod(2π/N_r)＜θ_off時，位于扇區(qū)II，開關(guān)矢量S_p∈{[-1-11],[-1-10],[-1-1-1]}，候選開關(guān)矢量個數(shù)n＝3；

當θ_off≤(θ)mod(2π/N_r)＜θ_off+θ_ov時，位于扇區(qū)III，開關(guān)矢量S_p∈{[1-11],[1-10],[1-1-1],[0-11],[0-10],[0-1-1],[-1-11],[-1-10],[-1-1-1]}，候選開關(guān)矢量個數(shù)n＝9；

當θ_off+θ_ov≤(θ)mod(2π/N_r)＜2θ_off-θ_on時，位于扇區(qū)IV，開關(guān)矢量S_p∈{[1-1-1],[0-1-1],[-1-1-1]}，候選開關(guān)矢量個數(shù)n＝3；

當2θ_off-θ_on≤(θ)mod(2π/N_r)＜2θ_off-θ_on+θ_ov時，位于扇區(qū)V，開關(guān)矢量S_p∈{[11-1],[10-1],[1-1-1],[01-1],[00-1],[0-1-1],[-11-1],[-10-1],[-1-1-1]}，候選開關(guān)矢量個數(shù)n＝9；

當2θ_off-θ_on+θ_ov≤(θ)mod(2π/N_r)＜2π/N_r or 0≤(θ)mod(2π/N_r)＜θ_on時，位于扇區(qū)VI，開關(guān)矢量S_p∈{[-11-1],[-10-1],[-1-1-1]}，候選開關(guān)矢量個數(shù)n＝3；

其中，θ_on為開通角，θ_off為關(guān)斷角，θ_ov為重疊角，N_r為三相開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)子極數(shù)，mod為取模運算符；

所述的轉(zhuǎn)子位置預(yù)測模塊根據(jù)實時轉(zhuǎn)子位置值θ(k)，由公式預(yù)測下一時刻轉(zhuǎn)子位置其中T_s為采樣周期；

所述的電流預(yù)測模塊根據(jù)當前時刻母線電壓u_dc(k)、相電流i_j(k)，通過遍歷候選開關(guān)矢量集合，由公式(2)計算集合中每個開關(guān)矢量S_p(k)＝[s₁(k)s₂(k)s₃(k)]相對應(yīng)的相繞組電壓矢量U_p(k)＝[u₁(k)u₂(k)u₃(k)]，由公式(3)預(yù)測下一時刻相電流值

其中，u_j為第j相繞組電壓，u_I為開關(guān)管管壓降，u_D為二極管壓降，u_R為相電阻壓降，R為相電阻，ψ_j為相磁鏈可由公式(4)計算；

其中，L_q為q軸飽和電感，即定、轉(zhuǎn)子凸極中心線完全未對齊位置電感；L_dsat為d軸飽和電感，即定、轉(zhuǎn)子凸極中心線完全對齊位置的電感，L_d為d軸未飽和電感，θ_j＝[θ+(j-1)π/N_s]mod(2π/N_r)為相位置值，N_s為電機定子極數(shù)，擬合系數(shù)A、B和周期性位置函數(shù)f(θ_j)分別計算如下：

A＝ψ_m-L_dsatI_m (5)

其中，ψ_m是最大磁鏈值，I_m是和最大磁鏈值ψ_m相對應(yīng)的電流值；

所述的轉(zhuǎn)矩計算模塊根據(jù)轉(zhuǎn)子位置預(yù)測值和相電流預(yù)測值由公式(8)計算相轉(zhuǎn)矩預(yù)測值

其中，f′(θ_j)為周期性位置函數(shù)f(θ_j)的導(dǎo)數(shù)；

進而由得到三相開關(guān)磁阻電機k+1時刻瞬時輸出轉(zhuǎn)矩

所述的開關(guān)矢量選擇模塊分別將候選開關(guān)矢量集合中每個開關(guān)矢量S_p(k)作用下的轉(zhuǎn)矩預(yù)測值和電流預(yù)測值代入以下評價函數(shù)J：

其中，λ₁和λ₂為權(quán)重因子，λ₁僅在換相重疊區(qū)起作用，在單相導(dǎo)通區(qū)λ₁＝0；sum(.)表示對向量所有元素求和，為k-1時刻的最優(yōu)開關(guān)矢量；

選擇n個候選開關(guān)矢量中使得評價函數(shù)最小的最優(yōu)開關(guān)矢量控制信號S_p^*(k)＝minJ{S_p(k)}輸出至功率放大模塊；

所述的功率放大模塊對控制信號S_p^*進行功率放大，然后輸出至功率變換器，控制開關(guān)管通斷。