CN109586637A - 一种基于改进双矢量mpc的pmslm电流控制方法 - Google Patents
一种基于改进双矢量mpc的pmslm电流控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于改进双矢量MPC(模型预测控制)的PMSLM电流控制方法,该方法将双矢量MPC应用于直线电机电流环控制,在一个采样周期内选择了2个电压矢量,扩大了实际作用电压的范围以使得电压矢量的选择更准确;简化算法的计算量,对电压矢量的选择方法进行改进,缩小电压矢量选择范围。本发明能够提高电流环的调节能力与跟踪性能,有效抑制直线电机推力波动,增强直线电机运行的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种电流控制方法,尤其涉及一种基于改进双矢量MPC的PMSLM电流控制 方法。
背景技术
与旋转电机加滚珠丝杆所构成的直线运动机构相比,永磁同步直线电机(PMSLM)具有 高加速度、高精度和响应速度快等优点,因此很多学者对直线电机的控制与应用做了深入的 研究。由于取消了机械传动环节,外界的干扰以及电机内部存在的推力波动更容易对电机的 性能造成影响,会使电机运行时出现震动,产生噪声。PMSLM速度控制***包括速度环和 电流环,速度控制器根据实际速度与期望速度输出期望电流。为保证直线电机能在某一速度 下平稳运行,电流环需要有较高的动态跟踪与调节能力,以保证能够时刻追踪期望电流,抑 制各种扰动。电流环的常用控制方法有直接推力控制和比例积分(PI)控制。直接推力控制 利用滞环控制,鲁棒性强、响应迅速,但电流脉动较大;PI控制在稳态下可实现电流无静差, 控制精度高,但需整定参数,***的动态性能受带宽限制。
模型预测控制(MPC)是利用当前的状态、控制量和预测模型计算***将来的状态,再 利用价值函数与期望值进行滚动优化的算法。MPC电流控制动态响应快、电流脉动小、无需 参数整定,理论上能在2个采样周期内达到期望电流值,但不足是在线计算量较大。MPC电 流控制方法常用的有单矢量MPC、占空比MPC两种方法。单矢量MPC在一个采样周期中仅作用一个最优电压矢量,算法简单、响应速度快,但由于仅能在7种基本电压矢量中选择控制量,电流跟踪精度较差。占空比MPC是在最优电压矢量确定之后再计算,因而不能保证最优电压矢量在加入占空比后仍为最优。有学者提出最优占空比直接转矩控制,基于李亚普洛 夫函数计算占空比,保证了最优电压矢量的全局性,但作用的电压矢量仅为一个有效矢量与 一个零矢量,限制了***高速运行时电流的稳定性。也有学者提出同步电机广义双矢量MPC 控制策略,减小了dq轴电流波动,但电压矢量选择次数多,计算量大,对***的硬件要求较 高。
发明内容
发明目的:本发明的目的是提供一种用于控制直线电机电流的方法,该方法缩小了电压 矢量选择范围,减轻了在线计算量,能够有效提高电流控制的实时性。
技术方案:本发明所述的一种基于改进双矢量MPC的PMSLM电流控制方法,包括步骤:
(1)采用速度和电流双闭环结构的直线电机控制***,根据位置检测器计算得到的坐标 变换角度,将k时刻实际电流ia,b,c转换为dq坐标系下的id,q(k);
(2)将id,q(k)与位置检测器测得的实际速度v输入电流预测模块,得到k+1时刻电流的 预测值id,q(k+1);
(3)将k+1时刻电机动子的期望速度v*和k时刻电机实际速度v的差作为速度控制器输 入,输出k+1时刻的期望电流q轴分量iq *;
(4)k+1时刻的期望电流iq *、id *与预测电流id,q(k+1)作为改进双矢量MPC电流控制器 输入,输出为k+1时刻的期望电压Vs1、Vs2和对应的作用时间ts1、ts2,输入至脉冲发生器,产生相应的开关信号加在驱动回路产生电磁推力拖动电机运行。
所述的一种基于改进双矢量MPC的PMSLM电流控制方法,其特征在于:所述位置检测 器包括光栅尺。
所述改进双矢量MPC电流控制器用于选择作用在脉冲发生器上的电压矢量,以产生对应 的开关信号驱动电机,其控制步骤如下:
Step 1改进第一个作用的电压矢量Vs1的选择方法,选择k+1时刻的期望电压Vs1;
Step 2改进第二个作用的电压矢量Vs2的选择方法,选择k+1时刻的期望电压Vs2;
Step 3输出Vs1、Vs2和对应的作用时间ts1、ts2;
Step 4k+1时刻,返回到Step 1进入下一个采样周期。
改进Vs1的选择方法设计步骤如下:
Step 1,采用id *=0的控制方式,根据速度控制器输出的期望电流iq *可求出d轴给定磁链 ψd *=ψf和q轴给定磁链ψq *=Lqiq *,进而得到δ*=arctan(ψq */ψd *),δ*为期望功角,可得期望电压 us *的矢量角为:
θref=θe+δ*+π/2
式中,θe为初级电角度,Lq为初级电感,ψf为定子磁链。
根据θref判断逆变器上施加的期望电压矢量us *所在扇区;
Step 2,根据us *所在的扇区,并利用价值函数从与该扇区相邻的2个有效电压矢量与零 电压矢量中选择出最优电压矢量Vs1;
所述价值函数为:
其中,id *、iq *为k+1时刻期望电流值,id(k+1)、iq(k+1)为k+1时刻预测电流值,idmax、iqmax为 初级绕组中所允许的最大电流值,f为约束函数。
所述的改进Vs1的选择方法,其特征在于:Step 1所述逆变器为三相两电平电压逆变器, 共有8种开关状态,能产生6个有效电压矢量和两个电压零矢量,即共能产生7种电压矢量; 其中,所述有效电压矢量为非零电压矢量;
所述扇区为将逆变器的一个工作周期用6个有效电压矢量分成的6区间。
改进Vs2的选择方法设计步骤如下:
Step 1,采样周期内仅有Vs1作用时,判断∣iq *-is1q(k+1)∣是否等于零。若是,则表示q 轴电流能达到期望值,则本采样周期不进行Vs2选择,仅作用Vs1;若否,则进入Step 2;
Step 2,判断所有电压矢量在K+1时刻产生的q轴电流预测值是否均小于或均大于期望 电流iq *;若是,则表示该采样周期内不能达到期望值,本采样周期内仅作用Vs1;若否则进 入Step 3;
Step 3,将Vs1与余下6种基本电压矢量分别组合,利用q轴电流无差拍法分配作用时间:
式中,Vi表示一种基本电压矢量,ss1、si分别为两个电压矢量Vs1和Vi作用时iq的斜率, Vi的作用时间为T-t1,t1是最优电压矢量V1的作用时间;
那么k时刻施加的ud、uq可表示为:
ud=ts1us1d+tiuid
uq=ts1us1q+tiuiq
式中,us1d和us1q分别为Vs1对应的d、q轴分量,uid和uiq分别为Vi对应的d、q轴分量。
得到6个电流预测值,利用价值函数选择出最优的一组电压矢量组合,从而确定Vs2;
所述的一种基于改进双矢量MPC的PMSLM电流控制方法,其特征在于:步骤4所述开关信号为驱动电力电子器件开关的控制信号;所述开关为电力电子器件的导通和关断。
有益效果:通过本发明的电流控制方法,可以:
(1)在选择电压矢量时,分别通过预先判断其所处扇区和预测误差,将遍历电压矢量次 数从14次减小至9次,理想情况下最少只需3次,大幅降低了算法的计算量,提高了***运 行的实时性;
(2)在该控制策略下,电压矢量选择范围增大,因而选择的电压矢量更准确。实验结果 表明,电机启动速度快且平稳,稳定运行时速度波动小,表明在***面对推力波动等干扰时, 电流环有更好的动态调节能力和跟踪性能。
附图说明
图1为本发明控制方法的***框图;
图2为单矢量MPC下启动至稳态电机初级绕组中q轴电流波形;
图3为双矢量MPC下启动至稳态电机初级绕组中q轴电流波形;
图4为本发明控制方法下启动至稳态电机初级绕组中q轴电流波形;
图5为单矢量MPC下启动至稳态电机速度波形;
图6为双矢量MPC下启动至稳态电机速度波形;
图7为本发明控制方法下启动至稳态电机速度波形;
图中,v*为电机动子期望速度,v为实际速度,iq *、id *为期望q、d轴电流,ia,b,c为电机动 子三相绕组电流,id,q(k)为k时刻q轴实际电流,id,q(k+1)为k+1时刻的预测电流,Vs1、Vs2为 选择的作用电压矢量,ts1、ts2为两个电压矢量在一个周期内的作用时间。
具体实施方式
为了进一步了解本发明的内容,下面结合附图并举实例对本发明进行详细描述。
本发明设计一种改进双矢量MPC的PMSLM电流控制方法,如图1所示,在传统双闭环伺服控制***的基础上,利用改进MPC双矢量电流控制取代传统电流PI控制。所述的改进MPC双矢量电流控制器采集k时刻电压和电流,利用电流预测模型计算出下一时刻输出的电压矢量。本发明提出改进的双矢量模型预测电流控制策略,通过减小两个电压矢量的选择范 围来简化电压矢量的选择过程,大幅减轻***运行负担,有效提高电流环调节的实时性与跟 踪精度。
本发明所述的一种基于改进双矢量MPC的PMSLM电流控制方法,包括步骤:
(1)采用速度和电流双闭环结构的直线电机控制***,根据位置检测器计算得到的坐标 变换角度,将k时刻实际电流ia,b,c转换为dq坐标系下的id,q(k);
(2)将id,q(k)与位置检测器测得的实际速度v输入电流预测模块,得到k+1时刻电流的 预测值id,q(k+1);
(3)将k+1时刻电机动子的期望速度v*和k时刻电机实际速度v的差作为速度控制器输 入,输出k+1时刻的期望电流q轴分量iq *;
(4)k+1时刻的期望电流iq *、id *与预测电流id,q(k+1)作为改进双矢量MPC电流控制器 输入,输出为k+1时刻的期望电压Vs1、Vs2和对应的作用时间ts1、ts2,输入至脉冲发生器,产生相应的开关信号加在驱动回路产生电磁推力拖动电机运行。
优选地,所述步骤(1)中的位置检测器为光栅尺。
所述改进双矢量MPC电流控制器的控制步骤如下:
Step 1改进第一个作用的电压矢量Vs1的选择方法,选择k+1时刻的期望电压Vs1;
Step 2改进第二个作用的电压矢量Vs2的选择方法,选择k+1时刻的期望电压Vs2;
Step 3输出Vs1、Vs2和对应的作用时间ts1、ts2;
Step 4k+1时刻,返回到Step 1进入下一个采样周期。
改进Vs1的选择方法设计步骤如下:
Step 1,采用id *=0的控制方式,根据速度控制器输出的期望电流iq *可求出d轴给定磁链 ψd *=ψf和q轴给定磁链ψq *=Lqiq *,进而得到δ*=arctan(ψq */ψd *),δ*为期望功角,可得期望电压 us *的矢量角为:
θref=θe+δ*+π/2
式中,θe为初级电角度,Lq为初级电感,ψf为定子磁链。
根据θref判断逆变器上施加的期望电压矢量us *所在扇区;
Step 2,根据us *所在的扇区,并利用价值函数从与该扇区相邻的2个有效电压矢量与零 电压矢量中选择出最优电压矢量Vs1;
所述价值函数为:
其中,id *、iq *为k+1时刻期望电流值,id(k+1)、iq(k+1)为k+1时刻预测电流值,idmax、iqmax为 初级绕组中所允许的最大电流值,f为约束函数。
所述的改进Vs1的选择方法,其特征在于:Step 1所述逆变器为三相两电平电压逆变器, 共有8种开关状态,能产生6个有效电压矢量和两个电压零矢量,即共能产生7种电压矢量; 其中,所述有效电压矢量为非零电压矢量;
所述扇区为将逆变器的一个工作周期用6个有效电压矢量分成的6区间。
改进Vs2的选择方法设计步骤如下:
Step 1,采样周期内仅有Vs1作用时,判断∣iq *-is1q(k+1)∣是否等于零。若是,则表示q 轴电流能达到期望值,则本采样周期不进行Vs2选择,仅作用Vs1;若否,则进入Step 2;
Step 2,判断所有电压矢量在K+1时刻产生的q轴电流预测值是否均小于或均大于期望 电流iq *;若是,则表示该采样周期内不能达到期望值,本采样周期内仅作用Vs1;若否则进 入Step 3;
Step 3,将Vs1与余下6种基本电压矢量分别组合,利用q轴电流无差拍法分配作用时间:
式中,Vi表示一种基本电压矢量,ss1、si分别为两个电压矢量Vs1和Vi作用时iq的斜率, Vi的作用时间为T-ts1,ts1是最优电压矢量Vs1的作用时间;
那么k时刻施加的ud、uq可表示为:
ud=ts1us1d+tiuid
uq=ts1us1q+tiuiq
式中,us1d和us1q分别为Vs1对应的d、q轴分量,uid和uiq分别为Vi对应的d、q轴分量。
得到6个电流预测值,利用价值函数选择出最优的一组电压矢量组合,从而确定Vs2;
所述的一种基于改进双矢量MPC的PMSLM电流控制方法,其特征在于:步骤4所述开关信号为驱动电力电子器件开关的控制信号;所述开关为电力电子器件的导通和关断。
为了验证本方法的效果,进行了下述试验,采样周期T取100μs。用于实验的直线电机 参数如表1所示。
表1直线电机参数
参数 | 参数值 |
电阻(Ω) | 1.3 |
电感(mH) | 13.4 |
峰值推力(N) | 1250 |
持续推力(N) | 548 |
峰值电流(A) | 22 |
持续电流(A) | 8.7 |
反电动势常数(V/m·s<sup>-1</sup>) | 51.4 |
推力常数(N/A) | 63 |
实验在直线电机从空载阶跃启动至稳定运行在100mm/s速度的情况下,对单矢量MPC、 占空比MPC和改进双矢量MPC分别进行实验并分析各自的控制效果。图2-7分别为三种控 制策略下直线电机从启动到稳定运行状态下的q轴电流与速度曲线。
启动阶段,比较三种控制策略下的电流响应时间,改进双矢量MPC控制下的电流调节速 度最快,如图2-4所示。比较三种控制策略下的速度响应时间,改进双矢量MPC控制下电机 启动速度更快、更平稳,电机速度达到100mm/s的时间约为0.06s,单矢量MPC和占空比MPC控制下电机启动时间分别约为0.1s和0.08s,如图5-7所示。
稳定运行阶段,改进双矢量MPC控制下的电流调节幅度大于另外两种控制策略,表明对 于内部干扰如推力波动等,有更好的抑制作用,如图2-4所示。其控制下的电机运行更稳定, 最大速度波动范围约为5%,单矢量MPC、占空比MPC控制下最大速度波动范围约为6%与8%,如图5-7所示。
Claims (7)
1.一种基于改进双矢量MPC的PMSLM电流控制方法,其特征在于,包括步骤:
(1)采用速度和电流双闭环结构的直线电机控制***,根据位置检测器计算得到的坐标变换角度,将k时刻实际电流ia,b,c转换为dq坐标系下的id,q(k);
(2)将id,q(k)与位置检测器测得的实际速度v输入电流预测模块,得到k+1时刻电流的预测值id,q(k+1);
(3)将k+1时刻电机动子的期望速度v*和k时刻电机实际速度v的差作为速度控制器的输入,输出k+1时刻的期望电流q轴分量iq *;
(4)k+1时刻的期望电流iq *、id *与预测电流id,q(k+1)作为输入,经改进双矢量MPC电流控制器控制后,先后输出k+1时刻的期望电压Vs1、Vs2和对应的作用时间ts1、ts2并传递至脉冲发生器,产生相应开关信号,将其加在驱动回路上,由此产生电磁推力以拖动电机运行。
2.根据权利要求1所述的一种基于改进双矢量MPC的PMSLM电流控制方法,其特征在于:所述位置检测器为光栅尺,通过位置检测可计算得到坐标变换的角度和电机的实际速度。
3.根据权利要求1所述的一种基于改进双矢量MPC的PMSLM电流控制方法,其特征在于:步骤(4)中,所述改进双矢量MPC电流控制器由选择Vs1、计算各种组合下两矢量作用时间ts1、ts2以及选择Vs2三个模块组成;
所述改进双矢量MPC电流控制器的控制步骤如下:
(4.1)改进第一个作用于脉冲发生器的电压矢量的选择方法,选择出k+1时刻的期望电压Vs1;
(4.2)改进第二个作用于脉冲发生器的电压矢量的选择方法,选择出k+1时刻的期望电压Vs2;
(4.3)输出Vs1、Vs2和对应的作用时间ts1、ts2;
(4.4)k+1时刻,返回到步骤(4.1)进入下一个采样周期。
4.根据权利要求3所述的一种基于改进双矢量MPC的PMSLM电流控制方法,其特征在于:所述步骤(4.1)包括:
(4.1.1)判断逆变器上施加的期望电压矢量us *所在扇区;
(4.1.2)在该扇区相邻的2个有效电压矢量与零电压矢量中利用价值函数选择出电压矢量Vs1的最优解;
所述价值函数为:
其中,id *、iq *为k+1时刻期望电流值,id(k+1)、iq(k+1)为k+1时刻预测电流值,idmax、iqmax为初级绕组中所允许的最大电流值,f为约束函数。
5.根据权利要求4所述的一种基于改进双矢量MPC的PMSLM电流控制方法,其特征在于:步骤(4.1.1)中,所述逆变器为三相两电平电压逆变器,共有8种开关状态,能产生6个有效电压矢量和两个电压零矢量,即共能产生7种电压矢量;其中,所述有效电压矢量为非零电压矢量;
所述扇区为将逆变器的一个工作周期用6个有效电压矢量分成的6个区间。
6.根据权利要求3所述的一种基于改进双矢量MPC的PMSLM电流控制方法,其特征在于,所述步骤(4.2)具体包括:
(4.2.1)判断采样周期内仅有Vs1作用时,dq坐标系下k时刻的q轴电流iq是否达到期望值;若是,则本采样周期不进行Vs2选择,仅作用Vs1;若否,则进入步骤(4.2.2);
(4.2.2)判断逆变器可能产生的所有电压矢量在K+1时刻产生的q轴电流预测值是否均小于或均大于期望电流iq *;若是,则本采样周期内仅作用Vs1;若否则进入步骤(4.2.3);
(4.2.3)将Vs1与余下6个有效电压矢量分别组合,并分配作用时间,利用价值函数选择最优的组合,从而确定Vs2。
7.根据权利要求1所述的一种基于改进双矢量MPC的PMSLM电流控制方法,其特征在于:步骤(4)中,所述开关信号为驱动电力电子器件开关的控制信号,其中,所述开关为电力电子器件的导通和关断。
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