一种开关磁阻电机电流交点预测控制策略

1.本发明涉及开关磁阻电机模型预测控制技术领域，用于解决开关磁阻电机工作在非线性状态时，电机控制系统由于电流采样频率有限以及功率变换器工作状态难以确定的问题，减少功率开关管开关频率的同时提高电流预测控制系统的准确性。


背景技术：

2.开关磁阻电机(srm)具有结构简单、控制方式灵活、功率密度高等优点，适合运行于复杂多变的工况。开关磁阻电机有广泛的调速范围，可实现电机的高速运转，开关磁阻电机调速系统通常采用电流环作为内环，转速环作为外环进行控制，电流环通常采用电流pi控制、模型预测控制等方法。
3.电流pi控制作为广泛使用的控制方式，原理简单，适应性强，当注重电机控制系统的成本，对电机性能要求不高时，电流pi控制优势明显。但是电流pi控制精度不高，在系统误差较大时响应速度慢，且容易产生超调，影响系统的性能表现。同时pi控制没有严谨有效的理论来确定合适的p、i参数，在应用中主要以经验为主，需要人工进行大量的仿真与实验，因此同样限制了控制系统的开发和应用；
4.电流模型预测控制逻辑清晰，针对非线性的系统也有较好的控制性能，系统可以实时进行滚动优化，响应速度快，预测产生的结果作为控制信号直接驱动开关管工作。但电流模型预测控制同样存在缺点，凸出的问题就是计算量大，对控制系统的运算能力要求很高，进而提高了控制系统的成本，同时由于采样频率的限制，在较低采样频率时控制效果差。因此需要发明一种控制方法，其应具有较高的控制精度，对控制器计算能力要求不高，容许步长较大，减少功率变换器的开关损耗及发热。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对已有技术中存在问题，提供一种开关磁阻电机电流交点预测控制策略。
6.本发明提出的技术方案为：
7.一种开关磁阻电机电流交点预测控制策略，完成该控制方法的开关磁阻电机驱动系统包括微控制器1、三相开关磁阻电机2、功率变换器3、pwm驱动单元4、电流传感器5、位置传感器6；其中功率变换器3主电路采用三相不对称半桥结构；开关磁阻电机驱动系统采用外环转速闭环控制，实际转速由位置传感器6测得并计算得到，实际转速和参考转速做差经过pi控制器后得到参考电流，内环采用电流环控制，通过有限元分析得到电感、电流值和转子位置角的关系，相电感以及反电动势值通过相电流值和转子位置角在二维查表法中得到。通过上述得到的条件进一步计算，从而得到对应步长内各igbt组合状态工作区间，将其作为对应相开关管pwm控制信号驱动电机运转。具体方法如下：
8.(1)建立电流预测模型
9.srm功率变换器采用不对称半桥结构，上下桥臂各由一个igbt组成，两个igbt的通
断组合构成三种状态：定义功率变换器上下桥igbt同时导通为状态1，此时绕组处于励磁状态；上桥igbt关断同时下桥igbt导通为状态0，此时绕组处于续流状态；上下桥igbt同时关断为状态-1，此时绕组处于退磁状态；由功率电路拓扑可得3种状态下的相电压分别为：
[0010][0011]
式(1)中：u
ph(on)
为上下桥igbt同时导通时绕组电压值；u
ph(off)
为上桥igbt关断同时下桥igbt关断时绕组电压值；u
ph(down)
为上下桥igbt同时关断时相电压值；u
dc
为母线侧电压值；ug为igbt管压降；ud为二极管管压降；ur为相绕组电阻压降；
[0012]
忽略相间互感，可得电机相绕组电压方程，而磁链是电感和电流的函数，电感又随转子位置角和绕组电流而变化，可得式(2)：
[0013][0014]
其中u
ph
为绕组相电压值，r为绕组电阻值，i
ph
为绕组电流值，ψ
ph
为绕组磁链值，θ为转子位置角，l
inc
为电感增量，e
bmf
为绕组反电动势值。
[0015]
根据欧拉近似，相绕组电压公式可离散为：
[0016]
[i
ph
(k+1)-i
ph
(k)]/ts＝l
inc
(k)-1
[u
ph
(k)-ri
ph
(k)-e
bmf
(k)](3)
[0017]
其中ts为采样时间。
[0018]
(2)建立预测电流与参考电流的关系
[0019]
根据式(1)和式(3)可以得到式：
[0020][0021]
式中，i
ph(on)
(k+1)为相电压为u
ph(on)
情况下预测到的下一个采样点电流；i
ph(off)
(k+1)为相电压为u
ph(off)
情况下预测到的下一个采样点电流；i
ph(down)
(k+1)为相电压为u
ph(down)
情况下预测到的下一个采样点电流；
[0022]
(3)计算采样周期内各开关状态占空比
[0023]
从当前时刻电流值到下一时刻参考电流值，当前电流值i
ph
(k)和参考电流值i
phref
(k+1)共有三种情况：
[0024]
情况1：当前电流等于参考电流，即：i
ph
(k)＝i
phref
(k+1)；
[0025]
情况2：当前电流大于参考电流，即：i
ph
(k)》i
phref
(k+1)；
[0026]
情况3：当前电流小于参考电流，即：i
ph
(k)《i
phref
(k+1)；
[0027]
根据各种情况，匹配相应的开关管组合状态占空比，即可使得预测电流值精确地到达下一时刻参考电流值。
附图说明
[0028]
图1是本发明下一时刻相绕组参考电流与当前电流相等时各开关状态占空比计算
方法。
[0029]
图2是本发明下一时刻相绕组参考电流小于当前电流，但是大于整个采样周期进行退磁后的电流值时各开关状态占空比计算方法。
[0030]
图3是本发明下一时刻相绕组参考电流小于当前电流，并且小于整个采样周期进行退磁后的电流值时各开关状态占空比计算方法。
[0031]
图4是本发明下一时刻相绕组参考电流大于当前电流，但是小于整个采样周期进行励磁后的电流值时各开关状态占空比计算方法。
[0032]
图5是本发明下一时刻相绕组参考电流大于当前电流，并且大于整个采样周期进行退磁后的电流值时各开关状态占空比计算方法。
具体实施方式
[0033]
下面结合附图以具体实施例对本发明适用的三相12/8开关磁阻电机的详细原理作进一步的描述：
[0034]
其中i
ref
为下一时刻参考电流值，i(k+1)-为整个采样周期进行退磁后的相绕组电流值，i(k+1)
+
为整个采样周期进行励磁后的相绕组电流值。
[0035]
①
：对于情况1，i
ref
＝i(k)，此时电机绕组既不需要励磁也不需要退磁，相绕组电流值保持恒定，开关管处于续流阶段，即igbt组合状态0,有ts＝t
off
，如图1所示。
[0036]
图1中虚线i
ph
(on)、i
ph
(off)、i
ph
(down)分别为t(k)时刻对绕组进行励磁、续流、退磁时相绕组电流趋势，虚线i
ph
(on)、i
ph
(off)、i
ph
(down)的斜率分别对应式(4)中第1、2、3个公式左侧项。
[0037]
②
：对于情况2，当i(k+1)-《i
ref
《i(k)，此时可通过解三角形法求得绕组退磁和励磁状态在一个周期内的占空比，使得预测电流在下个采样周期到达参考电流值，如图2所示。
[0038]
虚线i
ph
(down)过点[t(k),i
ph
(k)],令其为函数式i
ph1
(t1),平移虚线i
ph
(on)使其过点[t(k+1),i
ph
(k+1)]，令其为函数式i
ph2
(t2)，结合式(4)可得两条虚线的函数关系式：
[0039]iph1-i
ph
(k)＝l
inc
(k)-1
[u
ph(down)
(k)-ri
ph
(k)-e
bmf
(k)][t
1-t(k)](5)
[0040]iph2-i
ph
(k+1)＝l
inc
(k)-1
[u
ph(on)
(k)-ri
ph
(k)-e
bmf
(k)][t
2-t(k+1)](6)
[0041]
联立式(5)和(6)，解得t
down
和t
on
分别为：
[0042][0043][0044]
式中：
[0045]
a＝l
inc
(k)-1
[u
ph(down)
(k)-ri
ph
(k)-e
bmf
(k)]
[0046]
b＝l
inc
(k)-1
[u
ph(on)
(k)-ri
ph
(k)-e
bmf
(k)]
[0047]
此时开关管在t
down
和t
on
时间段分别工作于igbt组合状态-1和1，有ts＝t
down
+t
on
。
[0048]
③
：对于情况2，当i
ref
《i(k)同时i
ref
《i(k+1)-，此时在一个采样周期内无论怎样调整开关管工作状态，预测电流均无法达到下一时刻参考电流值，只能在全采样周期进行退磁从而尽量减少误差，此时开关管igbt工作于组合状态-1，有ts＝t
down
，如图3所示。
[0049]
④
：对于情况3，当i(k+1)
+
》i
ref
》i(k)，同
②
，同样可通过解三角形法求得绕组励磁和退磁状态在一个周期内的占空比，使得预测电流在下个采样周期到达参考电流值，如图4所示。
[0050]
虚线i
ph
(on)过点[t(k),i
ph
(k)],令其为函数式i
ph1
(t1),平移虚线i
ph
(down)使其过点[t(k+1),i
ph
(k+1)]，令其为函数式i
ph2
(t2)，结合式(4)可得两条虚线的函数关系式：
[0051][0052][0053]
联立式(9)和(10)，解得t
on
和t
down
分别为：
[0054][0055][0056]
式中：
[0057][0058][0059]
此时开关管在t
on
和t
down
时间段分别工作于igbt组合状态1和-1，有ts＝t
on
+t
down
。
[0060]
⑤
：对于情况3，当i
ref
》i(k)同时i
ref
》i(k+1)
+
，此时在一个采样周期内无论怎样调整开关管工作状态，预测电流均无法达到下一时刻参考电流值，只能全采样周期进行励磁从而尽量减少误差，此时开关管igbt工作于组合状态1，有ts＝t
on
，如图5所示。
[0061]
与传统开关磁阻电机电流预测控制技术方案比较，本发明提出的开关磁阻电机电流交点预测控制策略无需遍历所有的功率开关管开关状态，减小了微控制器的计算量，占用内存小。在系统步长较大时，仍能保持较高的预测电流精度，即系统在较低采样频率下仍能实现准确有效的控制，进一步减小了对微控制器的性能要求，节省开关磁阻电机控制系统成本。