一种基于转矩分配函数预测补偿的开关磁阻电机双环模型预测转矩控制方法

本发明属于电机控制领域，提出一种基于转矩分配函数预测补偿的开关磁阻电机双环模型预测转矩控制方法来抑制开关磁阻电机的转矩脉动和提高电机的动态性能。

背景技术：

1、开关磁阻电机具有结构简单、无永磁体、启动转矩大、启动电流小、可靠性高、制造成本低、容错能力强等优点，在工业应用中受到越来越多的关注。然而，高度非线性的电磁特点，以及双凸极结构导致开关磁阻电机具有高转矩脉动和噪声，这限制了其在高性能场所的应用，如汽车。为了使开关磁阻电机能够更好的应用于高性能场所，不仅要考虑抑制高转矩脉动的问题，同时也要考虑电机的调速性能。近年来，关于减小转矩脉动和提高电机动态性能的研究越来越受到学者的重视。

2、采用先进的控制技术来减小转矩脉动和提高动态性能是较常见的方法。为减小转矩脉动，传统的转矩控制方法有直接转矩控制(dtc)和间接转矩控制(itc)。之后人们提出了转矩分配函数(tsf)来减小电机的转矩脉动。现如今转矩控制已经结合了自适应控制、滑膜控制、bp-神经网络、迭代学习控制、模型预测控制(mpc)等先进的控制算法，提高了控制性能。其中模型预测控制因其逻辑简单，易于在非线性和多变量系统中实现，在电机控制领域受到大量关注。

3、为了提高电机的动态性能，最传统的控制方法是pi环作为速度外环，以此来对电机的动态性能进行控制。但由于pi速度环参数调节困难、非线性模型控制精度低、响应速度慢等问题。之后人们提出模糊控制、模糊pi控制、滑膜控制等先进控制策略来替代传统的pi速度环，以此来提高电机的动态性能。由于srm是非线性模型，并且mpc对非线性模型具有很好的处理能力。因此，本文创建模型预测速度控制器，利用mpc在处理非线性模型和动态响应速度方面的优势，来提高电机的动态性能。

4、本发明针对开关磁阻电机的转矩脉动较大，传统pi速度环无法满足整个调速范围内高性能控制要求的问题。提出了一种基于转矩分配函数预测补偿的开关磁阻电机双环模型预测转矩控制方法来抑制开关磁阻电机的转矩脉动和提高电机的动态性能。

技术实现思路

1、本发明在外环方面，针对传统的pi速度环无法满足整个调速范围内高性能控制要求的问题，将传统pi速度环替换为模型预测速度环，利用模型预测控制的强鲁棒性来改善电机的动态性能。在内环方面，针对传统的转矩分配函数(tsf)与模型预测转矩控制(mptc)相结合时存在的开关状态较多、计算量较大以及在电机高速运行时换相区转矩脉动较大等问题，提出了一种模型预测补偿转矩分配函数的控制方法，该方法利用模型预测控制的在线预测优化能力，对换相区参考转矩进行预测补偿，以达到减小转矩脉动的目的。并基于控制算法的特点，对开关状态表进行了优化，从而减小大量无用的计算，提高了控制器的运行效率。该算法不仅可以有效抑制电机的转矩脉动，而且可以改善电机的动态响应性能。

2、本发明的技术方案为：

3、提出一种基于转矩分配函数预测补偿的开关磁阻电机双环模型预测转矩控制方法，包括以下步骤：

4、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；

5、步骤2：采集电机在k时刻的转子位置θ(k)、转速ω(k)、相电流iph(k)的值；

6、步骤3：将开关磁阻电机的机械方程离散化，将连续模型转换为离散模型得到k+1时刻的预测角速度ωm(k+1)与k时刻的实际角速度ω(k)之间的关系；

7、步骤4：建立一阶指数变化形式的转速参考轨迹方程；

8、步骤5：考虑未建模动态、干扰等不确定对输出的影响，得出k+1时刻的速度参考值ωc(k+1)与实际速度值ω(k+1)之间的关系；

9、步骤6：建立模型预测速度环的代价函数j[tref(k)]；

10、步骤7：根据模型预测速度环的代价函数在线寻优得到最优输出指令tref(k)，将tref(k)作为转矩内环的给定，至此模型预测速度环设计完毕；

11、步骤8：根据不对称半桥功率变换器的工作模式和转子的矩角特性制定相应的开关状态表。

12、步骤9：根据步骤2得到的测量数据和步骤8中转子位置对应的开关状态，预测k+1时刻的转子位置θ(k+1)、相电流iph(k+1)，并根据步骤1计算出相应的tph(k+1)。

13、步骤10：将步骤7得到的tref(k)和下一时刻的转子位置θ(k+1)以及预测差值errorph(k+1)带入在线补偿tsf模块得到a、b、c三相的参考转矩ta,ref(k+1)、tb,ref(k+1)、tc,ref(k+1)。

14、步骤11：建立模型预测转矩内环的代价函数j1[u(k)]；

15、步骤12：将步骤8中的所有开关状态，重复步骤9和步骤11，直到将k时刻位置对应的开关状态表全部遍历完，得到最小代价函数值对应的开关状态；

16、步骤13：将最优开关状态，作用到相应的桥臂。同时将最优开关状态下代价函数中下一时刻的相参考转矩tref(k+1)与下一时刻的预测相转矩tph(k+1)的差值errorph(k+1)，对换向区的tsf进行补偿，已达到预测补偿的效果；

17、有益效果

18、本发明公开了一种基于转矩分配函数预测补偿的开关磁阻电机双环模型预测转矩控制方法。该控制方法建立了模型预测速度外环来获取tref(k)，利用模型预测控制动态响应速度快和处理非线性能力强的特点，解决了pi速度外环控制参数调节困难、非线性模型控制精度低、响应速度慢等问题，提高了电机的动态性能。在内环转矩控制中，采用了模型预测补偿tsf的控制方法，在传统tsf与mptc相结合的控制方法上，利用mptc代价函数在线寻优特点，得到最优开关状态下的下一时刻相参考转矩tph,ref(k+1)与下一时刻的预测相转矩tph(k+1)的差值errorph(k+1)＝tph,ref(k+1)-tph(k+1)，并用此差值对换相区相应的tsf进行补偿，以此达到电机高速运行时，抑制转矩脉动的效果。并根据转矩分配函数在换相区实际转矩与参考转矩的跟踪情况和算法特点对开关状态表进行优化，减小了大量无用计算。因此该方法不仅能够抑制电机的转矩脉动，而且能够提高电机的动态性能。仿真结果验证了所述方法的有效性。

技术特征：

1.一种基于转矩分配函数预测补偿的开关磁阻电机双环模型预测转矩控制方法，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于转矩分配函数预测补偿的开关磁阻电机双环模型预测转矩控制方法，其特征在于：建立了模型预测速度外环，利用模型预测控制动态响应速度快和处理非线性能力强的特点，解决了pi速度外环控制参数调节困难、非线性模型控制精度低、响应速度慢等问题，提高了电机的动态性能。本发明针对模型预测速度环的建模分析主要在权利要求1的步骤3-步骤7。

3.根据权利要求1中的步骤3，将开关磁阻电机的机械方程式(1)，在控制周期δt内采用正向欧拉方程离散化，将连续模型转换为离散模型，同时因为d较小，忽略阻尼项，得到下一时刻预测角速度ωm(k+1)和当前时刻实际角速度ω(k)之间的关系，如表达式(2)所示。

4.根据权利要求1中的步骤4，为提高电机的转速动态性能，系统的转速输出将要跟随一条光滑参考轨迹线，本发明采用一阶指数变化形式的转速参考轨迹，如式(3)所示。

5.根据权利要求1中的步骤6，设立模型预测速度环的代价函数，创建规则是在控制过程中，即希望未来时刻的预测角速度尽可能接近由参考轨迹确定的期望角速度，又不希望控制量变化过于剧烈，因此，选取的模型预测速度环的代价函数j[tref(k)]，如式(5)所示。

6.将权利要求5中模型预测速度环的代价函数j[tref(k)]，利用求得jmin[tref(k)]时，所对应的tref(k)的值，如式(5)所示，将其作为转矩内环的给定；

7.根据权利要求1中的步骤8，分析了电机高速运行时，实际转矩和参考转矩的跟踪情况，设计了开关状态表。本发明是基于余弦型转矩分配函数，励磁顺序是a→b→c的基础上，将换相区进行了分区，即区间1和区间2，本发明将这两个区间的分离点设置为后一相实际输出转矩与参考转矩相等时刻所对应的转子相对位置，根据不同的运行状态分离点也是可以在线调整的。其中ca换相区间的分离点为xa，ab换相区间的分离点为xb，bc换相区间的分离点为xc。

8.根据权利要求1中的步骤11，以抑制转矩脉动和较小铜损耗为目的创建了模型预测转矩内环的代价函数，由于本文采用了预测补偿转矩分配函数，因此各相独立控制，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。因此代价函数表达式如下：

9.根据权利要求1中的步骤13，将模型预测转矩内环中代价函数在最优开关状态下的下一时刻的相参考转矩tref(k+1)与下一时刻的预测相转矩tph(k+1)的差值定义为errorph(k+1)＝tph,ref(k+1)-tph(k+1)。

10.根据权利要求9中的errorph(k+1)对换向区的转矩分配函数进行预测补偿。补偿原理如下：以a相为例进行分析，在区间1中，电机总转矩偏低，主要原因是由于a相产生转矩能力较低引起的，考虑到此时c相产生转矩能力较强，通过模型预测得到a相的下一时刻相参考转矩ta,ref(k+1)和下一时刻的预测相转矩ta(k+1)的差值errora(k+1)，将其作为下一时刻c相参考转矩的补偿值。在区间2中，由于c相实际转矩无法快速下降，难以跟踪c相参考转矩，造成电机总转矩偏高，但考虑到此时a相具有很好的转矩跟踪能力，通过模型预测得到c相下一时刻相参考转矩tc,ref(k+1)和下一时刻的预测相转矩tc(k+1)的差值errorc(k+1)，将其作为下一时刻a相参考转矩的补偿值，进而减少电机的转矩脉动。其他相预测补偿同理，补偿之后a相参考转矩曲线函数如下：

技术总结
本发明公开了一种基于转矩分配函数预测补偿的开关磁阻电机双环模型预测转矩控制方法。该方法在外环中，建立了模型预测速度控制器，使其作为外环控制器，得到内环的总转矩给定。在内环中，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；之后推出了模型预测转矩控制的数学表达式和建立了以抑制转矩脉动和最小铜损为约束条件的代价函数；然后利用代价函数的寻优特性，得到最优开关状态下的下一时刻的相参考转矩与下一时刻的预测相转矩的差值，并采用此差值对换向区的转矩分配函数进行补偿；最后根据在转矩分配函数下实际转矩跟踪参考转矩的具体情况和控制算法的特性对开关状态表进行了优化，减少了大量的运算；最终通过仿真验证，该方法不仅可以有效抑制电机的转矩脉动，而且提高电机的动态响应时间。

技术研发人员：陈昊,何豪,戚湧,王冠钧,戈凯,赵熙,张珂,巩士磊,王星
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：2024/2/1