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专利号: 2023115125329
申请人: 中国矿业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-10-14
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种开关磁阻电机可变开关点无模型预测电流控制方法,其特征在于,将参考转速与实际转速作差后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建立电流超局部模型,然后通过设计非线性扰动观测器对系统扰动值进行估计并对系统进行前馈补偿,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,将所有候选电压矢量代入进评价函数,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并生成开关信号,实现在最优开关点处作用求得的电压矢量,实现无模型预测电流控制;

所述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: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;

步骤2:设计非线性扰动观测器对系统扰动值进行估计;

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;

步骤4:根据评价函数选取出所需电压矢量并生成开关信号,实现在最优开关点处作用求得的电压矢量;

步骤1的具体操作是:

开关磁阻电机的相电压平衡方程式为:

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;

考虑到参数变动和未知干扰项,式(1)可改写为:式中,ΔR为外加电阻, 为磁链对电流的偏导的摄动量, 为磁链对转子位置角的偏导的摄动量,f为未知干扰项;

式(2)可表示为:

对于一阶输入‑输出系统,传统的超局部数学模型为: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;

开关磁阻电机的电流超局部模型为:

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: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:i(k+1)=(F+αU)Ts+i(k) (7)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;

步骤2的具体操作是:

对于式(5)中开关磁阻电机的电流超局部模型,非线性扰动观测器设计为: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;

观测器增益与设计的非线性函数之间的关系为:步骤3的具体操作是:

用ux,x=0,1,2…,表示在开关状态切换点tz处施加的电压矢量,tz的表达式为:(k)

式中,tz为开关状态切换点,nz 表示在第k个控制周期内开关状态切换点的位置,且nz(k)∈[0,1];

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: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)k时刻电压矢量产生的输出电流,i(t,u(k+nz ))是在k时刻的候选开关位置tz作用的电压矢量产生的输出电流;

(k)

i(t,u(k))和i(t,u(k+nz ))的表达式分别为:i(t,u(k))=m1·t+i(t0),t∈[0,tz) (12)(k)

式中,m1为k时刻输出电流的斜率,m2为k+nz 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;

电流斜率的表达式为:

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,Δi为预测电流与实际电流的差值;

m1,m2的表达式为:

(k‑1) (k‑1)

式中,u(k)为k时刻作用的电压矢量,u(k‑1+nz )为k‑1+nz 时刻作用的电压矢量,(k) (k) (k‑1)u(k+nz )为k+nz 时刻作用的电压矢量, 为k‑1+nz 时刻电压矢量(k)

作用下的电流值, 为k+nz 时刻电压矢量作用下的电流值;

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tz的值为:式中,p=(2i(k)‑2iref(k)+Ts·m2)(m2‑m1),q=(2m1‑m2)(m1‑m2);

步骤4的具体操作是:

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: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;

设计评价函数为:

(k) (k)

式中,i(k+nz )为k+nz 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;

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。