[发明专利]一种感应电机最大转矩电流比控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种感应电机最大转矩电流比控制方法，特别是涉及一种基于多变量PI预测函数控制的感应电机最大转矩电流比控制方法，属于感应电机控制的技术领域。

背景技术

感应电机传动系统，以其坚固耐用、价格低廉、可靠性高等特点成为应用最为广泛的传动系统。三相笼型感应电机消耗的电能占全部工业电动机消耗电能的90％以上。通常，感应电机的设计工艺在75％额定负载左右时达到最大效率，在额定负载时也接近最大效率。但运行在低负载区，特别是负载率低于50％时，电机效率下降很快。因而感应电机特别是中小容量感应电机，轻载时依然存在很大的节能潜力。

近年来随着能源紧缺问题的日益突出，感应电机运行效率越来越受到关注。对于感应电机的稳态运行效率优化控制策略，目前已有较多的研究和应用。但是诸如电动汽车的电力传动系统，由于动、稳态过程频繁发生，设备长时间处于轻载工况下运转，为充分利用所载能量，延长一次充电后的续航里程，仅仅对电机的稳态运行效率进行优化还远远不够；同时，电机动态转速响应的快速性也需要保证。因此寻求一种考虑感应电机的动、稳态效率的转速控制策略变的尤为重要与迫切。

在异步电机的稳态效率优化控制策略研究中，常用的技术有：①损耗模型控制；②搜索控制；③最大转矩电流比控制(Maximum Torque per Ampere，MTPA)等。损耗模型控制需要电机模型和参数的信息，由于温度和饱和效应的影响，模型的参数在不同工况下变化明显，电机因为处于非正弦波电压供电下运行，电机气隙中存在大量谐波励磁电流产生的时间谐波磁场，这些谐波磁场不可避免地增加了电机定、转子铁损，因此这种方法的控制精度受到电机参数变化和模型准确度的影响，计算量也大于其他的控制策略。搜索控制对输入功率的检测精度有较高的要求，而且算法的收敛时间较长，在寻优过程中存在转矩脉动的问题，特别是当输入功率函数在最小值附近比较平滑时，容易引起系统的振荡和不稳定。最大转矩电流比控制是在保证输出相同转矩的同时，使定子电流最小，这样消耗在定子电阻上的损耗可降到最低，提高电机运行效率。同时，定子电流的降低，可以减小逆变器开关损耗，进一步降低系统总损耗。由于逆变器需要输出的电流小，可以选择较小运行电流的逆变器，进而可以在逆变器选型的时候选择较小容量的逆变器，有利于减小设备体积、质量和成本。但这些方法只考虑了感应电机稳态情况下的效率优化，难以解决电动汽车电机频繁启停时的动态效率优化问题。

现有效率优化算法在动态时为了提高系统响应速途，通常采用以下方式：①电机恢复为额定转子磁链下的矢量控制，动态过程结束后，再采用效率优化控制；②直接将定子的励磁电流指令回复到额定值和动态中重新分配定子电流分量。这些方法的缺点是没有考虑电机动态变化过程中的效率优化。

预测控制是近年来发展起来的一类新型的计算机控制算法，其适用于不易建立精确数字模型且动态过程复杂的工业生产，所以它一出现就受到国内外工程界的重视，并已在石油、化工、冶金、机械等工业部门的控制系统中得到了成功的应用。电机系统是个典型的多变量、强耦合、动态过程复杂的控制系统，同样难于建立精确的数学模型，但同时又是一个快速系统，传统的预测控制在线计算量大，实时性差，可能伴随不明的控制规律，不适用于感应电机的转速控制。在这种背景下，预测函数(PFC)控制方法应运而生，其基于预测控制的基本原理发展而来，其与预测控制的最大区别是注重控制量的结构形式，认为控制量是一组预先选定的基函数的线性组合，例如苗敬利、李华德等在《控制与决策》上发表的《感应电机最大转矩电流比的预测函数控制》，设计了基于Laguerre模型的稳定自适应预测函数控制器(PFC)。在国外，PFC已经在工业机器人的快速高精度跟踪、军事领域的目标跟踪等快速系统中得到了成功的运用。但目前尚未发现将PI和预测函数控制结合并推广到多输入多输出系统，并将此应用于感应电机控制的文献和报导。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种兼顾动态响应速度和效率优化的感应电机最大转矩电流比控制方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种感应电机最大转矩电流比控制方法，包括速度环和电流环，所述速度环为PI控制，所述电流环为多变量PI预测函数控制，所述多变量PI预测函数控制的步骤如下：