本技術(shù)涉及交流電機(jī)控制，尤其涉及一種基于級(jí)聯(lián)耦合結(jié)構(gòu)的航空三級(jí)式電機(jī)預(yù)測(cè)起動(dòng)控制方法。

背景技術(shù)：

1、起動(dòng)/發(fā)電一體化技術(shù)作為多電飛機(jī)(more?electricaircraft，mea)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，其核心思想是利用電機(jī)的可逆原理。相比傳統(tǒng)的起動(dòng)方式，起動(dòng)/發(fā)電一體化技術(shù)取消了傳統(tǒng)的專(zhuān)用起動(dòng)機(jī)，而是讓機(jī)載發(fā)電機(jī)先運(yùn)行在電動(dòng)機(jī)模式來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)；待起動(dòng)完成后，機(jī)載發(fā)電機(jī)再切換為發(fā)電模式為機(jī)載用電設(shè)備供電。起動(dòng)/發(fā)電一體化技術(shù)簡(jiǎn)化了發(fā)動(dòng)機(jī)的附件機(jī)匣和引氣裝置，減小了飛機(jī)的“死重”，提高了飛機(jī)的可靠性、可維護(hù)性和能源效率。

2、三級(jí)式起動(dòng)/發(fā)電一體化技術(shù)是在三級(jí)式發(fā)電技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，現(xiàn)有的三級(jí)式發(fā)電系統(tǒng)通常由同軸安裝的主電機(jī)、勵(lì)磁機(jī)、副勵(lì)磁機(jī)和旋轉(zhuǎn)整流器組成。由于副勵(lì)磁機(jī)只有在系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)時(shí)才能為勵(lì)磁機(jī)提供勵(lì)磁電流，所以它不參與起動(dòng)過(guò)程。此外，三級(jí)式電機(jī)在發(fā)電模式下的勵(lì)磁機(jī)為直流勵(lì)磁方式，當(dāng)系統(tǒng)靜止或低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，即使通過(guò)外部電源給勵(lì)磁機(jī)的定子繞組通以直流電，主電機(jī)依然無(wú)法電動(dòng)運(yùn)行。因此，零低速階段主電機(jī)的勵(lì)磁問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)三級(jí)式起動(dòng)/發(fā)電一體化功能的關(guān)鍵。

3、配合勵(lì)磁機(jī)逆變器的有源勵(lì)磁控制方案具有勵(lì)磁調(diào)節(jié)效率高、靈活性好的優(yōu)點(diǎn)調(diào)節(jié)靈活，且該結(jié)構(gòu)能真正實(shí)現(xiàn)主電機(jī)和勵(lì)磁機(jī)的協(xié)同優(yōu)化控制。近年來(lái)，模型預(yù)測(cè)控制方法在交流電機(jī)控制領(lǐng)域得到了較高的關(guān)注，該方法具有動(dòng)態(tài)特性好、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。但是，由于三級(jí)式電機(jī)特殊的電機(jī)級(jí)聯(lián)耦合結(jié)構(gòu)，加之轉(zhuǎn)子側(cè)的信號(hào)無(wú)法直接測(cè)量，這使得傳統(tǒng)的模型預(yù)測(cè)控制方法無(wú)法直接用于三級(jí)式電機(jī)的起動(dòng)協(xié)同控制中。而將主電機(jī)簡(jiǎn)化為永磁電機(jī)的模型預(yù)測(cè)控制方法無(wú)法考慮電機(jī)間的耦合，故無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁電流控制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本技術(shù)實(shí)施例通過(guò)提供一種基于級(jí)聯(lián)耦合結(jié)構(gòu)的航空三級(jí)式電機(jī)預(yù)測(cè)起動(dòng)控制方法，通過(guò)觀測(cè)器構(gòu)建以考慮主電機(jī)和勵(lì)磁機(jī)間的耦合，可解決現(xiàn)有模型預(yù)測(cè)控制方法無(wú)法直接應(yīng)用的問(wèn)題。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案是：

3、第一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于級(jí)聯(lián)耦合結(jié)構(gòu)的航空三級(jí)式電機(jī)預(yù)測(cè)起動(dòng)控制方法，包括：分別獲取三級(jí)式主電機(jī)和勵(lì)磁機(jī)的定子在三相靜止坐標(biāo)系下的三相電流；根據(jù)勵(lì)磁機(jī)定子三相電流以及勵(lì)磁機(jī)的數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建勵(lì)磁機(jī)的轉(zhuǎn)子電流觀測(cè)器，獲得當(dāng)前時(shí)刻勵(lì)磁機(jī)的轉(zhuǎn)子電流觀測(cè)值；根據(jù)預(yù)設(shè)的第一矢量變換策略，將勵(lì)磁機(jī)的定子三相電流轉(zhuǎn)換至兩相靜止坐標(biāo)系，從而構(gòu)建勵(lì)磁機(jī)的定子電流預(yù)測(cè)模型，對(duì)當(dāng)前時(shí)刻的下一時(shí)刻勵(lì)磁機(jī)的定子電流進(jìn)行預(yù)測(cè)；根據(jù)預(yù)設(shè)的第二矢量變換策略，將下一時(shí)刻勵(lì)磁機(jī)的定子電流的預(yù)測(cè)值轉(zhuǎn)換至三相靜止坐標(biāo)系下，并根據(jù)主電機(jī)和勵(lì)磁機(jī)之間的電磁耦合關(guān)系，構(gòu)建主電機(jī)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流預(yù)測(cè)模型，獲得主電機(jī)下一時(shí)刻的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流預(yù)測(cè)值；根據(jù)預(yù)設(shè)的第三矢量變換策略，將主電機(jī)的定子三相電流轉(zhuǎn)換至兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，獲得當(dāng)前時(shí)刻主電機(jī)在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的定子電流；根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻主電機(jī)在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的定子電流以及主電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建主電機(jī)的定子電流預(yù)測(cè)模型，獲得主電機(jī)下一時(shí)刻的定子電流預(yù)測(cè)值；根據(jù)主電機(jī)下一時(shí)刻的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流預(yù)測(cè)值，設(shè)計(jì)勵(lì)磁機(jī)逆變器的勵(lì)磁控制代價(jià)函數(shù)；并根據(jù)主電機(jī)下一時(shí)刻的定子電流預(yù)測(cè)值，設(shè)計(jì)主電機(jī)逆變器的主電機(jī)控制代價(jià)函數(shù)；根據(jù)勵(lì)磁控制代價(jià)函數(shù)，預(yù)測(cè)勵(lì)磁機(jī)逆變器的第一最優(yōu)電壓矢量，通過(guò)第一最優(yōu)電壓矢量驅(qū)動(dòng)勵(lì)磁機(jī)逆變器對(duì)勵(lì)磁機(jī)進(jìn)行預(yù)測(cè)控制；根據(jù)主電機(jī)控制代價(jià)函數(shù)，預(yù)測(cè)主電機(jī)逆變器的第二最優(yōu)電壓矢量，通過(guò)第二最優(yōu)電壓矢量驅(qū)動(dòng)主電機(jī)逆變器對(duì)主電機(jī)進(jìn)行預(yù)測(cè)控制。

4、在一些可能的實(shí)現(xiàn)方式中，根據(jù)勵(lì)磁機(jī)定子三相電流和勵(lì)磁機(jī)的數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建勵(lì)磁機(jī)的轉(zhuǎn)子電流觀測(cè)器，獲得當(dāng)前時(shí)刻勵(lì)磁機(jī)的轉(zhuǎn)子電流觀測(cè)值，包括：

5、根據(jù)勵(lì)磁機(jī)的定子電壓、定子磁鏈方程以及轉(zhuǎn)子電流特征構(gòu)建勵(lì)磁機(jī)的轉(zhuǎn)子電流觀測(cè)器；

6、其中，勵(lì)磁機(jī)的定子電壓表示為：

7、

8、勵(lì)磁機(jī)的定子磁鏈方程表示為：

9、

10、勵(lì)磁機(jī)的轉(zhuǎn)子電流特征包括：

11、ira+irb+irc＝0；

12、其中，ua，ub和uc為勵(lì)磁機(jī)定子三相繞組端電壓，isa，isb和isc為勵(lì)磁機(jī)定子三相電流，ira，irb和irc為勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子三相電流，和為勵(lì)磁機(jī)定子三相磁鏈，rse為勵(lì)磁機(jī)定子繞組相電阻，lse為勵(lì)磁機(jī)定子繞組總自感，msr為勵(lì)磁機(jī)定轉(zhuǎn)子繞組互感幅值，θr為勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子位置；

13、根據(jù)勵(lì)磁機(jī)的轉(zhuǎn)子電流觀測(cè)器，確定三相靜止坐標(biāo)系下的勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子電流估算表達(dá)式，勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子電流估算表達(dá)式表示為：

14、

15、其中，a1為c相計(jì)算因子，a2為b相計(jì)算因子；

16、根據(jù)勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子電流估算表達(dá)式，確定當(dāng)前時(shí)刻勵(lì)磁機(jī)的轉(zhuǎn)子電流觀測(cè)值。

17、在一些可能的實(shí)現(xiàn)方式中，構(gòu)建勵(lì)磁機(jī)的定子電流預(yù)測(cè)模型，對(duì)當(dāng)前時(shí)刻的下一時(shí)刻勵(lì)磁機(jī)的定子電流進(jìn)行預(yù)測(cè)，包括：

18、基于勵(lì)磁機(jī)的數(shù)學(xué)方程，在兩相靜止坐標(biāo)系下觀測(cè)當(dāng)前時(shí)刻勵(lì)磁機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈和轉(zhuǎn)子端電壓；

19、其中，勵(lì)磁機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈表示為：

20、

21、勵(lì)磁機(jī)的轉(zhuǎn)子端電壓表示為：

22、

23、其中，為勵(lì)磁機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈，lr為勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子繞組自感，is為勵(lì)磁機(jī)定子電流，lm為勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子繞組互感，ir為勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子電流；，vr為勵(lì)磁機(jī)的轉(zhuǎn)子端電壓，rr為勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子繞組相電阻，為微分算子，j為虛數(shù)單位，w為轉(zhuǎn)子電角速度，k表示當(dāng)前時(shí)刻；

24、根據(jù)勵(lì)磁機(jī)的定子電流表達(dá)式及前向歐拉離散化，構(gòu)建勵(lì)磁機(jī)定子電流預(yù)測(cè)模型，通過(guò)勵(lì)磁機(jī)定子電流預(yù)測(cè)模型獲得勵(lì)磁機(jī)定子在下一時(shí)刻的電流預(yù)測(cè)值；其中，勵(lì)磁機(jī)定子電流預(yù)測(cè)模型表示為：

25、

26、其中，k+1表示當(dāng)前時(shí)刻的下一時(shí)刻，is(k+1)為當(dāng)前時(shí)刻的下一時(shí)刻勵(lì)磁機(jī)的定子電流預(yù)測(cè)值，ts為系統(tǒng)的采樣時(shí)間，kr為磁耦合因子，rσ為等效電阻，σ為漏磁系數(shù)，τr為轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)，τσ為瞬時(shí)時(shí)間常數(shù)，vs為勵(lì)磁機(jī)定子端電壓。

27、在一些可能的實(shí)現(xiàn)方式中，根據(jù)主電機(jī)和勵(lì)磁機(jī)之間的電磁耦合關(guān)系，構(gòu)建主電機(jī)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流預(yù)測(cè)模型，獲得主電機(jī)下一時(shí)刻的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流預(yù)測(cè)值，包括：

28、電磁耦合關(guān)系表示為：

29、|ira|+|irb|+|irc|＝2if；

30、其中，if為主電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流值；

31、根據(jù)電磁耦合關(guān)系和勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子電流觀測(cè)器的觀測(cè)結(jié)果，獲得主電機(jī)當(dāng)前時(shí)刻的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流值，表示為：

32、

33、其中，if(k)為主電機(jī)當(dāng)前時(shí)刻的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流值，ira(k)、irb(k)、irc(k)分別為當(dāng)前時(shí)刻勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子的三相電流觀測(cè)值；

34、根據(jù)勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子電流觀測(cè)器和下一時(shí)刻勵(lì)磁機(jī)的定子電流預(yù)測(cè)值，對(duì)下一時(shí)刻勵(lì)磁機(jī)的轉(zhuǎn)子電流進(jìn)行預(yù)測(cè)；

35、根據(jù)電磁耦合關(guān)系和下一時(shí)刻勵(lì)磁機(jī)的轉(zhuǎn)子電流預(yù)測(cè)值，確定下一時(shí)刻主電機(jī)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流預(yù)測(cè)值；主電機(jī)下一時(shí)刻的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流預(yù)測(cè)值表示為：

36、

37、其中，if(k+1)為當(dāng)前時(shí)刻的下一時(shí)刻主電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流預(yù)測(cè)值，ira(k+1)、irb(k+1)、irc(k+1)分別為下一時(shí)刻勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子的三相電流預(yù)測(cè)值。

38、在一些可能的實(shí)現(xiàn)方式中，根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻主電機(jī)在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的定子電流以及主電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建主電機(jī)的定子電流預(yù)測(cè)模型，獲得主電機(jī)下一時(shí)刻的定子電流預(yù)測(cè)值，包括：

39、根據(jù)電勵(lì)磁同步電機(jī)模型，建立主電機(jī)的電壓和磁鏈方程；

40、其中，主電機(jī)的電壓方程表示為：

41、

42、其中，ud為主電機(jī)定子d軸電壓，uq為主電機(jī)定子q軸電壓，uf為主電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組電壓，rsm為主電機(jī)定子電阻值，rf為主電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組電阻值，id為主電機(jī)定子d軸電流，iq為主電機(jī)定子q軸電流，if為主電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流，為主電機(jī)定子d軸磁鏈，為主電機(jī)定子q軸磁鏈，為主電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁鏈，we為主電機(jī)電角速度；

43、主電機(jī)的磁鏈方程表示為：

44、

45、其中，ld為主電機(jī)定子繞組d軸等效電感，lq為主電機(jī)定子繞組q軸等效電感，lmd為主電機(jī)定子繞組d軸等效電感與轉(zhuǎn)子繞組間的互感，lf為主電機(jī)勵(lì)磁繞組自感；

46、對(duì)主電機(jī)的電壓方程應(yīng)用前向歐拉離散化公式，獲得主電機(jī)下一時(shí)刻的定子電流預(yù)測(cè)值，表示為：

47、

48、其中，id(k+1)為主電機(jī)k+1時(shí)刻的定子d軸電流，iq(k+1)為主電機(jī)k+1時(shí)刻的定子q軸電流。

49、在一些可能的實(shí)現(xiàn)方式中，恒定勵(lì)磁控制模式下勵(lì)磁控制代價(jià)函數(shù)表示為：

50、

51、主電機(jī)控制代價(jià)函數(shù)表示為：

52、

53、其中，ge為勵(lì)磁控制代價(jià)函數(shù)，gm為主電機(jī)控制代價(jià)函數(shù)，為主電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流參考，為主電機(jī)d軸電流參考，為主電機(jī)q軸電流參考。

54、在一些可能的實(shí)現(xiàn)方式中，根據(jù)勵(lì)磁控制代價(jià)函數(shù)，預(yù)測(cè)勵(lì)磁機(jī)逆變器的第一最優(yōu)電壓矢量，包括：

55、通過(guò)勵(lì)磁控制代價(jià)函數(shù)對(duì)勵(lì)磁機(jī)逆變器的多個(gè)開(kāi)關(guān)矢量狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，從多個(gè)開(kāi)關(guān)矢量狀態(tài)對(duì)應(yīng)的電壓矢量中確定出第一最優(yōu)電壓矢量；

56、根據(jù)主電機(jī)控制代價(jià)函數(shù)，預(yù)測(cè)主電機(jī)逆變器的第二最優(yōu)電壓矢量，包括：

57、通過(guò)主電機(jī)控制代價(jià)函數(shù)對(duì)主電機(jī)逆變器的多個(gè)開(kāi)關(guān)矢量狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，從多個(gè)開(kāi)關(guān)矢量狀態(tài)對(duì)應(yīng)的電壓矢量中確定出第二最優(yōu)電壓矢量。

58、本發(fā)明實(shí)施例中提供的一個(gè)或多個(gè)技術(shù)方案，至少具有如下技術(shù)效果或優(yōu)點(diǎn)：

59、本發(fā)明實(shí)施例提供的一種基于級(jí)聯(lián)耦合結(jié)構(gòu)的航空三級(jí)式電機(jī)預(yù)測(cè)起動(dòng)控制方法，通過(guò)觀測(cè)器構(gòu)建以考慮主電機(jī)和勵(lì)磁機(jī)間的耦合，充分考慮了三級(jí)式電機(jī)的級(jí)聯(lián)耦合結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了勵(lì)磁電流和主電機(jī)的模型預(yù)測(cè)協(xié)同起動(dòng)控制，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)模型預(yù)測(cè)控制方法無(wú)法直接用于三級(jí)式電機(jī)協(xié)同起動(dòng)控制的技術(shù)問(wèn)題。