一种永磁同步电机准无差拍模型预测磁链控制方法与流程

本发明涉及一种永磁同步电机准无差拍模型预测磁链控制方法，属于电机驱动及控制技术。

背景技术：

有限控制集模型预测控制能够根据被控对象的约束和离散特性在线解决优化问题，其结构简单且容易实现，近年来在电力电子和电机驱动领域被广泛应用。在电机控制领域，根据控制变量的不同，有限控制集模型预测控制有模型预测电流控制、模型预测转矩控制和模型预测磁链控制。模型预测电流控制以定子电枢电流为控制对象，其稳态转矩脉动较大。模型预测转矩控制的价值函数由转矩和定子磁链幅值两部分构成，由于二者量纲不同，需要通过权值进行联接，目前权值的选择仍是一个开放性课题，没有统一的理论指导。模型预测磁链控制与模型预测转矩控制相比，仅以定子磁链矢量为控制目标，避免了权值计算，可简化控制算法。在三相交流电机两电平逆变器驱动结构中，模型预测磁链控制是在7个不同的基本电压矢量中寻找最优电压矢量。而较多的电压矢量对象，在优化过程中会加剧系统延迟，导致预测控制不精准，特别是在多相电机预测控制中。因此，减少优化过程中的对象有利于提高预测控制性能。

技术实现要素：

发明目的：鉴于上述背景，本发明针对永磁同步电机模型预测磁链控制过程中最优电压矢量选择过程作了进一步优化。根据无差拍控制思想，利用模型预测磁链控制中的磁链矢量参考计算目标电压矢量，提供一种永磁同步电机准无差拍模型预测磁链控制方法；由于模型预测磁链控制是在有限控制集原理下设计的，因此本发明方法不能获得真正意义上的目标电压矢量，只能从目标电压矢量所在扇区内的基本电压矢量中选择最优基本电压矢量，即不能实现真正意义上的无差拍控制，而只能实现准无差拍控制。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种永磁同步电机准无差拍模型预测磁链控制方法，包括如下步骤：

(1)计算参考转矩T_e^*(k)：将参考速度ω^*(k)与实际反馈速度ω(k)的差值e(k)输入PI控制器，根据公式(1.1)计算参考转矩T_e^*(k)；

其中：K_P和K_I分别为PI控制器的比例增益和积分增益；

(2)计算(k+1)时刻定子磁链矢量参考ψ_s^*(k+1)：将定子磁链幅值参考|ψ_s^*(k)|和参考转矩T_e^*(k)输入转矩角计算模块，根据公式(2.1)计算转矩角参考δ^*(k)；将转子位置角θ_r(k)和实际反馈速度ω(k)输入转子位置角预测模块，根据公式(2.2)预测(k+1)时刻转子位置角θ_r(k+1)；将转矩角参考δ^*(k)和(k+1)时刻转子位置角θ_r(k+1)相加，得到(k+1)时刻定子磁链位置角θ_s(k+1)；将定子磁链幅值参考|ψ_s^*(k)|和(k+1)时刻定子磁链位置角θ_s(k+1)输入定子磁链矢量参考计算模块，根据公式(2.4)计算(k+1)时刻定子磁链矢量参考ψ_s^*(k+1)；

θ_r(k+1)＝θ_r(k)+ω(k)T_s (2.2)

θ_s(k+1)＝δ^*(k)+θ_r(k+1) (2.3)

ψ_s^*(k+1)＝|ψ_s^*(k)|exp(jθ_s(k+1)) (2.4)

其中：L_s为永磁同步电机同步电感，P_r为永磁同步电机极对数，|ψ_f^*(k)|为永磁体磁链幅值，T_s为预测控制的采样时间；

(3)有效电压矢量选择：将(k+1)时刻定子磁链矢量参考ψ_s^*(k+1)输入目标矢量计算模块，根据公式(3.1)计算目标电压矢量u_obj(k+1)；将目标电压矢量u_obj(k+1)输入目标电压矢量角计算模块，根据公式(3.2)计算目标电压矢量与α轴夹角θ_u(k+1)；将目标电压矢量与α轴夹角θ_u(k+1)输入扇区判断模块，根据目标电压矢量与α轴夹角θ_u(k+1)判断目标电压矢量u_obj(k+1)的扇区号N(k+1)；将扇区号N(k+1)输入选择模块，获得三个基本电压矢量u_i(k+1)，矢量编号i＝2N-1,2N,2N+1；

其中：ψ_s(k)为k时刻定子磁链矢量，R_s为定子电阻，i_s(k)为定子电流，u_objβ(k+1)和u_objα(k+1)分别为u_obj(k+1)的α轴和β轴分量；

(4)计算(k+1)时刻定子磁链矢量预测值ψ_s(k+1)：将定子电流i_s(k)和三个基本电压矢量u_i(k+1)输入定子磁链矢量预测模块，根据公式(4.1)计算(k+1)时刻定子磁链矢量预测值ψ_s(k+1)；

ψ_s(k+1)＝ψ_s(k)+T_s(u_i(k+1)-R_si_s(k)) (4.1)

(5)选择逆变器最优开关状态：将(k+1)时刻定子磁链矢量参考ψ_s^*(k+1)和(k+1)时刻定子磁链矢量预测值ψ_s(k+1)输入优化模块，根据公式(5.1)计算价值函数g_i，价值函数g_i取最小值时，其对应的基本电压矢量确定为最优基本电压矢量u_opt，根据最优基本电压矢量u_opt获得最优开关状态S_a,b,c；

g_i＝|ψ_s^*(k+1)-ψ_s(k+1)| (5.1)

(6)输出最优电压：逆变器将最优开关状态S_a,b,c转化为最优电压输送给永磁同步电机。

具体的，选择模块在获得扇区号N(k+1)后，按照下述关系选择三个基本电压矢量u_i(k+1)：

①N(k+1)＝1时，基本电压矢量为(100,000,110)，三个基本电压矢量为u₁、u₂和u₃；

②N(k+1)＝2时，基本电压矢量为(110,000,010)，三个基本电压矢量为u₃、u₄和u₅；

③N(k+1)＝3时，基本电压矢量为(010,000,011)，三个基本电压矢量为u₅、u₆和u₇；

④N(k+1)＝4时，基本电压矢量为(011,000,001)，三个基本电压矢量为u₇、u₈和u₉；

⑤N(k+1)＝5时，基本电压矢量为(001,000,101)，三个基本电压矢量为u₉、u₁₀和u₁₁；

⑥N(k+1)＝6时，基本电压矢量为(101,000,100)，三个基本电压矢量为u₁₁、u₁₂和u₁₃。

有益效果：本发明提供的永磁同步电机准无差拍模型预测磁链控制方法，直接以定子磁链矢量为控制变量，与普通的模型预测控制相比，避免了权值的计算，简化了最优基本电压矢量选择过程，降低了系统延迟，有利于提高算法的时效性，更适合于实际应用。本发明所提供的方法也为多相电机和多电平逆变器模型预测控制策略优化提供了一种新思路。

附图说明

图1为本发明的原理框图，包括PI控制器1、定子磁链矢量参考计算模块2、有效电压矢量选择模块3、定子磁链矢量预测模块4、优化模块5、逆变器6、永磁同步电机7和光电编码器8；

图2为定子磁链矢量参考计算模块2的原理框图，包括转矩角计算模块2-1、转子位置角预测模块2-2和定子磁链矢量参考计算模块2-3；

图3为有效电压矢量选择模块3的原理框图，包括目标电压矢量计算模块3-1、目标电压矢量角计算模块3-2、扇区判断模块3-3和选择模块3-4；

图4是k时刻永磁同步电机矢量关系图；

图5是k时刻电压矢量关系图；

图6是准无差拍模型预测磁链控制算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种永磁同步电机准无差拍模型预测磁链控制系统如图1所示，包括PI控制器1、定子磁链矢量参考计算模块2、有效电压矢量选择模块3、定子磁链矢量预测模块4、优化模块5、逆变器6、永磁同步电机7和光电编码器8。

要实现所述的永磁同步电机准无差拍模型预测磁链控制，需要计算定子磁链矢量参考ψ_s^*(k+1)和定子磁链矢量预测值ψ_s(k+1)，根据准无差拍控制原则选择有效电压矢量。图4为k时刻各矢量之间的关系，图5为目标电压矢量与基本电压矢量图，图6为所述永磁同步电机准无差拍模型预测磁链控制方法的算法流程图。具体包括如下步骤：

(1)计算参考转矩T_e^*(k)：将参考速度ω^*(k)与实际反馈速度ω(k)的差值e(k)输入PI控制器1，根据公式(1.1)计算参考转矩T_e^*(k)；

其中：K_P和K_I分别为PI控制器1的比例增益和积分增益；

(2)计算(k+1)时刻定子磁链矢量参考ψ_s^*(k+1)：将定子磁链幅值参考|ψ_s^*(k)|和参考转矩T_e^*(k)输入转矩角计算模块2-1，根据公式(2.1)计算转矩角参考δ^*(k)；将转子位置角θ_r(k)和实际反馈速度ω(k)输入转子位置角预测模块2-2，根据公式(2.2)预测(k+1)时刻转子位置角θ_r(k+1)；将转矩角参考δ^*(k)和(k+1)时刻转子位置角θ_r(k+1)相加，得到(k+1)时刻定子磁链位置角θ_s(k+1)；将定子磁链幅值参考|ψ_s^*(k)|和(k+1)时刻定子磁链位置角θ_s(k+1)输入定子磁链矢量参考计算模块2-3，根据公式(2.4)计算(k+1)时刻定子磁链矢量参考ψ_s^*(k+1)；

θ_r(k+1)＝θ_r(k)+ω(k)T_s (2.2)

θ_s(k+1)＝δ^*(k)+θ_r(k+1) (2.3)

ψ_s^*(k+1)＝|ψ_s^*(k)|exp(jθ_s(k+1)) (2.4)

其中：L_s为永磁同步电机同步电感，P_r为永磁同步电机极对数，|ψ_f^*(k)|为永磁体磁链幅值，T_s为预测控制的采样时间；

(3)有效电压矢量选择：将(k+1)时刻定子磁链矢量参考ψ_s^*(k+1)输入目标矢量计算模块3-1，根据公式(3.1)计算目标电压矢量u_obj(k+1)；将目标电压矢量u_obj(k+1)输入目标电压矢量角计算模块3-2，根据公式(3.2)计算目标电压矢量与α轴夹角θ_u(k+1)；将目标电压矢量与α轴夹角θ_u(k+1)输入扇区判断模块3-3，根据目标电压矢量与α轴夹角θ_u(k+1)判断目标电压矢量u_obj(k+1)的扇区号N(k+1)；将扇区号N(k+1)输入选择模块3-4(参照表1)，获得三个基本电压矢量u_i(k+1)，矢量编号i＝2N-1,2N,2N+1；

其中：ψ_s(k)为k时刻定子磁链矢量，R_s为定子电阻，i_s(k)为定子电流，u_objβ(k+1)和u_objα(k+1)分别为u_obj(k+1)的α轴和β轴分量；

(4)计算(k+1)时刻定子磁链矢量预测值ψ_s(k+1)：将定子电流i_s(k)和三个基本电压矢量u_i(k+1)输入定子磁链矢量预测模块4，根据公式(4.1)计算(k+1)时刻定子磁链矢量预测值ψ_s(k+1)；

ψ_s(k+1)＝ψ_s(k)+T_s(u_i(k+1)-R_si_s(k)) (4.1)

(5)选择逆变器最优开关状态：将(k+1)时刻定子磁链矢量参考ψ_s^*(k+1)和(k+1)时刻定子磁链矢量预测值ψ_s(k+1)输入优化模块5，根据公式(5.1)计算价值函数g_i，价值函数g_i取最小值时，其对应的基本电压矢量确定为最优基本电压矢量u_opt，根据最优基本电压矢量u_opt获得最优开关状态S_a,b,c；

g_i＝|ψ_s^*(k+1)-ψ_s(k+1)| (5.1)

(6)输出最优电压：逆变器将最优开关状态S_a,b,c转化为最优电压输送给永磁同步电机。

表1 扇区号、扇区角、基本电压矢量和矢量编号的对应关系

图4为k时刻永磁同步电机电压矢量图，(k+1)时刻定子磁链矢量参考ψ_s^*(k+1)通过公式(2.4)计算得到；目标电压矢量u_obj(k+1)通过公式(3.1)计算得到，利用图5中的电压矢量关系确定目标电压矢量u_obj(k+1)所在扇区为3号扇区，则此时可能成为最优基本电压矢量的只可能为u₅、u₆和u₇，利用公式(4.1)计算3个基本电压矢量对应的定子磁链矢量预测值ψ_s(k+1)，如图4中虚线所示；再通过优化模块按照公式(5.1)对3个基本电压矢量作用下的定子磁链矢量预测值ψ_s(k+1)进行优化，得到最优基本电压矢量。在此优化过程中，仅用到了3个基本电压矢量，与普通的模型预测磁链相比，减少了优化次数，降低了系统延迟，有利于提高算法的时效性。

所述的控制方法是针对由两电平逆变器驱动的三相永磁同步电机而设计的，该方法还可以被拓展到多相永磁同步电机控制中

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。