[發明專利]一種提高永磁同步直線電機動態控制性能的方法

有效

• 申請號: 201711459579.8
• 申請日: 2017-12-28
• 公開（公告）號: CN108054972B
• 公開（公告）日: 2020-11-17
• 發明（設計）人: 尹忠剛;白聰;杜超;劉靜;鐘彥儒
• 申請（專利權）人: 西安理工大學
• 主分類號: H02P21/22
• 分類號: H02P21/22;H02P25/064;H02P6/28;H02P6/10
• 代理公司: 西安弘理專利事務所 61214
• 代理人: 涂秀清

1.一種提高永磁同步直線電機動態控制性能的方法，其特征在于，具體按照如下步驟操作：

步驟1.確定永磁同步直線電機控制系統電流環的離散數學模型；

步驟2.基于步驟1得到的離散數學模型，遞推出預測域內狀態變量的預測值；

步驟3.采用轉子磁場定向的同步旋轉坐標系中的永磁同步直線電機定子電壓方程，通過控制預測控制器輸出電壓U_(k)，使得第k+1時刻實際采樣電流i_(k+1)等于第k時刻預測得到的目標電流i^*_(k+1)，實現無差拍控制；

所述步驟3中實現永磁同步直線電機的無差拍控制包括以下過程：

步驟3.1建立輸出電壓U_(k)與電流偏差ΔI_(k)的關系式；

步驟3.2結合步驟3.1得到的輸出電壓與電流偏差的關系式和拉格朗日差值公式得出電流偏差ΔI_(k)的預測表達式，從而得到0階和1階的預測控制器輸出電壓U_(k)表達式，使得第k+1時刻實際采樣電流i_(k+1)等于第k時刻預測得到的目標電流i^*_(k+1)，實現無差拍控制；

所述步驟3.1中建立輸出電壓U_(k)與電流偏差ΔI_(k)的關系式的具體計算過程如下：

在轉子磁場定向的d-q同步旋轉坐標系中，永磁同步直線電機定子電壓方程以寫成如下形式：

其中，u_d、u_q為交、直軸定子電壓；i_d、i_q為交、直軸定子電流，e_d、e_q為交、直軸反電動勢，其中τ為直線電機極距，ψ_f為永磁體磁鏈，R_s為初級電樞繞組；L_d、L_q為交、直軸定子電感；

在載波周期[kT_s，(k+1)T_s]內，根據Taylor級數展開得期望輸出電壓為：

其中L_P為定子相電感估計值；T_s為采樣周期；

將其寫成矩陣形式：

U_(k)＝RI_(k)+M(I_(k+1)-I_(k))+e (18)

式中：

設I^*為目標控制器的期望輸出電流，期望輸出參考電壓為：

U^*_(k)＝RI^*_(k)+M(I^*_(k+1)-I^*_(k))+e (19)

由于定子電阻R壓降很小且對于所有可能的開關頻率都忽略不計，因此忽略定子電阻；由公式(18)、(19)相減得：

U_(k)＝U^*_(k)-M(ΔI_(k+1)-ΔI_(k)) (20)

式中，ΔI_(k)、ΔI_(k+1)分別表示第k和第k+1時刻的電流偏差，即ΔI_(k)＝I^*_(k)-I_(k)，ΔI_(k+1)＝I^*_(k+1)-I_(k+1)；若在采樣時刻kT_s，在采樣存在電流偏差ΔI_(k)，則需要對參考電壓矢量U^*_(k)進行修正，以使在采樣周期[kT_s，(k+1)T_s]內消除電流偏差，修正公式(20)中等號右側第二項；

由于第k+1時刻實際采樣電流i_(k+1)等于第k時刻預測得到的目標電流i^*_(k+1)，即ΔI_(k+1)＝0，則公式(20)寫為：

U_(k)＝U^*_(k)+M(ΔI_(k)) (21)

可見，在采樣周期kT_s時刻存在電流偏差ΔI_(k)，此時需要調節給定參考電壓U^*_(k)，使逆變器輸出如公式(21)所示的電壓矢量，保證k+1開關周期結束時電流誤差降低為零；

所述步驟3.2的具體計算過程如下：

為了計算逆變器的輸出平均電壓U_(k)，首先需要對給定參考電壓矢量U^*_(k)進行預測，根據拉格朗日差值公式，得0階和1階兩種構造方式下的U^*_(k)預測表達式：

U^*_(k)＝U^*_(k-1) 0階 (22)

U^*_(k)＝2U^*_(k-1)-U^*_(k-2) 1階 (23)

其中，U^*_(k-1)、U^*_(k-2)是根據拉格朗日差值公式得到的前一拍和前兩拍參考電壓矢量；

根據所述公式(20)得：

U^*_(k-1)＝U_(k-1)+M(ΔI_(k)-ΔI_(k-1)) 0階 (24)

U^*_(k-2)＝U_(k-2)+M(ΔI_(k-1)-ΔI_(k-2)) 1階 (25)

將公式(22)-(25)分別代入式(21)，得預測控制器輸出電壓為：

U_(k)＝U_(k-1)+M(2ΔI_(k)-ΔI_(k-1)) 0階 (26)

U_(k)＝2U_(k-1)-U_(k-2)+M(3ΔI_(k)-3ΔI_(k-1)+ΔI_(k-2)) 1階 (27)

由上式看出，均包含ΔI_(k)項，對ΔI_(k)進行預測：

U^*_(k-1)＝U^*_(k-2) 0階 (28)

U^*_(k-1)＝2U_(k-2)-U^*_(k-3) 1階 (29)

其中，U^*_(k-3)是根據拉格朗日差值公式得到的前三拍參考電壓矢量；

由所述公式(20)結合公式(28)、(39)得兩種構造方式下電流偏差ΔI_(k)的預測表達式：

再分別代入公式(26)、(27)即得到預測控制器輸出電壓U_(k)表達式：

U_(k)＝-U_(k-1)+2U_(k-2)+M(3ΔI_(k-1)-2ΔI_(k-1)) 0階 (31)

U_(k)＝-U_(k-1)+5U_(k-2)-3U_(k-3)+M(6ΔI_(k-1)-8ΔI_(k-2)+3ΔI_(k-3)) 1階 (32)。