一种基于多电平功率变换器的开关磁阻电机模型预测转矩控制方法

1.本发明属于电机控制领域，具体为一种基于多电平功率变换器的开关磁阻电机模型预测转矩控制方法。


背景技术：

2.在自身结构上，开关磁阻电机定子和转子均为凸极结构，不存在转子绕组和永磁体，结构简单且坚固，成本又相对较低。它拥有较高的转矩密度、功率密度的同时，又不存在齿槽扭矩。因此磁阻电机的结构相对于其他电机更坚固，在恶劣环境中运行会更加持久。在电机控制上，开关磁阻电机的可控性高，它的电磁转矩方向由绕组励磁顺序决定而与电流方向无关。由于开关磁阻电机具有高效率，高可靠性，高启动转矩与高容错能力等许多固有优点被广泛应用于电动汽车、家用电器、航空航天、工业传动等领域。然而，由于其电磁特性的高度非线性，开关磁阻电机存在转矩脉动和伺服振动等缺点，这些缺点限制了其应用领域。因此为提高开关磁阻电机调速系统的性能，抑制转矩脉动和振动已成为开关磁阻电机的研究热点。
3.目前常用的减小转矩脉动的方法主要有转矩分配函数、相电流pi控制器、直接转矩控制和直接瞬时转矩控制等，这些方法都各有利弊。模型预测控制通过构建代价函数，直观方便地实现多目标优化，在开关磁阻电机控制中受到越来越多的关注。通过构建开关磁阻电机转矩和径向力的成本函数，模型预测控制既同时解决转矩脉动和振动的问题，对提高开关磁阻电机适用性和调速性能有着重要作用。
4.而目前的模型预测控制方法运用的功率变换器都是传统不对称半桥的三电平，虽然也有减小转矩波动的效果，但是三电平已经越来越不能满足电机在高速以及各种应用领域的需求了，于是就需要更加灵活和高效的多电平功率变换器的出现，这就使得对于多电平功率变换器的控制方法提出了要求。


技术实现要素：

5.针对传统模型预测是对不对称半桥三电平功率变换器的控制，但三电平不能很好的满足器件以及电平多样性要求的问题，本发明提出了一种基于多电平功率变换器开关磁阻电机模型预测转矩控制方法，该方法不再是针对传统不对称半桥功率变换器的控制，而是针对五电平的功率变换器的方法。
6.该方法不是简单的延续三电平时对所有的开关状态进行预测，而是通过一定的选取进行预测，针对换相算法以及矢量优化提出了改进策略。该方法的总体步骤是：首先通过离线测量获取开关磁阻电机的电感特性、转矩特性，制作出电机的磁链电流转矩表；之后根据当前位置、转速和电流信息，结合开关状态查表预测下一时刻的电流和位置信息；而为进行延时补偿，还需再进一步预测之后两时刻的电流和位置信息，然后查表获取各开关状态下的转矩并带入代价函数，通过代价函数寻优得到最优解的开关状态，再通过开关信号的
解耦分别对应于三相的功率变换器的开关管的开关状态，以此达到转矩脉动抑制的效果。
7.本发明的技术方案为：
8.所述一种基于多电平功率变换器的开关磁阻电机模型预测转矩控制方法，包括以下步骤：
9.步骤1：确定参考转矩t
ref
；获取开关磁阻电机电感特性、磁链特性和转矩特性，并根据以上特性构建数据表l
ph
(i
ph
,θ)、t
ph
(i
ph
,θ)；其中，l
ph
、t
ph
、i
ph
、θ分别表示开关磁阻电机相电感、相转矩、相电流和转子位置；
10.步骤2：采集电机在k时刻的转子位置θ(k)、相电流i
ph
(k)、转速ω(k)以及相电压v
ph
(k)和磁链ψ
ph
(k)的值；
11.步骤3：根据步骤2得到的测量数据，预测k+1时刻的转子位置θ(k+1)、磁链ψ
ph
(k+1)；并通过查表获得相电流i
ph
(k+1)；其中
12.θ(k+1)＝θ(k)+ω(k)ts
13.ψ
ph
(k+1)＝[v
ph
(k)-i
ph
(k)r]ts+ψ
ph
(k)
[0014]
式中r为负载电阻，ts为采样频率，ω(k)、θ(k)、i
ph
(k)、v
ph
(k)分别为k时刻的转速、转子位置、相电流、相电压，θ(k+1)、i
ph
(k+1)分别为k+1时刻的转子位置和相电流值；
[0015]
步骤4：根据公式θ(k+2)＝2θ(k+1)-θ(k)预测k+2时刻转子位置θ(k+2)，式中θ(k)、θ(k+1)、θ(k+2)分别为k、k+1、k+2时刻的转子位置；根据k+2时刻转子位置θ(k+2)，判断其是否处于换相区，如果处于换相区，则对k+2时刻可能的12种开关状态分别进行转矩预测，如果不处于换相区，则对k+2时刻可能的5种开关状态分别进行转矩预测；
[0016]
所述5种开关状态分别为：
[0017]
a相、b相、c相的开关状态变量分别为(1，-1，-1)，(0.5，-1，-1)，(0，-1，-1)，(-0.5，-1，-1)，(-1，-1，-1)；
[0018]
所述12种开关状态分别为：
[0019]
a相、b相、c相的开关状态变量分别为(1，1，-1)，(1，0.5，-1)，(1，0，-1)，(1，-0.5，-1)，(1，-1，-1)，(0.5，0.5，-1)，(0.5，0，-1)，(0.5，-0.5，-1)，(0.5，-1，-1)，(0，0，-1)，(0，-0.5，-1)，(0，-1，-1)；
[0020]
对每种开关状态进行转矩预测的过程为：
[0021]
步骤4.1：根据该开关状态的三相开关状态变量以及开关状态变量与相电压的关系，得到输出电压大小，即为k+1时刻的预测相电压v
ph
(k+1)；进而利用公式
[0022]
ψ
ph
(k+2)＝[v
ph
(k+1)-i
ph
(k+1)r]ts+ψ
ph
(k+1)
[0023]
预测k+2时刻磁链ψ
ph
(k+2)，然后通过查表法获得k+2时刻的相电流i
ph
(k+2)；
[0024]
步骤4.2：结合k+2时刻的相电流和转子位置信息，通过查表t
ph
(i
ph
,θ)预测k+2时刻的相转矩t
ph
(k+2)，进而根据公式求取总转矩：
[0025][0026]
式中n
ph
表示开关磁阻电机相数，ph表示相数数值，t
ph
(k+2)表示k+2时刻的相转矩，t(k+2)表示开关磁阻电机总转矩；
[0027]
步骤4.3：根据步骤4.2预测出k+2时刻的总转矩，求出代价函数：
[0028]
j＝q
t
*(|t
a-t
aref
|2+|t
b-t
bref
|2+|t
c-t
cref
|2)+qi*(i
a2
+i
b2
+i
c2
)
[0029]
其中j为代价函数，q
t
为转矩误差所占比例，qi为相电流误差所占比例，ta、tb、tc为根据步骤4.2得到的开关磁阻电机总转矩t(k+2)分解出的三相转矩，ia、ib、ic为三相相电流，t
aref
、t
bref
、t
cref
为三相参考转矩；
[0030]
步骤5：对于步骤4所述5种开关状态或12种开关状态，分别求出对应的代价函数值，找出最小代价函数值对应的开关状态，即为使得转矩脉动最小的最优解开关信号；通过得到的最优解，得到最优解对应的三相开关状态变量，然后通过开关状态变量与每相的开关管的对应关系解耦得到各相开关管的开关状态；
[0031]
步骤6：在步骤5完成的基础上，返回到步骤2，以此循环。
[0032]
进一步的，所述参考转矩t
ref
由转矩分配函数确定，采用余弦函数作为转矩分配函数。
[0033]
进一步的，步骤5中，转矩误差所占比例q
t
取15，相电流误差所占比例qi取0.02。
[0034]
进一步的，步骤5中，开关状态变量与每相的开关管的对应表为
[0035]
modes1s2s3s41onononon0.5onononoff0ononoffoff-0.5offonoffoff-1offoffoffoff。
[0036]
进一步的，步骤4.1中，开关状态变量与相电压的关系为：当开关状态变量u
ph
＝1时，相电压v
ph
＝2u；u
ph
＝0.5时，相电压v
ph
＝u；u
ph
＝0时，相电压v
ph
＝0；u
ph
＝-0.5时，相电压v
ph
＝-u；u
ph
＝-1时，相电压v
ph
＝-2u。
[0037]
有益效果
[0038]
本发明公开了一种基于多电平功率变换器的开关磁阻电机模型预测转矩控制方法。同时将转矩分配与模型预测控制相结合，在转矩分配中，考虑对模型预估误差的补偿，获取各相的参考转矩。在模型预测控制中，通过离线测量获取开关磁阻电机的电感特性、转矩特性，根据当前位置、转速和电流信息，结合开关状态查表预测下一时刻的电流和位置信息；为进行延时补偿，还再进一步预测电流和位置信息，然后查表获取各开关状态下的转矩并带入成本函数，构建包含相参考转矩跟踪误差的代价函数，通过寻求使代价函数最优的控制信号，然后将最优的控制信号作为开关信号控制功率变换器中的开关，实现兼顾运行效率的开关磁阻电机转矩波动抑制。仿真结果验证了所述方法的有效性，所述方法控制逻辑简单、转矩脉动效果明显及易于工程实现。
[0039]
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0040]
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0041]
图1为基于模型预测控制的开关磁阻电机转矩脉动抑制方法的控制框图；
[0042]
图2～图6为开关磁阻电机多电平功率变换器单相桥臂五种开关状态示意图；(虚线为电流流向)；
[0043]
其中：
[0044]
图2为开关磁阻电机多电平功率变换器快速励磁状态电路图；
[0045]
图3为开关磁阻电机多电平功率变换器正常励磁状态电路图；
[0046]
图4为开关磁阻电机多电平功率变换器零压续流状态电路图；
[0047]
图5为开关磁阻电机多电平功率变换器正常退磁状态电路图；
[0048]
图6为开关磁阻电机多电平功率变换器快速退磁状态电路图；
[0049]
图7、图8为优化矢量选择图表(加深下划线的为被删选的矢量，黑色是备询选矢量)；
[0050]
其中：
[0051]
图7为单相导通区的5种矢量选择图表；
[0052]
图8为换相区的12矢量选择图表；
[0053]
图9为基于模型预测控制的开关磁阻电机转矩脉动抑制方法流程图；
[0054]
图10、图11为在2000rpm运行时，角度位置控制与模型预测控制的转矩脉动对比图；
[0055]
其中：
[0056]
图10为角度位置控制总转矩脉动图；
[0057]
图11为模型预测控制总转矩脉动图。
具体实施方式
[0058]
下面结合具体实施例描述本发明，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实例所用电机为一个1kw三相12/8极开关磁阻电机。
[0059]
本实施例提出了一种基于多电平功率变换器开关磁阻电机模型预测转矩控制方法，针对五电平进行模型预测控制，包括以下步骤：
[0060]
步骤1：给定参考转矩t
ref
，参考转矩是实际需要电机稳定达到的一个给定值。在闭环系统中，t
ref
可由转矩分配函数得到，转矩分配函数能够帮助模型预测控制在换相区进行换向，一般可以采用余弦函数作为转矩分配函数。其退磁相参考转矩t
dref
和励磁相t
eref
可由参考转矩t
ref
表示为
[0061]
t
eref
＝t
ref
*(0.5-0.5*cos(pi*(θ-θ
on
)/θ
ov
))
[0062]
t
dref
＝t
ref
*(0.5+0.5*cos(pi*(θ-θ
off
)/θ
ov
))
[0063]
其中θ为转子位置，θ
on
为开通角，θ
off
为关断角，θ
ov
为过度角。
[0064]
通过转子固定夹持法获取开关磁阻电机电感特性、磁链特性和转矩特性，并根据以上特性构建数据表l
ph
(i
ph
,θ)、t
ph
(i
ph
,θ)；其中，l
ph
、t
ph
、i
ph
、θ分别表示开关磁阻电机相电感、相转矩、相电流和转子位置。
[0065]
步骤2：采集电机在k时刻的转子位置θ(k)、相电流i
ph
(k)、转速ω(k)以及相电压v
ph
(k)和磁链ψ
ph
(k)的值；
[0066]
步骤3：根据步骤2得到的测量数据，预测k+1时刻的转子位置θ(k+1)、磁链ψ
ph
(k+1)；并通过查表法获得相电流i
ph
(k+1)；其中
[0067]
θ(k+1)＝θ(k)+ω(k)ts
[0068]
ψ
ph
(k+1)＝[v
ph
(k)-i
ph
(k)r]ts+ψ
ph
(k)
[0069]
式中r为负载电阻，ts为采样频率，ω(k)、θ(k)、i
ph
(k)、v
ph
(k)分别为k时刻的转速、转子位置、相电流、相电压，θ(k+1)、i
ph
(k+1)分别为k+1时刻的转子位置和相电流值；
[0070]
步骤4：根据公式
[0071]
θ(k+2)＝2θ(k+1)-θ(k)
[0072]
预测k+2时刻转子位置θ(k+2)，式中θ(k)、θ(k+1)、θ(k+2)分别为k、k+1、k+2时刻的转子位置；根据k+2时刻转子位置θ(k+2)，判断其是否处于换相区，如果处于换相区，则对k+2时刻可能的12种开关状态分别进行转矩电流预测，如果不处于换相区，则对k+2时刻可能的5种开关状态分别进行转矩电流预测；
[0073]
所述5种开关状态分别为：
[0074]
a相、b相、c相的开关状态变量分别为(1，-1，-1)，(0.5，-1，-1)，(0，-1，-1)，(-0.5，-1，-1)，(-1，-1，-1)；
[0075]
所述12种开关状态分别为：
[0076]
a相、b相、c相的开关状态变量分别为(1，1，-1)，(1，0.5，-1)，(1，0，-1)，(1，-0.5，-1)，(1，-1，-1)，(0.5，0.5，-1)，(0.5，0，-1)，(0.5，-0.5，-1)，(0.5，-1，-1)，(0，0，-1)，(0，-0.5，-1)，(0，-1，-1)。
[0077]
对于某一相而言，开关状态变量u
ph
与相电压v
ph
的关系如下：
[0078][0079]
其中u表示母线电压的一半，u
ph
表示开关状态变量，u
ph
＝1表示五电平功率变换器四个开关管都导通，u
ph
＝0.5表示五电平功率变换器三个开关管都导通，u
ph
＝0五电平功率变换器只有两个开关管导通，u
ph
＝-0.5表示五电平功率变换器只有一个开关管导通，u
ph
＝-1表示四个开关管都关闭。
[0080]
开关状态的组合规则为：在单向导通区，只计算当前导通相的开关状态，其余相位-1；在换相区，只预测正在换相的两相开关状态。
[0081]
modes1s2s3s4uph0offoffoffoff-11onoffoffoff
×
2offonoffoff-0.53ononoffoff04offoffonoff-0.55onoffonoff
×
6offononoff07onononoff0.58offoffoffon
×
9onoffoffon
×
10offonoffon
×
11ononoffon
×
12offoffonon013onoffonon
×
14offononon0.515onononon1
[0082]
上表为开关管状态对应开关状态变量的表格，其中u
ph
为开关状态变量，即每相桥臂两端输出电压与母线电压的比例，s1、s2、s3、s4表示每相四个开关管，on代表开通，off代表关断。
[0083]
对于五电平的功率变换器而言，可选择的空间矢量为125个，但是其中有许多赘余的矢量，所以要进行矢量优化选择。
[0084]
矢量的优化选择按照下面规则进行：
[0085]
单相导通区内，减小转矩时应尽量使用零电压续流状态以保证转矩平滑减小，避免因使用反向电压退磁状态而引起剧烈的转矩波动。
[0086]
在换相区内，不得同时切换两相绕组的工作状态，以避免超调导致转矩脉动变大及功率管频繁动作所产生功率损耗。
[0087]
在换相区内，开通相电压应始终大于等于零，以迅速建立所需的相电流，保证在单相导通区提供足够的转矩，且在需要增大转矩时优先给开通相励磁，所以将开通相电压小于零的值人为删去；关断相的电压不得大于开通相电压，避免相电流进入负转矩去产生负转矩，影响电机效率，在需要减小转矩时优先给关断相退磁，所以将断相的电压大于开通相电压的值人为删去。
[0088]
在换相区内，减小转矩时应尽量使退磁相保持在零压续流状态，以避免导致剧烈的转矩波动。
[0089]
最后得到12种优化后的备选向量。
[0090]
由于位置信号不能马上一一对这些开关矢量信号对应，于是我们需要先将位置划分区域，对应125种矢量信号，然后对这些矢量信号编码，选取我们需要的开关信号。三相的编码如下：
[0091]
a相编码公式为：y1＝[-floor(u/25.9)+2]/2
[0092]
式中，floor函数为向负无穷大方向取整函数。
[0093]
b相编码公式为：y2＝-{mod[floor(u/5.01),5]+2}/2
[0094]
式中，mod函数为取余函数
[0095]
c相编码公式为：
[0096][0097]
得到的三相的不同开关信号所对应的编码值会在最后完成最小化转矩脉动的代价函数计算后重新被取出，并解码成开关信号。
[0098]
对每种开关状态进行转矩预测的过程为：
[0099]
步骤4.1：对于预测的某一种可能的开关状态，根据三相的开关状态变量，以及开关状态变量与相电压的关系，得到输出电压大小，对应的输出电压大小也就是相电压大小，就可以得到k+1时刻的预测相电压v
ph
(k+1)；
[0100]
利用公式
[0101]
ψ
ph
(k+2)＝[v
ph
(k+1)-i
ph
(k+1)r]ts+ψ
ph
(k+1)
[0102]
预测k+2时刻磁链ψ
ph
(k+2)，然后通过查表法获得相电流i
ph
(k+2)；式中r为负载电阻，ts为采样频率，θ(k+1)、i
ph
(k+1)、v
ph
(k+1)分别为k+1时刻的转子位置、相电流、相电压，θ(k+2)、i
ph
(k+2)分别为k+2时刻的转子位置和相电流值；
[0103]
步骤4.2：结合k+2时刻的相电流和转子位置信息，通过查表t
ph
(i
ph
,θ)预测k+2时刻的相转矩t
ph
(k+2)，进而求取总转矩；
[0104][0105]
式中n
ph
表示开关磁阻电机相数，ph表示相数数值，t
ph
(k+2)表示k+2时刻的相转矩，t(k+2)表示开关磁阻电机总转矩；
[0106]
步骤4.3：根据步骤4.2预测出k+2时刻的总转矩，求解代价函数；代价函数如下：
[0107]
j＝q
t
*(|t
a-t
aref
|2+|t
b-t
bref
|2+|t
c-t
cref
|2)+qi*(i
a2
+i
b2
+i
c2
)
[0108]
其中j为代价函数，q
t
为转矩误差所占比例，qi为相电流误差所占比例，q
t
、qi为人为给定的数值，这里取转矩比重q
t
设为15，电流比重qi设为0.02，可以根据对需要电机性能作出相应改变。ta、tb、tc为根据步骤4.2得到的开关磁阻电机总转矩t(k+2)分解出的三相转矩，ia、ib、ic为三相相电流。t
aref
、t
bref
、t
cref
为三相参考转矩，其由转矩分配函数根据参考转矩给出。
[0109]
步骤5：利用5种或12种开关状态，分别求出对应的代价函数值，找出最小代价函数值对应的开关状态，即为使得转矩脉动最小的最优解开关信号。通过得到的最优解，得到最优解对应的三相开关状态变量，然后通过开关状态变量与每相的开关管的对应表解耦出各相开关管的开关状态；解耦函数表如下：
[0110]
modes1s2s3s41onononon0.5onononoff0ononoffoff-0.5offonoffoff-1offoffoffoff
[0111]
步骤6：在步骤5完成的基础上，返回到步骤2，以此循环。
[0112]
图9为本发明所提出的控制方法流程图，图10图11分别为使用角度位置控制和本发明所使用的方法的转矩脉动抑制对比图(2000rpm)。由角度位置控制切换到模型预测转矩脉动抑制控制方法时，转矩脉动由131％降低到23％。由此可见，本发明提出的基于模型预测控制的开关磁阻电机转矩脉动抑制方法对降低转矩脉动有明显的效果。
[0113]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例
性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。