[發明專利]基于電流預測的開關磁阻電機再生制動控制方法

有效

• 申請號: 202010154425.3
• 申請日: 2020-03-07
• 公開（公告）號: CN111277196B
• 公開（公告）日: 2022-11-25
• 發明（設計）人: 張小平;張光輝;姜海鵬;陳娟;張鑄
• 申請（專利權）人: 湖南科技大學
• 主分類號: H02P21/36
• 分類號: H02P21/36;H02P21/22;H02P25/098
• 代理公司: 湘潭市匯智專利事務所(普通合伙) 43108
• 代理人: 顏昌偉

1.一種基于電流預測的開關磁阻電機再生制動控制方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟S1：建立開關磁阻電機各相繞組制動過程的電壓平衡方程；

所述步驟S1中建立的電壓平衡方程具體為：

對于m相開關磁阻電機，其第j相繞組的電壓平衡方程為：

式中：R_j、U_j、i_j、ψ_j分別為電機第j相繞組的電阻、電壓、電流、磁鏈，j＝1，2，3…，m；θ為電機轉子的位置角；

步驟S2：根據前向歐拉法對電壓平衡方程中電流微分項進行離散化，得到各相繞組預測制動電流的函數關系式；

步驟S2具體步驟包括：

公式(1)中電流微分項表示為：

式中：T為采樣周期，i_j(k)為第j相繞組當前采樣時刻的制動電流，i_j(k+1)為第j相繞組下一采樣時刻的制動電流；下文中的k均表示當前采樣時刻，k+1表示下一采樣時刻；

將下一采樣時刻的制動電流i_j(k+1)作為預測制動電流，記為i_aj(k+1)，并將式(2)代入式(1)，得到第j相繞組預測制動電流的函數關系式為：

式中：磁鏈ψ_j的函數關系式為：

其中：L_q為電感系數，L_d為非飽和電感，L_dsat為飽和電感，ψ_m為最大磁鏈值，I_m為最大磁鏈對應的電流值，f(θ)為位置角度函數，其中位置角度函數f(θ)為：

其中：N_r為開關磁阻電機轉子極數；

則磁鏈對電流和轉子位置角度的偏導數分別為：

步驟S3：采集電機各相繞組當前采樣時刻的實際制動電流，并將每一相繞組當前采樣時刻的實際制動電流和該相繞組當前采樣時刻的預測制動電流比較，得到該相繞組當前采樣時刻的預測制動電流誤差；

步驟S3中，對于m相開關磁阻電機，其第j相繞組當前采樣時刻的預測制動電流誤差e_j(k)為：

e_j(k)＝i_j(k)-i_aj(k) (8)

式中：e_j(k)為第j相繞組當前采樣時刻的預測制動電流誤差，i_j(k)和i_aj(k)分別為第j相繞組當前采樣時刻的實際制動電流和預測制動電流；

步驟S4：根據步驟S3所得當前采樣時刻的預測制動電流誤差，利用反饋矯正法對該相繞組下一采樣時刻的預測制動電流進行修正，得到該相繞組下一采樣時刻修正后的預測制動電流；

步驟S4中，利用反饋矯正法對下一采樣時刻該相繞組的預測制動電流進行修正，具體為：

i_pj(k+1)＝i_aj(k+1)+e_j(k) (9)

式中：i_pj(k+1)為第j相繞組下一采樣時刻修正后的預測制動電流；

步驟S5：檢測電機當前采樣時刻的實際轉速，并將當前采樣時刻的實際轉速與給定轉速比較，比較得到的偏差經PI控制算法處理得到電機下一采樣時刻的期望參考電流；

步驟S5中，獲得電機下一采樣時刻的期望參考電流，具體步驟為：

步驟S5-1：設電機當前采樣時刻的給定轉速為n^*(k)，實際轉速為n(k)，則電機當前采樣時刻的轉速偏差為：

Δn(k)＝n^*(k)-n(k) (10)

步驟S5-2：根據所得當前采樣時刻的轉速偏差Δn(k)，經PI控制算法得到電機當前采樣時刻的期望參考電流i^*(k)，如公式(11)所示：

式中：i^*(k)為電機當前采樣時刻的期望參考電流，K_P為比例系數，K_I為積分系數，Δn(i)為第i次采樣時刻的轉速偏差；

步驟S5-3：根據公式(11)得電機在上一采樣時刻的期望參考電流為：

式中：i^*(k-1)為電機上一采樣時刻的期望參考電流，Δn(k-1)為電機上一采樣時刻的轉速偏差；

步驟S5-4：根據公式(11)和公式(12)，得到電機當前采樣時刻和上一采樣時刻期望參考電流的偏差Δi^*(k)為：

Δi^*(k)＝i^*(k)-i^*(k-1)＝K_P[Δn(k)-Δn(k-1)]+K_ITΔn(k) (13)

步驟S5-5：根據公式(11)和公式(13)，得電機下一采樣時刻的期望參考電流i^*(k+1)為：

i^*(k+1)＝i^*(k)+Δi^*(k)＝i^*(k)+K_p[Δn(k)-Δn(k-1)]+K_ITΔn(k) (14)

步驟S6：根據步驟S5所得下一采樣時刻的期望參考電流及步驟S4所得各相繞組修正后的總預測制動電流之差構建目標函數，并根據目標函數對電機調速系統中功率變換電路對應功率開關的狀態向量進行遍歷尋優，得到調速系統對應功率開關狀態向量的最優取值；

步驟S6中，根據所得下一采樣時刻的期望參考電流及各相繞組修正后的總預測制動電流之差構建目標函數，目標函數為：

式中：J為目標函數；

根據目標函數對電機調速系統中功率變換電路對應功率開關狀態向量進行遍歷尋優，得到該調速系統對應功率開關狀態向量的最優取值，具體步驟包括：

步驟S6-1：建立電機各相繞組電壓與該相繞組對應功率開關狀態變量間的函數關系；

對于m相開關磁阻電機來說，其第j相繞組電壓與該相繞組對應功率開關狀態變量間的函數關系式為：

U_j＝S_jU_s (16)

式中：U_j表示電機第j相繞組電壓，U_s表示電源電壓，S_j表示第j相繞組對應功率開關的狀態變量，j＝1，2，3…，m；

設電機調速系統中功率變換電路采用不對稱半橋型結構，當S_j＝1時，表示該相繞組所對應的兩個功率開關同時開通，此時該相繞組電壓U_j＝U_s；當S_j＝-1時，則表示該相繞組所對應的兩個功率開關同時關斷，此時該相繞組電壓U_j＝-U_s；

步驟S6-2：分析開關磁阻電機各相繞組對應功率開關狀態變量的可能取值，由此確定m相開關磁阻電機所對應開關狀態向量中所包含的各種開關狀態組合；

實時檢測開關磁阻電機各相繞組的電感，同時實時檢測電機轉子的位置角度，控制要求為：當該相繞組電感處于下降區間且其位置角度處于所設定的開通角和關斷角范圍內時，則該相繞組所對應功率開關的狀態變量根據目標函數控制為開通狀態S_j＝1或關斷狀態S_j＝-1；否則，該相繞組所對應功率開關的狀態變量控制為關斷狀態S_j＝-1；根據上述控制要求確定各相繞組所對應功率開關狀態變量的可能取值，并由此確定m相開關磁阻電機所對應開關狀態向量中所包含的各種開關狀態組合；對于m相開關磁阻電機來說，其開關狀態向量表示為S＝[S₁,S₂,S₃...,S_m]；

步驟S6-3：以m相開關磁阻電機調速系統中功率開關狀態向量所包含各種開關狀態組合所對應的目標函數取最小值為優化目標，采用遍歷尋優法獲得其開關狀態向量的最優取值；

步驟S7：根據所得對應功率開關狀態向量的最優取值對調速系統中功率變換電路的對應功率開關實施控制，使下一采樣時刻電機各相繞組的總預測制動電流準確跟蹤其期望參考電流，從而實現對電機制動電流的精確控制。

2.根據權利要求1所述的基于電流預測的開關磁阻電機再生制動控制方法，其特征在于，所述步驟S6-3具體包括如下步驟：

步驟S6-3-1：設置系統參數，包括：繞組電阻R_j，j＝1，2，3…，m，電感系數L_q，非飽和電感L_d，飽和電感L_dast，最大磁鏈值ψ_m，最大磁鏈值對應的電流值I_m，采樣周期T；

步驟S6-3-2：采集電機當前采樣時刻各相繞組的電流i_j(k)，j＝1，2，3…，m；電源電壓U_s、轉子位置角度θ、當前采樣時刻實際轉速n(k)以及當前采樣時刻給定轉速n^*(k)；

步驟S6-3-3：根據步驟S6-2所得功率開關狀態向量所包含的各種開關狀態組合，任選其中一種開關狀態組合作為第一種開關狀態組合以待處理；

步驟S6-3-4：根據所選取的開關狀態組合并根據公式(16)確定電機各相繞組的電壓；

步驟S6-3-5：根據公式(3)計算出下一采樣時刻電機各相繞組的預測制動電流；

步驟S6-3-6：根據公式(8)計算出當前采樣時刻電機各相繞組的預測制動電流誤差；

步驟S6-3-7：根據公式(9)計算出下一采樣時刻電機各相繞組修正后的預測制動電流；

步驟S6-3-8：根據公式(14)計算出電機下一采樣時刻的期望參考電流；

步驟S6-3-9：根據公式(15)計算出該開關狀態組合對應的目標函數J；

步驟S6-3-10：選取第二種開關狀態組合，并根據該開關狀態組合重復步驟S6-3-4至步驟S6-3-9，計算出第二種開關狀態組合對應的目標函數，并將第二種開關狀態組合對應的目標函數與第一種開關狀態組合對應的目標函數進行比較，將其中較小的目標函數及其開關狀態組合對應的開關狀態向量取值予以保存；

步驟S6-3-11：依次取其余各種開關狀態組合，按步驟S6-3-4至步驟S6-3-9計算出每種開關狀態組合對應的目標函數，并將所得目標函數與所保存的目標函數進行比較，保存其中較小的目標函數及其開關狀態組合對應的開關狀態向量取值，直到所有開關狀態組合全部計算完為止；

步驟S6-3-12：根據所得最小目標函數所對應的開關狀態向量取值，對開關磁阻電機調速系統中各相繞組所對應的功率開關實施控制，實現電機總預測制動電流準確跟蹤其期望參考電流，從而實現對調速系統制動電流的精確控制。