开关磁阻电机可变开关点无模型预测电流控制方法

本发明涉及开关磁阻电机预测电流控制领域，尤其是一种开关磁阻电机可变开关点无模型预测电流控制方法。

背景技术：

1、开关磁阻电机具有结构简单、控制方式灵活和可靠性高等优点，适合运行于复杂多变的环境中。开关磁阻电机调速系统通常使用双环控制，外环为转速环，内环为电流环。电流环采用模型预测电流控制，系统可以实时进行滚动优化，响应速度快，对非线性系统也能有良好的控制性能，但是采用的是单矢量的控制方式，即在一个完整的控制周期内仅施加一个逆变器基本电压矢量，使得开关磁阻电机控制系统存在稳态电流脉动较大的缺陷，同时模型预测电流控制过程中依赖于开关磁阻电机的参数，一旦由于电机参数偏移和系统扰动引起的开关磁阻电机模型失配，将会直接影响模型预测控制的开关磁阻电机控制系统的控制性能及鲁棒性。因此，为了降低输出电流的稳态脉动以及摆脱对开关磁阻电机的参数的依赖，提高系统的控制性能，亟需提出行之有效的解决方案。

技术实现思路

1、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可变开关点无模型预测电流控制方法。

2、本发明提出的技术方案为：

3、一种开关磁阻电机可变开关点无模型预测电流控制方法，是将参考转速与实际转速作差经过比例积分控制器得到参考电流，根据开关磁阻电机的相电压方程去建立电流超局部模型，设计了非线性扰动观测器对系统扰动值进行估计并进行前馈补偿，提高系统的鲁棒性和抗干扰性，然后根据输出电流纹波的最小化计算出当前时刻的最优开关点即当前时刻的占空比，然后将所有的候选电压矢量代入进评价函数中，选取其中使得评价函数最小的电压矢量作为当前控制周期所需的电压矢量，最后通过直角三角调制波生成开关信号实现在最优开关点处作用所求得的电压矢量。

4、本发明的一种开关磁阻电机可变开关点无模型预测电流控制方法包括如下步骤：

5、步骤1：根据开关磁阻电机的相电压方程建立电流超局部模型。

6、步骤2：设计非线性扰动观测器对系统扰动值进行估计并进行前馈补偿。

7、步骤3：通过对输出电流纹波的最小化计算得到当前时刻的最优开关点。

8、步骤4：根据评价函数选取出所需电压矢量，通过直角三角调制波生成开关信号在最优开关点处作用求得的电压矢量。

9、进一步的进行分析，开关磁阻电机的相电压平衡方程式为：

10、 （1）

11、式中， u为开关磁阻电机的相电压， i为相电流， r为相绕组的电阻， ψ为相绕组的磁链， θ为转子位置角。

12、考虑到参数变动和未知干扰项，式(1)可改写为：

13、 （2）

14、式中，∆ r为外加电阻， ∆∂ψ/∂i为磁链对电流的偏导的摄动量， ∆∂ψ/∂θ为磁链对转子位置角的偏导的摄动量， f为未知干扰项。

15、式(2)可表示为：

16、 （3）

17、对于一阶输入-输出系统，传统的超局部数学模型为：

18、 （4）

19、式中， y为系统输出， u为系统输入， f为系统已知和未知干扰之和， α为系统的状态增益。

20、开关磁阻电机的超局部模型为：

21、 （5）

22、式中， u为开关磁阻电机的相电压， α为系统的状态增益， f的表达式为：

23、 （6）

24、将式(5)进行离散化，获得下一时刻的定子电流预测值的表达式：

25、 （7）

26、式中， i( k)为 k时刻的相电流实际值， i( k+1)为( k+1)时刻的相电流预测值， ts为系统的控制周期。

27、对于式(5)中开关磁阻电机电流超局部模型，非线性扰动观测器设计为：

28、 （8）

29、式中， l( x)为非线性扰动观测器的增益， λ( x)为设计观测器的非线性函数， z为观测器的中间变量，为总扰动的估计值。

30、观测器增益与设计的非线性函数之间的关系为：

31、 （9）

32、用 u x( x=0,1,2…)表示在开关状态切换点 t z处施加的电压矢量， t z的表达式为：

33、 （10）

34、式中， t z为开关状态切换点， n z( k)表示在第 k个控制周期内开关状态切换点的位置，且 n z( k)∈[0,1]。

35、基于输出电流纹波最小化原则即输出电流误差的能量含量最小，利用输出电流误差的均方根值的平方进行计算：

36、 （11）

37、式中， ie,rms为输出电流误差的均方根值， iref( k)为 k时刻的参考电流值， i( t,u( k))是在 k时刻电压矢量产生的输出电流， i( t,u(k+n z( k)))是在 k时刻的候选开关位置 t z作用的电压矢量产生的输出电流。

38、 i( t,u( k))和 i( t,u(k+n z( k)))的表达式分别为：

39、 （12）

40、 （13）

41、式中， m1为 k时刻输出电流的斜率， m2为 k+ n z( k)时刻输出电流的斜率，式(12)中的 i( t0)恒等于 i( k)为在第 k个控制周期开始时测量到的实际电流值。

42、电流斜率的表达式为：

43、 （14）

44、式中， i( k)为 k时刻的实际电流， i( k+1)是计算出的 k+1时刻的电流值流值，∆ i为预测电流与实际电流的差值。

45、 m1， m2的表达式为：

46、 （15）

47、 （16）

48、式中， u( k)为 k时刻作用的电压矢量， u( k-1+ n z( k-1))为 k-1+ n z( k-1)时刻作用的电压矢量， u( k+n z( k))为 k+ n z( k)时刻作用的电压矢量，为第 k-1个周期的 n z( k-1)时刻作用的电压矢量计算出的电流值，为第 k个周期的 n z( k)时刻作用的电压矢量计算出的电流值。

49、根据输出电流误差的均方根值的平方的导数为零得到候选开关位置 t z的值为：

50、 (17)

51、式中， p = (2 i( k)-2 iref ( k)+ ts· m2)( m2- m1)， q = (2 m1- m2)( m1- m2)。

52、开关磁阻电机的功率变换器采用不对称半桥结构，上下桥臂各由一个场效应管组成，两个场效应管的通断组合构成三种工作模式：

53、 (18)

54、式中， uph(on)为上下桥场效应管同时导通时绕组电压值， uph(off)为上桥场效应管关断同时下桥场效应管导通时绕组电压值， uph(down)为上下桥场效应管同时关断时相电压值， ron是场效应管的导通阻值， ud为二极管压降， udc为母线电压。

55、设计评价函数为：

56、 (19)

57、式中， i( k+ n z( k))为 k+ n z( k)时刻的预测电流值， u( k)为 k时刻的电压矢量， u( k+1)为 k+1时刻的预测电压矢量， λ为加权因子。

58、根据评价函数求得最优电压矢量，最后经过直角三角调制波生成开关信号控制逆变器的开关状态。

59、有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明适用于一种开关磁阻电机可变开关点无模型电流预测控制方法，有效解决了电流稳态脉动过大的问题。通过电流超局部模型代替开关磁阻电机的数学模型，有效避免了电机参数漂移和系统扰动引起的开关磁阻电机模型失配问题。利用非线性扰动观测器去估计超局部模型中的总扰动，提高了系统的鲁棒性和抗干扰性。此外，采用可变开关点方法，使电压矢量作用时间小于一个控制周期，在不显著增加开关频率的情况下有效的减小了电流的稳态脉动。