申请/专利权人：西北工业大学

申请日：2022-10-28

公开（公告）日：2024-04-05

公开（公告）号：CN115642845B

主分类号：H02P21/13

分类号：H02P21/13;H02P21/22;H02P25/024;H02P27/08;G06F30/17

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.05#授权;2023.02.14#实质审查的生效;2023.01.24#公开

摘要：本发明提供了一种基于模型预测控制的机电作动系统多软件联合仿真方法，设置永磁同步电机模型的电机参数，在TwinBuilder中搭建三相逆变器模型和电源模型，将Maxwell中搭建的电机有限元模型导入到TwinBuilder中，在Simulink中搭建预测优化控制模块，在Amesim中搭建机械传动模块，在Simulink中调用s‑function模块将Simulink与TwinBuilder连接起来，将s‑function模块与预测优化控制模块和Amesim搭建的机械模块按照对应的信号连接，完成多软件联合仿真与分析。本发明考虑了摩擦损耗、电阻产热损耗等参数变化问题，快速、精准地对机电作动器进行动态仿真分析，控制参数可以较好的移植到实际系统中，控制简单，抗干扰强，并且可以获得更高的动态响应特性和稳态精度。

主权项：1.一种基于模型预测控制的机电作动系统多软件联合仿真方法，其特征在于包括下述步骤：1根据实验需求设计电机参数，并使用Maxwell软件搭建相应的永磁同步电机模型；2设置步骤1中永磁同步电机模型的电机参数；3添加边界条件为定子直径的1.05倍，激励源为电流源，创建三相绕组WingA，WingB，WingC，点击Analysis进行仿真分析，查看磁密云图验证所设计电机的可靠性，如满足可靠性要求，进入步骤4，如不满足可靠性要求，则返回步骤2重新设置永磁同步电机模型的电机参数；4在TwinBuilder中搭建三相逆变器模型和电源模型，根据需求设置母线电压、电感和电阻参数；5将Maxwell中搭建的电机有限元模型导入到TwinBuilder中，设置三相电流、角速度为输入模块，电磁转矩和电机电角度为输出模块；6在Simulink中搭建预测优化控制模块，预测优化控制模块体现在两个方面：一是基于有限集模型预测控制选择最优的开关矢量进行控制，提高电流环的鲁棒性和快速性；二是采用扩张状态观测器替代传统的反馈环节，把机电作动系统中丝杠速度环所有的非线性扰动量整合并进行动态补偿，提高了速度环的精度和抗扰能力；所述步骤6中，在Simulink中搭建预测优化控制模块，具体控制算法如下：a.模型预测控制算法： 式中， 式中，△t为采样时间，edti为ti时刻d轴反电动势，eqti为ti时刻q轴反电动势，vdti为ti时刻d轴控制电压，vqti为ti时刻q轴控制电压，ωeti为ti时刻电角速度，idti为ti时刻d轴电流，iqti为ti时刻q轴电流，idti+1为ti+1时刻d轴电流，iqti+1为ti+1时刻q轴电流，φmg为永磁体磁链，Ld分别为d轴电感，Lq分别为q轴电感，Rs为相电阻；计算ti时刻对应的最佳控制电压信号为： 其中，vd,qtiopt与vd,qti-1opt分别为ti时刻与ti-1时刻d,q轴对应的最佳电压值，即该电压值工作下电机运行性能最佳，ka为反馈控制增益，△id,qti为ti时刻与ti-1时刻d,q轴对应的电流值之差；构建目标函数，计算ti时刻不同开关信号k对应的电压值与最佳控制电压信号之间的平方和之差，最小平方和之差所对应的开关状态Jk为： 将开关状态Jk输出到逆变器中；b.扩张状态观测器：现有一个二阶系统：其中，y-系统输出；w-扰动；b-控制增益；u-系统控制量；a0,a1-未知系数；系统的总扰动为选取状态变量x1＝y,x3＝f；二阶系统写为： 其中，C＝[100]；对系统构建全维观测器可得： 式中，z为x的观测值，为观测值的一阶导，L为观测器增益矩阵，uc＝[uy]T为观测器总输入，yc为观测器输出；利用参数化方法，将观测器极点配置在-ω0处，ω0为观测器的带宽，有：|sI-A-LC|＝s+ωo3求解可得：将L的结果代入全维观测器，即可得到设计好的线性扩张状态观测器；基于模型预测控制算法搭建电机的电流环，基于扩张状态观测器搭建电机的速度环，按照矢量控制的方式，设定电机转速指令值，并将电机转速指令值与扩张状态观测器观测到的电机实际转速值作差，即差值为电机转速指令值减去电机实际转速值，将差值调制后作为模型预测控制器的q轴电流指令值输入，d轴电流指令为0；7在Amesim中搭建机械传动模块，机械传动模块包括减速器、丝杠、间隙，穿件仿真接口，将搭建好的机械传动模块导入到Simulink中；8在Simulink中调用s-function模块将Simulink与TwinBuilder连接起来，s-functionname设置为AnsoftSFuncation，用Links工具将Simulink与TwinBuilder的变量一一对应连接起来；9将s-function模块与步骤6中设计的预测优化控制模块和Amesim搭建的机械模块按照对应的信号连接，设置仿真步长和目标转速后，完成Maxwell、TwinBuilder、Simulink和Amesim多软件联合仿真与分析，验证所设计的控制算法的可行性，并将结果导出保存。

全文数据：

权利要求：

百度查询： 西北工业大学 基于模型预测控制的机电作动系统多软件联合仿真方法

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