[发明专利]一种三相开关磁阻电机预测转矩控制系统及方法

摘要

本发明公开了一种三相开关磁阻电机预测转矩控制系统及方法，所述的系统包括供电电源、功率变换器、信号采集器、转速控制器和预测转矩控制器。本发明根据当前时刻系统状态(转速、位置、电流和母线电压)，通过遍历计算当前扇区所有可能开关矢量的方式，在线预测下一时刻相应系统状态，选取最小化评价函数的最优开关矢量作为控制信号输出，对转矩脉动具有很好的抑制效果，并且避免了求取转矩逆特性，无需制定复杂滞环控制规则。本发明可以通过调节评价函数中的权重因子，综合考虑转矩脉动、铜损耗和功率变换器开关频率等多个性能指标，可以提高系统效率、减小开关损耗、延长开关管使用寿命，因此本发明具有很好的灵活性和可拓展性。

主权项

1.一种三相开关磁阻电机预测转矩控制系统，其特征在于：包括供电电源、功率变换器、信号采集器、转速控制器和预测转矩控制器；所述的供电电源为整个系统供电；所述的转速控制器输入端接信号采集器获取转速信号检测反馈，输出端接预测转矩控制器输入端；所述的预测转矩控制器输入端接信号采集器获取三相电流反馈、母线电压和转子位置信号检测反馈，输出端接功率变换器；所述的功率变换器输出端接三相开关磁阻电机的三相绕组输入端；所述的信号采集器实时采集当前时刻即k时刻的转子位置值θ(k)、转速值ω(k)、三相电流值i₁(k)、i₂(k)、i₃(k)和母线电压值u_dc(k)；所述的转速控制器将获取的实际转速值ω(k)和参考转速ω^*(k)作差值得到转速误差e(k)，转速误差e(k)通过比例和积分环节得到输出转矩期望值T_e^*(k)；所述的预测转矩控制器根据获取的三相电流值i₁(k)、i₂(k)、i₃(k)、母线电压值u_dc(k)和转子位置值θ(k)，预测下一时刻即k+1时刻不同开关矢量S_p作用下的电流值和转矩值并将预测电流值和预测转矩值代入设定的目标函数J，选取最小化目标函数J的开关矢量作为最优开关矢量S_p^*，S_p^*经过功率放大后输出至功率变换器，控制功率变换器开关管通断；所述的功率变换器将施加的经过功率放大后的最优开关矢量控制信号S_p^*转换为第1、2、3相的相电压u₁、u₂、u₃施加在三相开关磁阻电机绕组上；所述的信号采集器包括转子位置检测模块、母线电压检测模块、三相相电流检测模块和滤波模块；所述的转子位置检测模块采用光电编码器，实时检测当前时刻转子位置角度θ(k)和转速ω(k)；所述的母线电压检测模块采用霍尔传感器，实时检测当前时刻母线电压u_dc(k)，并且在检测到母线电压过高时输出控制信号，控制第4桥臂开关管闭合，将能量释放，保护三相开关磁阻电机；所述的三相相电流检测模块采用3个霍尔传感器实时检测三相相电流i₁(k)、i₂(k)、i₃(k)；所述的滤波模块对所有采集信号进行滤波后输出至转速控制器和预测转矩控制器；所述的功率变换器采用不对称式半桥驱动电路，由4个桥臂构成，第1、2、3桥臂均由上、下两个开关管和两个续流二极管组成，用于将施加的经功率放大后的最优开关矢量控制信号S_p^*转换为第1、2、3相的相电压u₁、u₂、u₃并施加在三相开关磁阻电机绕组上；第4桥臂由一个开关管和一个电阻组成，用于在母线电压u_dc过高时释放能量，起到保护电机的作用；定义第1、2、3桥臂的每个桥臂的上、下开关管同时导通为状态s_j＝1，上、下开关管同时关断为状态s_j＝‑1，上开关管关断同时下开关管导通为状态s_j＝0，其中下标j表示三相开关磁阻电机第j相，j＝1、2、3；对于三相开关磁阻电机，得到3³＝27组三相开关状态组成的开关矢量S_p＝[s₁ s₂ s₃],p＝1、2、…、n，n为候选开关矢量个数；所述的转速控制器采用比例积分控制即PI控制，参考转速ω^*(k)和实际转速ω(k)的误差值e(k)通过PI控制环节后，输出转矩期望值T_e^*(k)至转矩控制环；PI控制环节公式如下：其中，k_sp为比例系数，k_si为积分系数；所述的预测转矩控制器包括扇区计算模块、转子位置预测模块、电流预测模块、转矩计算模块、开关矢量选择模块和功率放大模块；所述的扇区计算模块根据转子实时位置θ，计算转子当前所处扇区，并选择相对应的候选开关矢量集合；扇区计算方法如下：当θ_on≤(θ)mod(2π/N_r)＜θ_on+θ_ov时，位于扇区I，开关矢量S_p∈{[‑111],[‑110],[‑11‑1],[‑101],[‑100],[‑10‑1],[‑1‑11],[‑1‑10],[‑1‑1‑1]}，候选开关矢量个数n＝9；当θ_on+θ_ov≤(θ)mod(2π/N_r)＜θ_off时，位于扇区II，开关矢量S_p∈{[‑1‑11],[‑1‑10],[‑1‑1‑1]}，候选开关矢量个数n＝3；当θ_off≤(θ)mod(2π/N_r)＜θ_off+θ_ov时，位于扇区III，开关矢量S_p∈{[1‑11],[1‑10],[1‑1‑1],[0‑11],[0‑10],[0‑1‑1],[‑1‑11],[‑1‑10],[‑1‑1‑1]}，候选开关矢量个数n＝9；当θ_off+θ_ov≤(θ)mod(2π/N_r)＜2θ_off‑θ_on时，位于扇区IV，开关矢量S_p∈{[1‑1‑1],[0‑1‑1],[‑1‑1‑1]}，候选开关矢量个数n＝3；当2θ_off‑θ_on≤(θ)mod(2π/N_r)＜2θ_off‑θ_on+θ_ov时，位于扇区V，开关矢量S_p∈{[11‑1],[10‑1],[1‑1‑1],[01‑1],[00‑1],[0‑1‑1],[‑11‑1],[‑10‑1],[‑1‑1‑1]}，候选开关矢量个数n＝9；当2θ_off‑θ_on+θ_ov≤(θ)mod(2π/N_r)＜2π/N_r or 0≤(θ)mod(2π/N_r)＜θ_on时，位于扇区VI，开关矢量S_p∈{[‑11‑1],[‑10‑1],[‑1‑1‑1]}，候选开关矢量个数n＝3；其中，θ_on为开通角，θ_off为关断角，θ_ov为重叠角，N_r为三相开关磁阻电机转子极数，mod为取模运算符；所述的转子位置预测模块根据实时转子位置值θ(k)，由公式预测下一时刻转子位置其中T_s为采样周期；所述的电流预测模块根据当前时刻母线电压u_dc(k)、相电流i_j(k)，通过遍历候选开关矢量集合，由公式(2)计算集合中每个开关矢量S_p(k)＝[s₁(k)s₂(k)s₃(k)]相对应的相绕组电压矢量U_p(k)＝[u₁(k)u₂(k)u₃(k)]，由公式(3)预测下一时刻相电流值其中，u_j为第j相绕组电压，u_I为开关管管压降，u_D为二极管压降，u_R为相电阻压降，R为相电阻，ψ_j为相磁链可由公式(4)计算；其中，L_q为q轴饱和电感，即定、转子凸极中心线完全未对齐位置电感；L_dsat为d轴饱和电感，即定、转子凸极中心线完全对齐位置的电感，L_d为d轴未饱和电感，θ_j＝[θ+(j‑1)π/N_s]mod(2π/N_r)为相位置值，N_s为电机定子极数，拟合系数A、B和周期性位置函数f(θ_j)分别计算如下：A＝ψ_m‑L_dsatI_m  (5)其中，ψ_m是最大磁链值，I_m是和最大磁链值ψ_m相对应的电流值；所述的转矩计算模块根据转子位置预测值和相电流预测值由公式(8)计算相转矩预测值其中，f′(θ_j)为周期性位置函数f(θ_j)的导数；进而由得到三相开关磁阻电机k+1时刻瞬时输出转矩所述的开关矢量选择模块分别将候选开关矢量集合中每个开关矢量S_p(k)作用下的转矩预测值和电流预测值代入以下评价函数J：其中，λ₁和λ₂为权重因子，λ₁仅在换相重叠区起作用，在单相导通区λ₁＝0；sum(.)表示对向量所有元素求和，为k‑1时刻的最优开关矢量；选择n个候选开关矢量中使得评价函数最小的最优开关矢量控制信号S_p^*(k)＝minJ{S_p(k)}输出至功率放大模块；所述的功率放大模块对控制信号S_p^*进行功率放大，然后输出至功率变换器，控制开关管通断。