【《开关磁阻电机的模型预测电流控制分析》2700字】

开关磁阻电机的模型预测电流控制分析目录TOC\o"1-3"\h\u21886开关磁阻电机的模型预测电流控制分析 18181.1模型预测控制基本原理 1248801.2优化开关控制集的模型预测电流控制 184721.3仿真及结果 51.1模型预测控制基本原理算法的计算步骤为：首先，根据系统反馈的信息以及当前的开关控制集，通过预测模型计算出下一个状态量的预测值。；其次，为实现代价函数的最小化从未来输出中选择一个最优进行控制；最后，根据新数据，重新按以上步骤计算控制量，实现滚动优化。因此这种结构有几个重要的优点：（1）原理简单、容易理解。（2）易处理非线性问题。（3）约束条件处理简单，控制器易于实现。MPC的基本思路如图1.13所示。图中是最优控制，为当前输出，模型预测输出。在一定的时间定义域内，使用系统模型和之前的信息，可以预测出系统的未来输出值。通过代价函数的最小化原则，求得最优解。在下一个采样周期通过得到的新数据继续重复这一优化过程。图1.13预测控制原理图Fig.1.13Predictivecontrolschematic1.2优化开关控制集的模型预测电流控制本文所用电机为三相极，因为不对称半桥型主电路可以将多余的能量回馈给直流电源，提高电能的利用率，所以选择三相不对称半桥型拓扑作为功率变换器的主电路。把正电压励磁工作状态定义为1，零电压续流工作状态定义为0，负电压退磁工作状态定义为。因此，每一相功率变换器有3种开关状态。根据模型预测控制器设计的基本准则可知，该模型可能的开关状态量共有27种。SRM实际相电压在3种功率开关状态下可分别计算为：(1.3)式中:是状态为正电压励磁时的相电压；是状态为零电压续流时的相电压；是状态为负电压退磁时的相电压；为母线电压；为开关管的管压降；为二极管压降；为相电阻压降。根据公式(2.1)可知电机相绕组电压方程：(1.4)由于，而电感又是关于位置和电流的函数，因此在理想的线性电感条件下，开关磁阻电机的电压方程(1.4)可以简化为：(1.5)因为运动电动势和电阻压降数值比较小所以选择忽略，因此有：(1.6)根据方程(1.6),采用欧拉法离散，可得电机离散化模型为：(1.7)其中，为采样时间。通过有限元分析得到的关系如图1.14所示。所以电感值可以根据电流和转子位置角查表得到。图1.14电感、电流和转子位置角的关系图Fig.1.14Relationshipdiagrambetweeninductance,currentandrotorpositionangle的模型预测电流控制系统如图1.15所示。转速环得到的参考电流与预测模型得到的预测电流，根据代价函数的最小化原则从开关控制集中选择一个最优控制输出至的功率开关。图1.15开关磁阻电机模型预测电流控制系统框图Fig.1.15Blockdiagramofmodelpredictivecurrentcontrolsystemofswitchedreluctancemotor开关磁阻电机模型预测电流控制，27种可能的不同开关状态量如表1.3所示。表1.3三相功率变换器不同开关状态Tab.1.3differentswitchingstatesofthree-phasepowerconverters111011-111110010-11011-101-1-11-1101001-101100000-10010-100-1-10-11-110-11-1-111-100-10-1-101-1-10-1-1-1-1-1根据的特性，只在电感上升区选择导通。所以开通、关断角都在电感上升区内。为了提高系统的控制实时性，在不同位置区域，选择不同的开关控制集。三相极的一个电周期是，把一个电周期平均分成6个相等的区间，在每个区间都有不同的开关控制集。的电感图如图1.16所示。根据的导通原则，在、、区间分别是和、和、和的换相区间，、、分别为、、的单相导通区间。因为在换相区间存在两相同时导通的时刻，所以最多存在种不同的开关状态。在单相导通区间，由于其他两相一直处于负电压退磁状态，所以最多存在种不同的开关状态。如表1.4所示为优化后的不同区间的开关控制集。由此可见根据的控制特性以及区间的划分，极大的降低了计算量。表1.4不同转子位置区间的控制集Tab.1.4Controlsetsfordifferentrotorpositionintervals区间11-111-101-1-10-110-100-1-1-1-11-1-10-1-1-121-1-10-1-1-1-1-1311-110-11-1-101-100-10-1-1-11-1-10-1-1-1-14-11-1-10-1-1-1-15-111-110-11-1-101-100-10-1-1-11-1-10-1-1-16-1-11-1-10-1-1-1图1.16三相开关磁阻电机电感图Fig.1.16Three-phaseswitchedreluctancemotorinductancediagram为了实现控制系统对参考电流的精确、快速跟踪，在本系统中，目标函数选取为(1.8)综上所述，的模型预测电流控制流程图如图1.17所示。图1.17开关磁阻电机的模型预测电流控制流程图Fig.1.17Modelpredictivecurrentcontrolflowchartofswitchedreluctancemotor1.3仿真及结果开关磁阻电机的模型预测电流控制系统的仿真模型如图1.18所示，大部分模块与PI电流控制系统一致，主要在于电流控制器的区别。图1.18的模型预测电流控制系统的仿真模型Fig.1.18Model-predictivecurrentcontrolsystemsimulationmodelofswitchedreluctancemotor电流控制模块使用模型预测电流控制，该模块如图1.19所示。模型预测电流控制模块采用simulink模块里的MATLABFunction完成。通过MATLABFunction得到的最优控制直接驱动功率变换器。图1.19模型预测电流模块Fig.1.19Modelpredictioncurrentmodule以一台额定功率为、额定为的三相极作为样机建立仿真模型。图、图、图所示为，参考转速是，加载的大小为时不同制频率的波形，其中是电流波形，是转矩波形。(a)(b)图1.20控制频率为10kHz时的电流波形和转矩波形图Fig.1.20Currentwaveformandtorquewaveformdiagramwhenthecontrolfrequencyis10kHz(a)(b)图1.21控制频率为100kHz的电流波形和转矩波形图Fig.1.21Currentwaveformandtorquewaveformdiagramwhenthecontrolfrequencyis100kHz(a)(b)图1.22控制频率为1000kHz的电流波形和转矩波形图Fig.1.22Currentwaveformandtorquewaveformdiagramwhenthecontrolfrequencyis1000kHz不同控制频率下仿真的电流峰值以及电流超调量如表1.5所示。表1.5不同控制频率下仿真的电流峰值以及电流超调量Tab.1.5Simulatedcurrentpeakvalueandcurrentovershootunderdifferentsamplingfrequencies采样频率(kHz)电流峰值(A)电流超调量(％)10130.351.310081.35.8100081.21.11由上述仿真图表可知，虽然模型预测电流具有控制逻辑简单、可以处理非线性、动态响应速度快、不断滚动优化等优点。但是模型预测电流控制有三个不容忽视的缺点。第一，计算量较大。控制器需要预测每一个可能的开关状态，同时根据代价函数求解出最优解，虽然模型预测电流控制针对的特性做了一些改进，把开关状态组合从27个减小到3个或者9个，但是同样对微控制器的CPU提出了很高的运算要求。第二，虽然可以滚动优化，但是控制欠细腻难以达到较高控制精度，不能消除系统静态误差。因为每次开关状态选择的原则是代价函数最小化，这样虽然能够有效的减小偏差但是很难使偏差达到零。第三，模型预测电流控制对控制频率有较高的要求。从上述图中可以看出，当采样频率为1000kHz时，电流跟随能力很好，电流超调几乎为零，转矩脉动也很小，电机可以高性能的运行。但是随着采样频率的降低，电机的稳定性能急剧下滑，当采样频率为10kHz时电流超调量达到51.3％，电流波形不对称且不稳定，产生了很大的转矩脉动，电机很难稳定运行。然而，就目前实际情况看，电机的控制频率