直线感应电机的励磁电感在线辨识方法、电流控制方法及系统

本发明属于直线电机控制，更具体地，涉及直线感应电机的励磁电感在线辨识方法、电流控制方法及系统。

背景技术：

1、直线感应电机(linear induction machine，以下简称lim)起源于旋转感应电机(rotary induction machine，以下简称rim)，无需传动器械可直接进行直线运动。与rim相比，lim驱动系统转弯半径和盾构面积更小，爬坡能力更强，现已在轨道交通、石油开采等领域广泛应用。然而，lim因为初级铁芯不闭合导致互感在电机动态运行过程中变化剧烈，进而产生更多的电流谐波，恶化系统控制性能。因此，通常将电流作为lim驱动系统的直接控制目标，通过电流控制，使电机的速度和磁链达到预设值。

2、模型预测电流控制由于其设计简单、可同时灵活控制多个目标的等优点而被广泛关注，其快速动态响应特性与的lim在某些领域中的应用非常契合。但是，模型预测电流控制是一种基于模型的控制方法，对模型参数失配非常敏感，参数鲁棒性差，具体来说，模型参数不匹配会增加控制误差，降低控制性能。此外，与rim相比，lim更容易受到末端(边端)效应导致的参数波动的影响，从而增加电流谐波，恶化系统控制性能。因此，加强lim中模型预测电流控制方法的参数鲁棒性是非常有必要的。

3、目前，提高模型预测控制参数鲁棒性的主流方法有两种：无模型预测控制方法和参数辨识方法。无模型预测控制基于历史数据的无模型预测控制通过记录电流变化来预测电流，但容易受到电流采样噪声的影响；基于超局部模型的无模型预测控制可通过观测器估计集总扰动参数，但依然受非物理参数的影响。考虑到lim中受末端效应严重影响、且对控制性能影响严重的参数仅有励磁电感，因此直接通过参数辨识策略直接获得励磁电感参数可能更为合适，参数辨识方法正式基于这一构思提出的。遗憾的是，有关lim磁化电感识别策略的研究较少，且随着lim速度、滑差的改变，励磁电感参数变化复杂，离线辨识方法很难适应当前主流的控制策略需求，而现有的参数在线辨识策略受电流噪声、直流偏置等影响严重，控制精度难以保证。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了直线感应电机的励磁电感在线辨识方法、电流控制方法及系统，其目的在于，抑制直流偏置和电流噪声对直线感应电机励磁电感参数在线辨识的影响，从而在提高直线感应电机电流预测的参数鲁棒性的同时，提高控制精度。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种直线感应电机的励磁电感在线辨识方法，包括：在每一个控制周期，执行以下步骤：

3、s1、按照参考模型计算反电动势观测值参考模型如下：

4、

5、其中，上标“^”表示观测量；i1αβ为αβ轴初级电流，δi1αβ表示αβ轴初级电流观测值相对于实际值的误差；uαβ表示电压矢量；l1＝lm+ll1，l2＝lm+ll2，ll1和ll2分别表示初级漏感和次级漏感，lm表示励磁电感；r1表示初级电阻；ω2表示次级角速度；k表示增益参数，k>0；s表示微分算子；x为中间变量；

6、s2、按照可调模型计算反电动势em；可调模型如下：

7、

8、其中，im＝i1αβ+l2i2αβ/lm，i2αβ表示αβ轴次级电流；表示次级时间常数；

9、s3、根据自适应更新励磁电感的观测值并输出更新后的励磁电感观测值作为当前控制周期的辨识结果；

10、其中，kp和ki均为正数。

11、按照本发明的又一个方面，提供了一种直线感应电机的模型预测电流控制方法，包括：

12、t1、获取当前控制周期内直线感应电机的αβ轴初级电流i1αβ(t)和次级角速度ω2(t)，以及电压矢量uαβ(t)后，利用本发明提供的上述直线感应电机的励磁电感在线辨识方法辨识得到励磁电感观测值

13、t2、将当前控制周期内直线感应电机的αβ轴初级电流i1αβ(t)、次级角速度ω2(t)、次级磁链ψ2αβ(t)以及励磁电感观测值代入直线感应电机的数学模型，计算下一控制周期内的次级磁链ψ2αβ(t+1)；

14、t3、对次级磁链ψ2αβ(t+1)与次级磁链参考值ψ2ref的差值进行pi控制，得到d轴电流参考值idref；对次级速度v2与速度参考值vref的差值进行pi控制，得到q轴电流参考值iqref；

15、t4、将d轴电流参考值idref和q轴电流参考值iqref转换至αβ轴，得到αβ轴初级电流参考值i1αβref；

16、t5、对于每一个可选的电压矢量，将其与αβ轴初级电流i1αβ(t)、次级角速度ω2(t)、次级磁链ψ2αβ(t)以及励磁电感观测值代入直线感应电机的数学模型，得到该电压矢量对应的下一控制周期内的αβ轴初级电流i1αβ(t+1)，并计算与αβ轴初级电流参考值i1αβref间的差异程度，作为代价函数；

17、t6、选取代价函数最小的电压矢量作为下一控制周期的电压矢量uαβ(t+1)，生成相应的逆变器开关信号后，在下一控制周期，将生成的开关信号施加到用于控制直线感应电机的逆变器。

18、进一步地，直线感应电机的数学模型如下：

19、

20、其中，上标“^”表示观测量；ts表示控制周期；l2＝lm+ll2，ll1和ll2分别表示初级漏感和次级漏感，lm表示励磁电感；r1和r2分别表示直线感应电机的初级电阻和次级电阻；j表示虚数算子。

21、进一步地，代价函数的表达式如下：

22、g＝(i1αref-i1α(t+1))2+(i1βref-i1β(t+1))2

23、其中，i1αref和i1βref分别表示αβ轴初级电流参考值i1αβref的α轴分量和β轴分量；i1α(t+1)和i1β(t+1)分别表示αβ轴初级电流i1αβ(t+1)的α轴分量和β轴分量；g表示代价函数值。

24、进一步地，当前控制周期内直线感应电机的αβ轴初级电流i1αβ(t)和次级角速度ω2(t)的获取方式包括：

25、采集当前控制周期内直线感应电机的相电流i1abc，并将其转换到αβ轴，得到αβ轴初级电流i1αβ(t)；

26、采集当前控制周期内直线感应电机的速度信号v2(t)，并按照计算次级角速度ω2(t)；

27、其中，τ表示直线感应电机的极距。

28、按照本发明的又一个方面，提供了一种直线感应电机的励磁电感在线辨识系统，包括：参考模块、可调模块、自适应模块以及控制模块；

29、参考模块，其第一输入端用于接收直线感应电机的电压矢量，其第二输入端用于接收直线感应电机的αβ轴初级电流i1αβ，其第三输入端用于接收直线感应电机的次级角速度ω2，其用于按照参考模型计算反电动势观测值

30、可调模块，其第一输入端用于接收直线感应电机的αβ轴初级电流i1αβ，其第二输入端用于接收直线感应电机的次级角速度ω2，其第三输入端与自适应模块的输出端相连，其用于按照可调模型计算反电动势em；

31、自适应模块，其第一输入端与参考模块的输出端相连，其第二输入端与可调模块的输出端相连，其用于按照根据自适应更新励磁电感的观测值之后触发所述控制模块；

32、控制模块，用于输出更新后的励磁电感观测值作为当前控制周期的辨识结果；参考模型如下：

33、

34、可调模块如下：

35、

36、其中，上标“^”表示观测量；δi1αβ表示αβ轴初级电流观测值相对于实际值的误差；uαβ表示电压矢量；l1＝lm+ll1，l2＝lm+ll2，ll1和ll2分别表示初级漏感和次级漏感，lm表示励磁电感；r1表示初级电阻；ω2表示次级角速度；k表示增益参数，k>0；s表示微分算子；x为中间变量；i2αβ表示αβ轴次级电流；表示次级时间常数；kp和ki均为正数。

37、按照本发明的又一个方面，提供了一种直线感应电机的模型预测电流控制系统，包括：

38、反馈模块，用于获取当前控制周期内直线感应电机的αβ轴初级电流i1αβ(t)和次级角速度ω2(t)，以及电压矢量uαβ(t)；

39、参数辨识模块，其为本发明提供的上述直线感应电机的励磁电感在线辨识系统，其用于根据采集模块获取的参数辨识得到励磁电感观测值

40、磁链观测模块，其用于将当前控制周期内直线感应电机的αβ轴初级电流i1αβ(t)、次级角速度ω2(t)、次级磁链ψ2αβ(t)以及励磁电感观测值代入直线感应电机的数学模型，计算下一控制周期内的次级磁链ψ2αβ(t+1)；

41、d轴电流控制模块，其用于对次级磁链ψ2αβ(t+1)与次级磁链参考值ψ2ref的差值进行pi控制，得到d轴电流参考值idref；

42、q轴电流控制模块，其用于对次级速度v2与速度参考值vref的差值进行pi控制，得到q轴电流参考值iqref；

43、坐标变换模块，其用于将将d轴电流参考值idref和q轴电流参考值iqref转换至αβ轴，得到αβ轴初级电流参考值i1αβref；

44、电流预测模块，其用于计算各电压矢量对应的代价函数；对于每一个电压矢量，其代价函数的获取方式包括：将电压矢量与αβ轴初级电流i1αβ(t)、次级角速度ω2(t)、次级磁链ψ2αβ(t)以及励磁电感观测值代入直线感应电机的数学模型，得到该电压矢量对应的下一控制周期内的αβ轴初级电流i1αβ(t+1)，并计算与αβ轴初级电流参考值i1αβref间的差异程度，作为代价函数；

45、最优矢量挑选模块，其用于选取代价函数最小的电压矢量作为下一控制周期的电压矢量uαβ(t+1)，生成相应的逆变器开关信号后，在下一控制周期，将生成的开关信号施加到用于控制直线感应电机的逆变器。

46、按照本发明的又一个方面，提供了一种直线感应电机系统，包括：

47、直线感应电机；

48、逆变器，其三相桥臂中点分别与直线感应电机的三相绕组相连；

49、以及本发明提供的上述直线感应电机的模型预测电流控制系统，其与直线感应电机和逆变器分别相连。

50、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

51、(1)本发明提供的直线感应电机的励磁电感在线辨识方法，以反电动势为观测量，利用励磁电感无关的参考模型计算反电动势观测值，并借助于含有励磁电感的可调模型计算反电动势，通过描述励磁电感与反电势误差的自适应率的计算相应的励磁电感后，反馈输入可调模型，实现可调模型和自适应率反复迭代的过程，直至所计算的励磁电感观测值稳定不变，由此实现了模型参考自适应的励磁电感在线辨识，同时，参考模型为其传递函数具有带通滤波器的形式，能够有效抑制直流偏置和电流噪声，有效提高直线感应电机的励磁电感在线辨识的精度。该励磁电感在线辨识方法的辨识结果实时反馈至直线感应电机的电流控制时，能够在提高参数鲁棒性的同时，有效提高控制精度。

52、(2)本发明提供的直线感应电机的模型预测电流控制方法，其励磁电感在线辨识过程中，直流偏置和电流噪声对辨识结果的干扰得到了有效的抑制，因此，电流控制方法的参数鲁棒性和控制精度均得到了有效的提高。