CN109510539B - 一种基于增益矩阵的模型预测磁链控制***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于增益矩阵的模型预测磁链控制***及方法。通过数学模型构造观测器模型、求解异步电机极点、模型求解观测器的极点以及模型求解增益矩阵等一系列的方法，提供了一种全新的增益矩阵设计方法以代替传统增益矩阵，解决了现有技术中增益矩阵作用的局限性。不仅扩大了所使用的设计方法的适用性，而且在相较于传统的极点移动类配置方法的增益矩阵时，其阻尼比更大，更有利于电机的稳定。
Description
技术领域
本发明涉及电机领域，特别是指一种基于增益矩阵的模型预测磁链控制***及方法。
背景技术
在高性能异步电机调速控制***中，获取准确的磁链信息对于控制***的性能至关重要。然而，异步电机的内部磁场信息难以直接测量，在实际应用中通常利用软件算法进行估计。
现有技术主要应用的方法有电流模型法、电压模型法、滑模观测器、全阶观测器、卡尔曼滤波等方法。在这些方法中，全阶观测器由于在较宽的速度范围内具有良好的观测精度并且可以实现无速度运行而受到广泛关注，同时，全阶观测器具有良好的参数鲁棒性甚至可以进一步实现参数辨识，使得它可以适应实际工业应用中的复杂工况。与此同时，全阶观测器应用中的一个难点是反馈增益矩阵的设计，然而现有技术中的增益矩阵往往所使用的范围较为局限，即传统的极点移动类配置方法的增益矩阵只可以看作是增益矩阵的特例而不能很好地适用于多变的情况中。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于增益矩阵的模型预测磁链控制***及方法，用以解决现有技术中的传统矩阵适用范围较窄且在电机转速较高时电机容易失稳的问题。
基于上述目的，本发明提供了一种基于增益矩阵的模型预测磁链控制***及方法。一种基于增益矩阵的模型预测磁链控制***，包括变参数PI调节器模块、参考值转化模块、空间矢量脉冲宽度调制模块、第一αβ/abc模块、转速自适应全阶观测器模块、低通滤波器模块、三电平逆变器模块、第二αβ/abc模块和异步电机；所述转速自适应全阶观测器模块用于检测静止坐标系下的定子电压、定子电流以输出所述异步电机的定子磁链、电磁转矩以及电机转速；
所述低通滤波器模块用于接收所述电机转速并滤掉所述电机转速中的高频以输出滤后电机转速；
所述变参数PI调节器模块用于接收电机转速参考值、所述滤后电机转速并检测所述电机转速参考值与所述滤后电机转速的差值以输出相应的电磁转矩参考值；
所述参考值转化模块用于接收定子磁链参考值、所述定子磁链、所述电磁转矩、所述电磁转矩参考值并转化为磁链矢量参考值而求得输出静止坐标系下的定子电压参考值；
所述空间矢量脉冲宽度调制模块用于接收所述定子电压参考值以输出所述三电平逆变器的开关信号；
所述三电平逆变器模块用于接收所述开关信号以输出三相交流电实现对所述异步电机转速和磁链的控制。
在一些可选的实施方式中，所述空间矢量脉冲宽度调制模块与所述三电平逆变器之间通过延迟模块相连接。
一种基于增益矩阵的模型预测磁链控制***的控制方法，包括：
所述转速自适应全阶观测器模块检测静止坐标系下的定子电压、定子电流，输出所述异步电机的定子磁链、电磁转矩以及电机转速；
所述低通滤波器模块接收所述电机转速，滤掉所述电机转速中的高频以输出滤后电机转速；
所述变参数PI调节器模块接收电机转速参考值、所述滤后电机转速，通过检测所述电机转速参考值与所述滤后电机转速的差值而输出相应的电磁转矩参考值；
所述参考值转化模块接收定子磁链参考值、所述定子磁链、所述电磁转矩、所述电磁转矩参考值，转化为磁链矢量参考值而求得输出静止坐标系下的定子电压参考值；
所述空间矢量脉冲宽度调制模块接收所述定子电压参考值，输出所述三电平逆变器的开关信号；
所述三电平逆变器模块接收所述开关信号，输出为三相交流电，通过对所述三电平逆变器开关状态的控制，实现对所述异步电机转速和磁链的控制。
在一些可选的实施方式中，所述转速自适应全阶观测器，包括建立所述异步电机在两相静止坐标系下的数学模型：
y＝Cx
其中状态变量x＝[is ψs]T，is为所述定子电流矢量，ψs为所述定子磁链矢量。
在一些可选的实施方式中，根据所述数学模型构造转速自适应全阶观测器模型包括：
其中状态矢量
us为所述定子电压矢量，G1为增益矩阵，以所述定子电流矢量is和自身估计电流
之差作为校正项；将所述状态变量
逐步收敛至与***真实值相同，得所述定子磁链矢量参考值；根据所述定子磁链矢量参考值求得所述定子电压参考值。
在一些可选的实施方式中，根据所述数学模型，按照线性***特征根求解公式|sI-A|＝0，求得异步电机的极点S1和极点S2：
其中：
其中，t'σ为暂态时间常数，tr为转子时间常数，t's为定子暂态时间常数，ωr为所述电机转速。
在一些可选的实施方式中，根据所述异步电机的极点S1和极点S2，求得对应的观测器极点过程包括：异步电机的极点pIM为所述极点S1或者极点S2，与所述对应的观测器的极点POb间满足关系：Pob＝kPIM+b,(k＞0,b＜0)。
在一些可选的实施方式中，根据所述数学模型和所述转速自适应全阶观测器模型得矩阵特征方程：
eig(A-G1C)＝keig(A)+b
其中，eig()表示求所述矩阵特征方程的矩阵特征值，求取方程得所述增益矩阵G1的表达式：
从上面所述可以看出，本发明提供的一种基于增益矩阵的模型预测磁链控制***及方法。通过数学模型构造观测器模型、数学模型求解异步电机极点、求解观测器的极点以及根据模型求解增益矩阵等一系列的方法，提供了一种全新的增益矩阵设计方法以代替传统增益矩阵，解决了现有技术中增益矩阵作用的局限性。不仅扩大了所使用的设计方法的适用性，而且在相较于传统的极点移动类配置方法的增益矩阵时，其阻尼比更大，更有利于电机的稳定。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一个实施例的控制***结构示意图
图2是转速自适应全阶观测器的结构框图；
图3是两种不同增益矩阵的极点配置情况，对应转速范围-3000rpm至3000rpm；
图4是使用普通观测器G的MPFC控制算法下异步电机从静止启动到1500rpm的实验波形；
图5是使用增益矩阵观测器G1的MPFC控制算法下异步电机从静止启动到1500rpm的实验波形。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
需要说明的是，本实用实施例中所有使用“第一”、“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”、“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本实用实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。
本发明提供的是一种基于增益矩阵的模型预测磁链控制***及方法。
一种基于增益矩阵的模型预测磁链控制***，参考图1，包括变参数PI调节器模块、参考值转化模块、空间矢量脉冲宽度调制模块、第一αβ/abc模块、转速自适应全阶观测器模块、低通滤波器模块、三电平逆变器模块、第二αβ/abc模块和异步电机；转速自适应全阶观测器模块用于检测静止坐标系下的定子电压、定子电流以输出所述异步电机的定子磁链、电磁转矩以及电机转速；
低通滤波器模块用于接收电机转速并滤掉电机转速中的高频以输出滤后电机转速；
变参数PI调节器模块用于接收电机转速参考值、滤后电机转速并检测电机转速参考值与滤后电机转速的差值以输出相应的电磁转矩参考值；
参考值转化模块用于接收定子磁链参考值、定子磁链、电磁转矩、电磁转矩参考值并转化为磁链矢量参考值而求得输出静止坐标系下的定子电压参考值；
空间矢量脉冲宽度调制模块用于接收定子电压参考值以输出三电平逆变器的开关信号；
三电平逆变器模块用于接收开关信号以输出三相交流电实现对异步电机转速和磁链的控制。
在本实施例中，在空间矢量脉冲宽度调制模块与第一αβ/abc模块、三电平逆变器模块连接之间可设置延迟模块，用于空间脉冲宽度调制模块的输出延迟传输。
在本实施例中，低通滤波器模块通过滤掉转速中的高频谐波，从而使得观测器获得的电机转速更加平稳。
其中，在本实施例中，αβ/abc模块中的αβ表示两相静止坐标系，即直角坐标系；abc表示三相静止坐标系，即坐标系的三条轴在空间互成120度。第一αβ/abc模块为用于输出定子电压，其中，输出的定子电压为重构电压，非直接测得；第二αβ/abc模块为用于输出定子电流，其中，输出的定子电流为直接测得。显而易见，在其他实施例实施例中“第一”和“第二”并不必然限制为输出定子电流或者定子电压，在此仅做区分。
参考图1，一种基于增益矩阵的模型预测磁链控制***的控制方法，包括以下步骤：
步骤101：所述通过观测器获得电机转速检测静止坐标系下的定子电压、定子电流，输出所述异步电机的定子磁链、电磁转矩以及电机转速；
步骤102：所述低通滤波器模块接收所述电机转速，滤掉所述电机转速中的高频以输出滤后电机转速；
步骤103：所述变参数PI调节器模块接收电机转速参考值、所述滤后电机转速，通过检测所述电机转速参考值与所述滤后电机转速的差值而输出相应的电磁转矩参考值；
步骤104：所述参考值转化模块接收定子磁链参考值、所述定子磁链、所述电磁转矩、所述电磁转矩参考值，转化为磁链矢量参考值而求得输出静止坐标系下的定子电压参考值；
步骤105：所述空间矢量脉冲宽度调制模块接收所述定子电压参考值，输出所述三电平逆变器的开关信号；
步骤106：所述三电平逆变器模块接收所述开关信号，输出为三相交流电，通过对所述三电平逆变器开关状态的控制，实现对所述异步电机转速和磁链的控制。
传统的获得电机转速的方式主要是通过速度传感器等单独的测量技术以实现对电机转速的测量，此种测量方式需要在所操作的***中安装速度传感器等测量装置。本发明所提出的增益矩阵观测器属于的是无速度传感器技术中的一种，仅通过观测器模块即可获得电机转速，减少了速度传感器等速度模型预测控制的设置，具有降低硬件成本，增强***环境适应性和提高***可靠性等优点。
参考图2，在本实施例中，所述转速自适应全阶观测器，包括建立所述异步电机在两相静止坐标系下的数学模型：
y＝Cx
其中状态变量x＝[is ψs]T，is为所述定子电流矢量，ψs为所述定子磁链矢量。
在本实施例中，根据所述数学模型构造转速自适应全阶观测器模型包括：
其中状态矢量
us为所述定子电压矢量，G1为增益矩阵，以所述定子电流矢量is和自身估计电流
之差作为校正项；将所述状态变量
逐步收敛至与***真实值相同，得所述定子磁链矢量参考值；根据所述定子磁链矢量参考值求得所述定子电压参考值。
在本实施例中，根据所述数学模型，按照线性***特征根求解公式|sI-A|＝0，求得异步电机的极点S1和极点S2：
其中：
其中，t'σ为暂态时间常数，tr为转子时间常数，t's为定子暂态时间常数，ωr为所述电机转速。
在本实施例中，根据所述异步电机的极点S1和极点S2，求得对应的观测器极点过程包括：异步电机的极点pIM为所述极点S1或者极点S2，与所述对应的观测器的极点POb间满足关系：Pob＝kPIM+b,(k＞0,b＜0)。
在本实施例中，根据所述数学模型和所述转速自适应全阶观测器模型得矩阵特征方程：
eig(A-G1C)＝keig(A)+b
其中，eig()表示求所述矩阵特征方程的矩阵特征值，求取方程得所述增益矩阵G1的表达式：
现有技术中在通过电机极点计算观测器极点时，往往采用的是将观测器极点配置为电机极点的k倍的方法，此时k值的取值范围往往只能大于1，当k＜1时，观测器极点在电机极点右侧，而导致算法不收敛而失效，对于0～1的情况并不能当然地包含所运用的具体模型中，因而所适用的范围较为局限。本发明的计算方式中，采取了算法上的优化，使得k值的取值范围为大于0，在0＜k<1之间时，可通过调节b的值来移动极点，保证观测器的极点在电机极点左侧。因而，本发明给出的增益矩阵的表达式可以看作是一种统一的、一般化的表达式，可用于较为一般的情况，传统的极点移动类配置方法的增益矩阵则只可看作是该增益矩阵的特例。
同时，本发明所通过配置的反馈增益矩阵G1使得观测器的极点都具有负实部，这样观测器观测到的状态与***实际状态之差可以在有限时间收敛到0，从而保证观测器的稳定性与准确性。
参考图1，在本实施例参考值转化模块部分，转化的核心思想是将转矩参考值
和定子磁链参考值
转化为一个等效的磁链矢量参考值
按照无差拍策略，假设定子磁链在控制周期结束时达到等效的磁链矢量参考值
选出最优的电压矢量，即求得在静止坐标系下的定子电压参考值
这种转化方法时在静止坐标系下实现的，不涉及坐标变换。
图1中的参考值转化部分具体由以下公式得到。由异步电机方程可知，电磁转矩Te可表示为：
其中，
表示转子磁链ψr和定子磁链ψs的向量积。
根据上述电磁转矩的公式可以得到定转子之间的角度关系：
其中，Np是电机的极对数，∠ψr是转子磁链的角度，其余参数见表1。
表1常用参数
将电磁转矩参考值
和定子磁链幅值参考值
代入上式，可以求得定子磁链复矢量的角度
为：
至此，就可将电磁转矩参考值
和定子磁链幅值参考值
转化成定子磁链矢量参考值：
最后使用无差拍策略，假设定子磁链矢量在控制周期结束时达到参考值
根据定子电压方程
并对其离散化可以求得在静止坐标系下的定子电压参考值
其中
表示下一时刻的定子电流，
表示下一时刻的定子磁链，Tsc表示控制周期。
参考图3，对应转速范围-3000rpm至3000rpm，rpm表示转每分钟。其中G是将观测器的极点移动至电机极点的左侧b个单位所得到的传统增益矩阵(其中b＝-40)，G1是本发明所提出的增益矩阵(其中k＝0.8,b＝-40)，从图3中可以清晰地看出各增益矩阵极点间的关系：本发明提出的增益矩阵G1在相同转速下的磁链分支的虚部更小，阻尼比最大，有利于控制***的稳定。
参考图4和图5，分别是使用普通观测器G和增益矩阵观测器G1的MPFC控制方法的异步电机空载启动实验波形，从上到下各通道的波形依次是转子转速、电磁转矩、a相电流、估计转速与实际转速之差。从图4和图5可以看到，基于两种观测器的***均有良好的动态性能，进入稳态后电流比较正弦。进一步对比图4和图5的第4通道可以看出，使用普通观测器G的MPFC控制方法在动态过程有较大的转速误差，转速估计的收敛时间较长，而使用增益矩阵观测器G1的MPFC控制方法有效降低了转速估计误差，并且转速估计的收敛速度更快。因此，采用增益矩阵G1能更好地实现对异步电机定子磁链和转速的精确观测，从而提高电机闭环控制的动态和稳态性能。
上述实施例的***用于实现前述实施例中相应的方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与异步电机和其它部件的公知的连接(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节以描述本发明的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。
尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。
本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于增益矩阵的模型预测磁链控制***，其特征在，包括变参数PI调节器模块、参考值转化模块、空间矢量脉冲宽度调制模块、第一αβ/abc模块、转速自适应全阶观测器模块、低通滤波器模块、三电平逆变器模块、第二αβ/abc模块和异步电机；所述转速自适应全阶观测器模块用于检测静止坐标系下的定子电压、定子电流以输出所述异步电机的定子磁链、电磁转矩以及电机转速；
所述转速自适应全阶观测器模块，包括建立所述异步电机在两相静止坐标系下的数学模型：
y＝Cx
其中状态变量x＝[is ψs]T，is为定子电流矢量，ψs为定子磁链矢量，
根据所述数学模型构造转速自适应全阶观测器模型包括：
其中状态变量
us为定子电压矢量，G1为增益矩阵，
为所述定子磁链矢量的估计值，以所述定子电流矢量is和自身估计电流
之差作为校正项；将所述状态变量
逐步收敛至与***真实值相同，得定子磁链；
根据所述数学模型，按照线性***特征根求解公式|sI-A|＝0，求得异步电机的极点S1和极点S2：
其中：
其中，t'σ为暂态时间常数，tr为转子时间常数，t's为定子暂态时间常数，ωr为所述电机转速；
根据所述异步电机的极点S1和极点S2，求得对应的观测器极点过程包括：异步电机的极点pIM为所述极点S1或者极点S2，异步电机的极点pIM与观测器的极点Pob间满足关系：Pob＝kPIM+b,(0＜k＜1,b＜0)，k表示观测器极点相对于电机极点的倍数，b表示截距；
根据所述数学模型和所述转速自适应全阶观测器模型得矩阵特征方程：
eig(A-G1C)＝keig(A)+b
其中，eig()表示求矩阵特征值，求取方程得所述增益矩阵G1的表达式：
所述低通滤波器模块用于接收所述电机转速并滤掉所述电机转速中的高频以输出滤后电机转速；
所述变参数PI调节器模块用于接收电机转速参考值、所述滤后电机转速并检测所述电机转速参考值与所述滤后电机转速的差值以输出相应的电磁转矩参考值；
所述参考值转化模块用于接收定子磁链参考值、所述定子磁链、所述电磁转矩、所述电磁转矩参考值并转化为磁链矢量参考值而求得输出静止坐标系下的定子电压参考值；
所述空间矢量脉冲宽度调制模块用于接收所述定子电压参考值以输出所述三电平逆变器的开关信号；
所述三电平逆变器模块用于接收所述开关信号以输出三相交流电实现对所述异步电机转速和磁链的控制。
2.如权利要求1所述基于增益矩阵的模型预测磁链控制***，其特征在于，所述空间矢量脉冲宽度调制模块与所述三电平逆变器之间通过延迟模块相连接。
3.一种权利要求1或2所述的模型预测磁链控制***的控制方法，其特征在于，包括：
所述转速自适应全阶观测器模块检测静止坐标系下的定子电压、定子电流，输出所述异步电机的定子磁链、电磁转矩以及电机转速；
所述转速自适应全阶观测器模块，包括建立所述异步电机在两相静止坐标系下的数学模型：
y＝Cx
其中状态变量x＝[is ψs]T，is为所述定子电流矢量，ψs为所述定子磁链矢量，
根据所述数学模型构造转速自适应全阶观测器模型包括：
其中状态变量
us为所述定子电压矢量，G1为增益矩阵，
为所述定子磁链矢量的估计值，以所述定子电流矢量is和自身估计电流
之差作为校正项；将所述状态变量
逐步收敛至与***真实值相同，得所述定子磁链；
根据所述数学模型，按照线性***特征根求解公式|sI-A|＝0，求得异步电机的极点S1和极点S2：
其中：
其中，t'σ为暂态时间常数，tr为转子时间常数，t's为定子暂态时间常数，ωr为所述电机转速；
根据所述异步电机的极点S1和极点S2，求得对应的观测器极点过程包括：异步电机的极点pIM为所述极点S1或者极点S2，异步电机的极点pIM与观测器的极点Pob间满足关系：Pob＝kPIM+b,(0＜k＜1,b＜0)，k表示观测器极点相对于电机极点的倍数，b表示截距；
根据所述数学模型和所述转速自适应全阶观测器模型得矩阵特征方程：
eig(A-G1C)＝keig(A)+b
其中，eig()表示求矩阵特征值，求取方程得所述增益矩阵G1的表达式：
所述低通滤波器模块接收所述电机转速，滤掉所述电机转速中的高频以输出滤后电机转速；
所述变参数PI调节器模块接收电机转速参考值、所述滤后电机转速，通过检测所述电机转速参考值与所述滤后电机转速的差值而输出相应的电磁转矩参考值；
所述参考值转化模块接收定子磁链参考值、所述定子磁链、所述电磁转矩、所述电磁转矩参考值，转化为磁链矢量参考值而求得输出静止坐标系下的定子电压参考值；
所述空间矢量脉冲宽度调制模块接收所述定子电压参考值，输出所述三电平逆变器的开关信号；
所述三电平逆变器模块接收所述开关信号，输出为三相交流电，通过对所述三电平逆变器开关状态的控制，实现对所述异步电机转速和磁链的控制。
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