直线感应电机驱动系统强鲁棒效率优化控制方法及系统

本技术属于直线电机控制相关，更具体地，涉及一种直线感应电机驱动系统强鲁棒效率优化控制方法及系统。

背景技术：

1、直线感应电机及驱动系统可直接产生沿运动方向电磁推力，具有加减速快、可靠性高等优点，是直线地铁、中低速磁浮等应用的核心装备。然而，因初级铁芯开断，直线感应电机在运行过程中面临严重的端部效应，导致电机关键参数随速度增加而迅速衰减，严重削弱电机输出推力和输出功率等，进而大幅降低电机运行效率。以城轨交通应用为例，长期运营数据表明：直线感应电机运行效率普遍不超过75％，严重制约其大规模应用。

2、为此，现有技术针对直线感应电机提出了效率优化控制方法，例如，中国专利申请cn116885998a提出了一种基于模型预测的三电平直线感应电机效率优化方法及系统，该专利申请直接通过直线电机感应损耗模型计算参考初级磁链幅值，通过模型计算参考初级磁链幅值存在的问题在于，一方面，模型计算需要引入电机关键参数，但是因为电机关键参数随速度增加而迅速衰减，所以所引入的电机关键参数并不准确，另一方面，模型计算也没有考虑电机谐波损耗及逆变器损耗。因此，通过模型计算的方法获取参考初级磁链幅值，与系统效率最优对应的初级磁链存在一定差异，系统鲁棒性和系统运行效率有待进一步提升。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本技术提供了一种直线感应电机驱动系统强鲁棒效率优化控制方法及系统，其目的在于提供一种新的方法获取参考初级磁链幅值，避免模型计算导致的误差，构建扰动观测器观测系统总扰动，提高磁链控制的准确度，从而提高系统鲁棒性和系统运行效率。

2、为实现上述目的，按照本技术的第一个方面，提供了一种直线感应电机驱动系统强鲁棒效率优化控制方法，其包括：

3、获取当前第k周期内的直线感应电机的相电流和速度结合速度和上一周期确定的最优电压矢量得到当前的电机推力fek和初级磁链

4、根据直线感应电机的等效数学模型计算在速度和推力fek下电机损耗最小的最优初级磁链幅值

5、根据驱动系统状态确定第k+1周期的参考初级磁链幅值

6、当系统在当前处于动态时：

7、当系统在当前处于从动态恢复的首个稳态周期时：第k周期的微调步长δk为预设上限δmax，根据第k周期的梯度方向对微调得到当系统在当前处于连续稳态的非首个稳态周期时：若δk-1小于预设下限否则，调节δk-1得到δk，步长调节策略为使连续稳态周期的微调步长呈下降趋势变化直至低于δmin，根据第k周期的梯度方向对微调得到当梯度方向为正时，微调为减去δk，当梯度方向为负时，微调为叠加δk；其中，当第k周期相对于前一周期的直流母线电流的变化方向与参考初级磁链幅值的变化方向一致，第k周期的梯度方向为正，否则，梯度方向为负；

8、将fek、和速度pi控制器产生的推力参考值输入参考初级磁链矢量发生器，输出第k+1周期的参考初级磁链矢量

9、确定价值函数评价参考初级磁链矢量的跟踪性能以及开关频率，以价值函数最小为目标确定第k+1周期的最优电压矢量

10、根据最优电压矢量产生三相桥臂脉冲作用于逆变器相应桥臂。

11、在一些实施例中，调节δk-1得到δk，包括：

12、当第k、k-1周期的梯度方向相同时，δk＝δk-1；

13、当第k、k-1周期的梯度方向相反时，减小δk-1作为δk。

14、在一些实施例中，减小δk-1作为δk，包括：

15、在一些实施例中，系统所使用的逆变器为npc型三电平逆变器，获取直流母线电流，包括：通过根据电机相电流和第k周期逆变器的开关状态进行电流重构，得到第k周期的逆变器直流母线电流idc，重构公式为：

16、

17、式中，idcx(x＝a,b,c)为逆变器x相上桥臂功率器件流过的电流，ix为电机x相的相电流，ic1、c为直流母线正极与中性点间电容的电流和电容容值，ts为周期时长，为第k周期的直流母线正极与中性点间电容的电压。

18、在一些实施例中，最优初级磁链幅值的计算公式为：

19、

20、

21、

22、式中，为最优初级磁链幅值，r1、l1分别为初级电阻和初级电感，k'＝(r1+rc)/rc，ω2为当前次级角速度，rc为铁损电阻，lmeq＝kxcxlm0和r2eq＝krcrr20分别为采用端部效应校正系数修正后的等效励磁电感和次级电阻，kx、kr和cx、cr为校正系数，反映端部效应对直线感应电机励磁电感和次级电阻的影响，lm0和r20为电机静止时的励磁电感和次级电阻值，σ＝1-fe为当前电机推力，τ为直线感应电机极距。

23、在一些实施例中，价值函数等效表示为：

24、

25、

26、

27、式中，j1为等效的价值函数；

28、u*为参考电压矢量，uopt_αβ为上一周期确定的最优电压矢量，λsw＝kf/ts2，ts为周期时长，kf为开关频率调节因子；

29、为基于无差拍原理计算的能实现磁链完全跟踪参考值时对应的参考电压矢量，和分别为通过扩展状态观测器获取的第k+1周期的初级磁链矢量和系统扰动的观测值；

30、其中，扩展状态观测器表示为：

31、

32、式中，为第k周期的初级磁链矢量观测值与实际值的偏差，β1和β2为误差反馈增益系数。

33、在一些实施例中，参考初级磁链矢量发生器的处理过程包括：

34、获取参考初级磁链幅值电机推力fek、速度初级磁链推力参考值fe*；

35、计算所获取的电机推力与推力参考值之间的推力误差并通过pi控制器转换为等效滑差角速度ωs；

36、根据所获取的速度计算对应的角速度ω2；

37、根据所获取的初级磁链计算对应的初级磁链相位角θ1；

38、叠加角速度ωs和角速度ω2，得到角速度ω1*；

39、计算角速度ω1*对应的初级磁链的位置变化角δθ1*；

40、叠加初级磁链相位角θ1和位置变化角δθ1*，得到参考初级磁链矢量相角θ1*；

41、根据所获取的参考初级磁链幅值和计算所得的参考初级磁链矢量相角θ1*，得到参考初级磁链矢量。

42、按照本技术的第二个方面，提供了一种直线感应电机驱动系统强鲁棒效率优化控制系统，其包括：

43、推力和磁链观测模块，用于获取当前第k周期内的直线感应电机的相电流和速度结合速度和上一周期确定的最优电压矢量得到当前的电机推力fek和初级磁链

44、模型法最优初级磁链计算模块，用于根据直线感应电机的等效数学模型计算在速度和推力fek下电机损耗最小的最优初级磁链幅值

45、参考初级磁链幅值搜索模块，用于根据驱动系统状态确定第k+1周期的参考初级磁链幅值当系统在当前处于动态时：当系统在当前处于从动态恢复的首个稳态周期时：第k周期的微调步长δk为预设上限δmax，根据第k周期的梯度方向对微调得到当系统在当前处于连续稳态的非首个稳态周期时：若δk-1小于预设下限δmin，否则，调节δk-1得到δk，调节策略为使连续稳态周期的微调步长呈下降趋势变化直至低于δmin，根据第k周期的梯度方向对微调得到当梯度方向为正时，微调为减去δk，当梯度方向为负时，微调为叠加δk；其中，当第k周期相对于前一周期的直流母线电流的变化方向与参考初级磁链幅值的变化方向一致，第k周期的梯度方向为正，否则，梯度方向为负；

46、参考初级磁链矢量发生器，用于获取fek、和速度pi控制器产生的推力参考值，生成第k+1周期的参考初级磁链矢量

47、磁链控制模块，用于确定价值函数评价参考初级磁链矢量的跟踪性能以及开关频率，以价值函数最小为目标确定第k+1周期的最优电压矢量并根据最优电压矢量产生三相桥臂脉冲作用于逆变器相应桥臂。

48、按照本技术的第三个方面，提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上任一项所述的方法的步骤。

49、按照本技术的第四个方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任一项所述的方法的步骤。

50、总体而言，通过本技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，本技术提供的一种直线感应电机驱动系统强鲁棒效率优化控制方法及系统主要具有以下有益效果：

51、1.本技术提供的一种直线感应电机驱动系统强鲁棒效率优化控制方法，在确定参考初级磁链幅值时，先基于模型法计算出最优初级磁链幅值，然后根据系统状态选择不同的处理方式，当系统处于动态时，侧重于使系统快速恢复稳态，因此，直接以模型法计算出最优初级磁链幅值作为参考初级磁链幅值，以实现对系统的快速调控；当系统处于稳态时，侧重于对模型法计算出的最优初级磁链幅值进行微调，在模型计算结果的基础上再次减小逆变器直流母线电流，进一步减低损耗，克服因模型计算导致的误差。在进行微调时，设置微调步长，在连续的多个稳态周期中，每个稳态周期的微调步长会根据本周期和上一周期所确定的梯度方向实时调节，如此可以根据搜索状态兼顾快速性与准确性，在进行微调时，当本周期梯度方向为正时，说明上一周期增加磁链后导致直流母线电流增加或上一周期减小磁链后导致直流母线电流减小，无论哪种情况，为使得直流母线电流继续减小，都将基于上一周期所得的参考初级磁链幅值减去微调步长，反之，当本周期梯度方向为负时，将基于上一周期所得的参考初级磁链幅值增加微调步长。基于上述方法对对模型法计算出最优初级磁链幅值进行微调，在模型计算结果的基础上再次减小逆变器直流母线电流，进一步减低损耗，实现对模型计算结果的校正，从而提高结果的准确度，提高系统鲁棒性和系统运行效率。

52、2.在具体实施例中，当第k、k-1周期的梯度方向相同时，说明最优点仍在两次搜索值之外，步长不变，保持较快的搜索速度，δk＝δk-1；当第k、k-1周期的梯度方向相反时，说明最优点在两次搜索值中间，步长将变为原来的一半，提高搜索精度，减小δk-1作为δk。

53、3.在具体实施例中，通过电流重构获取直流母线电流，如此可以避免增加额外器件，降低控制成本和系统的复杂度。

54、4.在具体实施例中，给出了最优初级磁链幅值的计算公式，可以简化最优初级磁链幅值的计算过程。

55、5.在具体实施例中，引入扩展状态观测器实现电压矢量的寻优，如此可以避免使用模型预测，从而避免了参数变化、建模误差等对磁链选择和调节过程造成的不利影响，显著提升了低开关频率下直线感应电机效率优化控制的参数鲁棒性。