本發(fā)明涉及一種模型預測控制方法。特別是涉及一種應用于五橋臂雙永磁電機控制系統(tǒng)的模型預測控制方法。

背景技術(shù)：

雙電機的協(xié)同驅(qū)動系統(tǒng)已經(jīng)開始廣泛應用于礦井、冶金、港口等諸多行業(yè)，以改善傳統(tǒng)單電機驅(qū)動可靠性較低，控制性能差，系統(tǒng)機械傳動機構(gòu)復雜，單臺電機功率要求較高等問題。

傳統(tǒng)的雙電機驅(qū)動系統(tǒng)中，兩臺電機分別由兩臺變頻器進行控制，電機之間不存在電氣耦合?，F(xiàn)代先進雙電機控制系統(tǒng)將網(wǎng)側(cè)變流器進行合并，實現(xiàn)了共直流母線結(jié)構(gòu)，簡化了拓撲結(jié)構(gòu)。為了進一步簡化雙電機控制系統(tǒng)，一些學者針對逆變側(cè)提出了五橋臂拓撲結(jié)構(gòu)，對比傳統(tǒng)的逆變側(cè)結(jié)構(gòu)，五橋臂逆變器減少了一個橋臂，簡化了結(jié)構(gòu)并提高了系統(tǒng)的可靠性，在近年來得到了許多學者的關注。但是，由于五橋臂逆變器中，兩電機公用一個橋臂，因此造成了兩電機電氣上的耦合，如何在簡化拓撲結(jié)構(gòu)的基礎上提高兩電機的控制性能，是目前的一個研究難點。

針對上述問題，一些學者提出了半周期調(diào)制策略，提高了兩電機對直流母線的電壓利用率。然而，上述算法雖然改進了調(diào)制算法，但并未將功率器件的開關狀態(tài)與電機的控制目標直接相聯(lián)系，同時，由于電流環(huán)仍采用PI控制器，電機的轉(zhuǎn)矩響應速度較低。

近些年來，隨著高性能微處理器的發(fā)展，在電機驅(qū)動、電源、新能源領域，模型預測控制以其獨有的特點而被得到廣泛的關注。一些學者將模型預測控制應用于五橋臂逆變器，對32種開關狀態(tài)的電流控制效果進行分別預測，并采用價值函數(shù)進行評估和優(yōu)化，提高了雙電機控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應速度。但是，該類方法并沒有針對五橋臂變流器提出有效的轉(zhuǎn)矩同步控制策略，也未改善兩電機速度外環(huán)的同步性能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種方法，能夠在不改變五橋臂雙永磁電機控制系統(tǒng)硬件電路的基礎上，有效地提高電機轉(zhuǎn)矩響應速度，同時有效地提高兩電機系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的同步性能。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：五橋臂雙永磁電機轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速協(xié)同模型預測控制方法，將三相電網(wǎng)和不可控整流橋的輸出作為五橋臂逆變器的輸入，五橋臂逆變器的每一個臂均由串接的兩個開關管構(gòu)成，串接點輸出控制兩臺三相永磁同步電機的一個相，其中第3個臂同時控制兩臺三相永磁同步電機的各一個相，還包括如下具體步驟：

1、雙永磁電機系統(tǒng)電氣量采集與計算，包括：

(1)采集兩臺電機的轉(zhuǎn)速，結(jié)合兩臺電機共同的轉(zhuǎn)速參考值，計算兩臺電機在兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標系上的q軸定子參考電流；

(2)采集兩臺電機的三相定子電流，并將所述的三相定子電流變換為在兩相靜止α-β坐標系上的定子電流分量；

(3)采集兩臺電機的轉(zhuǎn)子磁場角度，將兩臺電機在兩相靜止α-β坐標系上的定子電流分量變換為兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標系上的定子電流分量；

(4)采集直流側(cè)電壓；

(5)列出五橋臂逆變器的所有可能輸出的開關狀態(tài)組合，根據(jù)五橋臂逆變器所有可能輸出的開關狀態(tài)組合，計算兩臺電機的三相定子電壓；

(6)將兩臺電機的三相定子電壓變換為在兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標系上的定子電壓分量；

設定兩臺電機參數(shù)：兩臺電機的定子電阻分別為R₁、R₂；兩臺電機的d軸定子電感分別為L_d1、L_d2；兩臺電機的q軸定子電感分別為L_q1、L_q2；兩臺電機的轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈分別為ψ_f1、ψ_f2；

將采集和計算得到的電氣量設定為k時刻兩臺電機的電氣量，用離散形式表示：兩臺電機的轉(zhuǎn)速分別為ω_r1(k)、ω_r2(k)；兩臺電機在兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標系上的定子電流分量為i_d1(k)、i_q1(k)、i_d2(k)、i_q2(k)；兩臺電機在兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標系上的定子電壓分量為

2、電流預測和價值函數(shù)尋優(yōu)，包括：

五橋臂逆變器共有2⁵＝32種開關狀態(tài)組合，對序號為n＝1～32的32種開關狀態(tài)組合，預測k+1時刻兩臺電機在兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標系上的定子電流；

建立價值函數(shù)gⁿ(k+1)，當價值函數(shù)gⁿ(k+1)取得最小值時，價值函數(shù)gⁿ(k+1)對應的n的數(shù)值作為逆變器最終的輸出電壓矢量的狀態(tài)。

電流預測和價值函數(shù)尋優(yōu)，具體地，對序號為n＝1～32的32種開關狀態(tài)組合，預測k+1時刻兩臺電機在兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標系上的定子電流公式如下：

式中，T為系統(tǒng)的控制周期。

建立價值函數(shù)gⁿ(k+1)，有

式中，h_d1、h_q1、h_d2、h_q2為兩臺電機的電流權(quán)值，h_T為兩臺電機的轉(zhuǎn)矩同步權(quán)值，為兩臺電機在兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標系上的q軸定子參考電流。

當價值函數(shù)gⁿ(k+1)取得最小值時，價值函數(shù)gⁿ(k+1)對應的n的數(shù)值作為逆變器最終的輸出電壓矢量的序號n^o，

五橋臂雙永磁電機轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速協(xié)同模型預測控制裝置，包括三相電網(wǎng)和不可控整流橋、兩臺三相永磁同步電機，還包括五橋臂逆變器、微處理器，三相電網(wǎng)和不可控整流橋的輸出作為五橋臂逆變器的輸入，五橋臂逆變器的每一個臂均由串接的兩個開關管構(gòu)成，串接點輸出控制兩臺三相永磁同步電機的一個相，其中第3個臂同時控制兩臺三相永磁同步電機的各一個相；微處理器進行公式計算、算法處理，并生成開關管開關信號。

微處理器進行公式計算、算法處理，并生成開關管開關信號，具體包括：電流預測和價值函數(shù)尋優(yōu)，五橋臂逆變器共有2⁵＝32種開關狀態(tài)組合，對序號為n＝1～32的32種開關狀態(tài)組合，預測k+1時刻兩臺電機在兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標系上的定子電流；

建立價值函數(shù)gⁿ(k+1)，當價值函數(shù)gⁿ(k+1)取得最小值時，價值函數(shù)gⁿ(k+1)對應的n的數(shù)值作為逆變器最終的輸出電壓矢量的狀態(tài)。

本發(fā)明的特點及有益效果是：

本發(fā)明的一種應用于五橋臂雙永磁電機控制系統(tǒng)的模型預測控制方法，提出了一種轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速協(xié)同型模型預測控制方法，與傳統(tǒng)算法相比，新算法有效的提高電機轉(zhuǎn)矩響應速度，同時有效的提高兩電機系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的同步性能。

附圖說明

圖1是五橋臂電壓源逆變器拓撲結(jié)構(gòu)圖。

圖2是q軸定子參考電流計算過程結(jié)構(gòu)圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明的一種應用于五橋臂雙永磁電機控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速協(xié)同型模型預測控制方法做出詳細說明。

為改善傳統(tǒng)雙永磁電機五橋臂逆變器控制方法的轉(zhuǎn)矩同步性能和轉(zhuǎn)速同步性能，本發(fā)明的一種應用于五橋臂雙永磁電機控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速協(xié)同型模型預測控制方法，建立了一種應用于雙永磁電機五橋臂逆變器的模型預測控制方法。在模型預測控制方法中，通過建立價值函數(shù)，實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩同步控制。同時，在模型預測控制方法中加入轉(zhuǎn)速同步控制器，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的同步控制。

本發(fā)明的一種應用于五橋臂雙永磁電機控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速協(xié)同型模型預測控制方法，控制目標為：1、實現(xiàn)雙電機轉(zhuǎn)矩協(xié)同控制；2、實現(xiàn)雙電機轉(zhuǎn)速協(xié)同控制。

本發(fā)明的一種應用于五橋臂雙永磁電機控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速協(xié)同型模型預測控制方法，用于由五橋臂逆變器和兩臺永磁同步電機組成的雙電機控制系統(tǒng)，包括如下步驟：

1、五橋臂雙永磁電機系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)和工作原理。

在本實施例中，選用TI公司的TMS320F28335微處理器進行公式計算、算法處理，并生成開關管開關信號。圖1中，左側(cè)為三相電網(wǎng)和不可控整流橋，其中，u_sa、u_sb、u_sc為三相電網(wǎng)的各相相電壓；u_dc為直流側(cè)電容電壓；S_x1(x＝A，B，C，D，E)為上橋臂開關管開關狀態(tài)，S_x2(x＝A，B，C，D，E)為下橋臂開關管開關狀態(tài)，二者互補。右側(cè)為五橋臂逆變器的變流橋和兩臺永磁同步電機(permanent magnet synchronous motor，PMSM)PMSM1、PMSM2，其中，橋臂A、B、C用于驅(qū)動電機PMSM1，橋臂C、D、E用于驅(qū)動電機PMSM2?？梢钥闯?，與傳統(tǒng)的逆變器相比，五橋臂結(jié)構(gòu)減少了功率開關器件的數(shù)量，兩臺電機共用了C相橋臂。

任一上橋臂的開關狀態(tài)S_x1可以表示為

由于每個開關管都有兩種開關狀態(tài)，因此，五橋臂逆變器共有2⁵＝32種開關狀態(tài)組合，設第n個(n＝1～32)組合的開關狀態(tài)為則所有結(jié)果如表1所示。

表1五橋臂逆變器開關狀態(tài)組合

表中，開關狀態(tài)組合的序號為n，分別為不同上橋臂開關管在第n個組合下的開關狀態(tài)。

2、雙永磁電機系統(tǒng)電氣量采集與計算，包括：

(1)采集兩臺電機的轉(zhuǎn)速ω_r1、ω_r2，結(jié)合兩臺電機共同的轉(zhuǎn)速參考值計算兩臺電機的q軸定子參考電流如圖2所示。圖中，PI表示比例積分控制器；C₁、C₂表示比例參數(shù)。

(2)采集兩臺電機的三相定子電流i_a1、i_b1、i_c1、i_a2、i_b2、i_c2，并將所述的三相定子電流變換為在兩相靜止α-β坐標系上的定子電流分量，公式如下：

式中，i_α1、i_β1、i_α2、i_β2是兩臺電機在兩相靜止α-β坐標系上的定子電流分量

(3)采集兩臺電機的轉(zhuǎn)子磁場角度θ₁、θ₂，將兩臺電機在兩相靜止α-β坐標系上的定子電流分量變換為兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標系上的定子電流分量i_d1、i_q1、i_d2、i_q2，公式如下：

(4)采集直流側(cè)電壓u_dc；

(5)根據(jù)五橋臂逆變器的所有可能輸出的開關狀態(tài)組合，計算兩臺電機的三相定子電壓，第n個(n＝1～32)狀態(tài)下電壓公式如下：

式中，為第n個(n＝1～32)組合狀態(tài)下的各橋臂電壓。

(6)將兩臺電機的三相定子電壓變換為在兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標系上的定子電壓，公式如下：

式中，為兩臺電機在第n個(n＝1～32)組合狀態(tài)下兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標系上的定子電壓分量。

設定兩臺電機參數(shù)：兩臺電機的定子電阻分別為R₁、R₂；兩臺電機的d軸定子電感分別為L_d1、L_d2；兩臺電機的q軸定子電感分別為L_q1、L_q2；兩臺電機的轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈分別為ψ_f1、ψ_f2。

將采集和計算得到的電氣量設定為k時刻兩臺電機的電氣量，用離散形式表示：兩臺電機的轉(zhuǎn)速分別為ω_r1(k)、ω_r2(k)；兩臺電機在兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標系上的定子電流分量為i_d1(k)、i_q1(k)、i_d2(k)、i_q2(k)；兩臺電機在兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標系上的定子電壓分量為

3、電流預測和價值函數(shù)尋優(yōu)

對序號為n＝1～32的32種開關狀態(tài)組合，預測k+1時刻兩臺電機在兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標系上的定子電流公式如下：

式中，T為系統(tǒng)的控制周期。

建立價值函數(shù)gⁿ(k+1)，有

式中，h_d1、h_q1、h_d2、h_q2為兩臺電機的電流權(quán)值，h_T為兩臺電機的轉(zhuǎn)矩同步權(quán)值，為兩臺電機在兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標系上的q軸定子參考電流。

當價值函數(shù)gⁿ(k+1)取得最小值時，價值函數(shù)gⁿ(k+1)對應的n的數(shù)值作為逆變器最終的輸出電壓矢量的序號n^o，

盡管上面結(jié)合圖對本發(fā)明進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下，還可以作出很多變形，這些均屬于本發(fā)明的保護之內(nèi)。