一种基于升压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

本发明属于电机控制领域，提出一种基于升压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来抑制开关磁阻电机的转矩脉动。

背景技术：

1、开关磁阻电机具有结构简单、启动力矩大、调速性能好、可靠性高、效率高等优点，广泛应用于电动汽车、混合动力汽车、风力发电、家用电器等领域。然而，srm的双凸极结构使其具有高度饱和非线性，固有的高噪声和大转矩脉动的缺点，使得实现最优控制更加复杂。较大的转矩脉动会引起转速波动和噪声，限制了srm的应用。因此抑制开关磁阻电机的转矩脉动已成为定下研究热点。

2、几十年来，采用了先进的srm控制技术来减小转矩脉动。srm的经典转矩控制策略可分为间接转矩控制(itc)和直接转矩控制(dtc)两类。ditc方法通过跟踪相电流来调节转矩，转矩控制偏好取决于参考电流产生算法。对于itc方法，它们可以大致组合为转矩共享函数(tsf)、谐波电流注入、电流剖析和矢量控制策略。

3、dtc方法通过期望转矩值与实际转矩值之间的偏差直接选择电压矢量。直接控制方法可分为直接瞬时转矩控制(ditc)和直接转矩控制(dtc)。传统的dtc方法将磁链和转矩控制在一定的滞环宽度内，以减小转矩脉动。

4、转矩控制方法结合了自适应控制、滑模控制、模糊控制、预测控制等先进控制算法，提高了控制性能。预测控制以其实现简单、动态响应快而逐渐成为传统控制器的替代品。预测控制技术主要分为广义预测控制(gpc)、基于滞后的预测控制(hpc)、差拍预测控制(dbpc)和模型预测控制(mpc)。mpc因其逻辑简单，易于在非线性和多变量系统中实现而脱颖而出。

5、目前针对模型预测转矩控制方法主要应用于不对称半桥拓扑，也有一些降压的多电平拓扑，这些拓扑会存在电平数目较少和所提供的电压不能使srm的绕组快速励磁和快速退磁。为此就需要一些升压多电平功率变换器的出现，结合模型预测转矩控制以此更好抑制开关磁阻电机转矩脉动。

技术实现思路

1、针对模型预测控制通常是在不对称半桥功率变换器下进行的，也有少数是在多电平功率变换器下进行，但基本上多出的电平是输入电压的一半，达不到srm绕组的快速退磁和快速励磁的效果，因此本发明提出了一种基于升压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。

2、该方法并不是将升压多电平拓扑的所有开关状态进行预测，而是通过电机的转角特性和电机的转矩特性，根据各相的转子位置进行开关状态的选取，在所选的开关状态中预测、寻优。该方法的总体步骤：首先测量电机的磁链特性曲线，采用夹转子法，根据磁链曲线拟合出电机的磁链方程，推出转矩方程；之后分析升压多电平拓扑开关管不同状态下所对应的工作模式和绕组电压，根据各相转子位置制定相应的开关状态表；然后根据当前电流、位置、转速等信息，结合开关状态表，预测下一时刻的电流和位置，从而计算出下一时刻的转矩，将对应的开关状态表遍历完，通过代价函数寻优，将最优的开关状态应用到对应相的开关管上，已达到抑制转矩脉动的效果。

3、本发明的技术方案为：

4、提出一种基于升压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，包括一下步骤：

5、步骤1：测量电机的磁链特性曲线，拟合出磁链解释式，推出转矩解析式。

6、步骤2：根据升压多电平功率变换器的工作模式所对应的开关状态及绕组电压，建立开关状态和绕组电压的对应关系。

7、步骤3：根据步骤2的工作模式和单相转子位置制定相应开关状态表如表1所示，以a相转子位置为例进行分析：由于本文采用了余弦分配函数，励磁顺序a→b→c，因此当0≤θa＜θon时，此时a相参考转矩为0，因此应该由于此时a相开关状态为-2；当θon≤θa＜θon+θov时，ac相换相，期望转矩升高，但由于电机此时电感变化率较低，产生的转矩很难跟踪产考转矩，因此应采用+2状态为绕组励磁，绕组退磁采用0，-2状态，即{2,0,-2}状态来使实际转矩跟踪参考转矩；当θon+θov≤θa＜θoff-θov时，此时a相单独导通，转子位置靠近开关磁阻电机定转子对齐位置，此时电感升高变化率较大，转矩易产生，不易衰减，因此励磁采用开关状态+1，退磁采用0，-2，即{1,0,-2}来维持转矩恒定；当θoff-θov≤θa＜θoff时，ab换相，a相期望转矩减小，此时电感持续升高，电感变化率也较大，绕组退磁较难，因此采用1状态给电机绕组励磁，绕组退磁采用-2状态进行，即{1,-2}来使实际转矩能够跟踪上期望转矩。

8、表1开关状态选择表

9、

10、表中：θon为a相转子开通位置，θoff为a相转子关断位置，θov为换相重叠角，θal是转子角周期45°；

11、步骤4：根据转速闭环确定总参考转矩tref，在根据转矩分配函数(余弦型)得到各相的参考转矩taref、tbref、tcref；其中转矩分配函数表达式如下：

12、

13、步骤5：采集出电机在当前时刻k的转子位置θph(k)、转速ω(k)、相电流iph(k)的值；

14、步骤6：根据步骤3中的开关状态表和步骤5中得到的测量值，预测k+1时刻电机的转子位置θ(k+1)、相电流iph(k+1)；

15、步骤7：根据步骤1中的转矩解释式和步骤6中预测出k+1时刻电机的转子位置和相电流，计算出电机在k+1时刻的转矩值tph(k+1)

16、步骤8：重复步骤6和步骤7，直到将k时刻位置对应的开关状态表全部遍历完，得到对应的tph(k+1)；

17、步骤9：根据代价函数j得到最优的开关状态作用到对应相上，以此来达到独立控制各相的目的；

18、有益效果

19、本发明公开一种基于升压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。本控制方法是在升压多电平的基于上，将转矩分配函数和模型预测控制结合起来，在转矩分配中，考虑对模型预测误差的补偿，获取各相的参考转矩。在模型预测控制利用模型预测的滚动优化，选取最优控制状态，以此达到更好的控制效果。本发明是针对传统拓扑电平数较少，提供电压较低与模型预测控制相结合时，电机绕组励磁和退磁时不能很好跟踪参考转矩，因此本文提出升压多电平拓扑和模型预测控制结合，利用升压多电平拓扑产生高于输入电压us的电压，利用模型预测控制算法进行寻优，以此来使电机在绕组励磁和退磁时能更好的跟踪参考转矩，达到更好抑制电机转矩脉动的效果。仿真实验结果验证了所述方法的有效性。

技术特征：

1.一种基于升压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：

2.根据权利要求1所述一种基于升压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，其特征在于：使用升压多电平功率变换器替代传统不对称半桥功率变换器或降压多电平功率变换器，解决了不对称半桥功率变换器电平数目较少和降压多电平功率变换器电压等级较低的问题。本文的升压多电平功率变换器提供“+2”、“+1”、“0”、“-2”四种电压等级，不仅提高电平数目，而且提供了高于输入电压的电压等级，解决了绕组励磁和退磁比较难的问题。根据升压多电平功率变换器的工作模式所对应的开关状态及绕组电压，建立开关状态和绕组电压的对应关系如表1所示。

3.根据权利要求1所述一种基于升压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，其特征在于：将转矩分配函数与模型预测控制相结合，使用转矩分配函数得到各相参考转矩taref、tbref、tcref，将各相分别使用模型预测控制算法处理，得到各自桥臂的开关信号，以此达到独立控制各相和减少转矩脉动的目的。其本文采用的余弦转矩分配函数如式1所示：

4.根据权利要求1所述一种基于升压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，其特征在于：模型预测控制算法并不是将升压多电平功率变换器产生的“+2”、“+1”、“0”、“-2”四种开关状态全部进行遍历，而是根据电机的转角特性和转矩特性制定相应的开关规则，如表2所示，以a相转子位置为例进行分析：由于本文采用了余弦分配函数，励磁顺序a→b→c，因此当0≤θa＜θon时，此时a相参考转矩为0，因此应该由于此时a相开关状态为-2；当θon≤θa＜θon+θov时，ac相换相，期望转矩升高，但由于电机此时电感变化率较低，产生的转矩很难跟踪产考转矩，因此应采用+2状态为绕组励磁，绕组退磁采用0，-2状态，即{2,0,-2}状态来使实际转矩跟踪参考转矩；当θon+θov≤θa＜θoff-θov时，此时a相单独导通，转子位置靠近开关磁阻电机定转子对齐位置，此时电感升高变化率较大，转矩易产生，不易衰减，因此励磁采用开关状态+1，退磁采用0，-2，即{1,0,-2}来维持转矩恒定；当θoff-θov≤θa＜θoff时，ab换相，a相期望转矩减小，此时电感持续升高，电感变化率也较大，绕组退磁较难，因此采用1状态给电机绕组励磁，绕组退磁采用-2状态进行，即{1,-2}来使实际转矩能够跟踪上期望转矩。

5.本文模型预测的数学模型是基于开关磁阻电机的电压平衡方程进行推导出srm的数学模型，采用正向欧拉法将srm的数学模型离散化，将连续时间模型转换为离散时间模型，推导过程如下，首先srm的电压平衡方程为：

6.本文的转矩估算模块不是使用查表法，而是使用解析法得到，首先根据电机磁链曲线，拟合出磁链方程，然后根据磁链与转矩的关系，推导出转矩解析式，推导如下，首先拟合出磁链解析式如下：

7.本文由于使用了转矩分配函数，因此有三个代价函数分别对应电机的a、b、c三相，以此来达到各相独立控制的目的，本文的约束量不仅有转矩还有电流，因此代价函数表达式如下：

技术总结
本发明公开一种基于升压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，首先通过测量电机磁链特性曲线，拟合出磁链特性曲线方程，在根据磁链和转矩之间的关系推出转矩表达式；之后根据升压多电平拓扑制定相应的开关状态表；然后根据当前位置、转速和电流信息，以及不同转子位置下的开关状态，预测出下一时刻的电流和位置，根据转矩表达式计算下一时刻的转矩。然后重复上述预测过程，直到遍历完当前位置下所有的开关状态，通过代价函数得到最优的开关状态，作用在升压多电平功率变换器上，以此达到抑制开关磁阻电机转矩脉动的效果。

技术研发人员：陈昊,何豪,王星,赵熙,巩士磊,张珂,袁利,徐立军
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22