一种三相四开关感应电动机变频调速系统的预测控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于感应电动机变频调速领域，更具体地，涉及一种Η相四开关功率变换 器拓扑下感应电机变频调速系统的预测控制方法。
【背景技术】
[0002] W感应电动机为主体的变频调速系统在航空航天、军事、工业等领域得到了广泛 应用，其功率变换器均由六开关Η相全控型电力电子器件组成。送其中，变换器能量密度 高，电力电子器件又相对"脆弱"，一旦变换器某只功率管发生开路或短路故障，整个系统便 丧失了正常工作的能力，甚至发生灾难性后果。
[0003] 随着对变频调速系统安全性、可靠性的要求越来越高，实时容错控制受到高度重 视，然而大部分变频调速系统不配备兀余备份，送使得无兀余备份的Η相四开关拓扑结构 受到更大的关注。在众多针对Η相四开关变频调速系统控制策略的专利和文献中，其大致 方法分为两类：一类是假定直流电容电压是恒定不变的，在此基础上设计控制算法，由于电 机的一相直接接到了电容中性点，相电流的流动会导致电容电压的波动和漂移，因此送类 方法并不能用于实际系统；另一类是针对电容电压波动和漂移设计控制算法，但是送种算 法一般是开环的控制策略，调速系统的动态性能差。
【发明内容】
[0004] 为了克服现有Η相四开关变频调速系统控制策略的不足，本发明提出了一种Η相 四开关功率变换器拓扑下预测控制方法。该方法能在电容电压波动的情况下，实现高性能 的磁链和转矩闭环控制，而且还能抑制电容电压的漂移，不需要脉宽调制器和坐标变换。该 方法适用于Η相四开关驱动的各种变频调速系统。
[0005] 为了实现上述目的，本发明提供了一种Η相四开关功率变换器拓扑下感应电机变 频调速系统的预测控制方法，所述方法包括：
[0006] (1)通过感应电机驱动系统中已有的电流霍尔传感器、电压霍尔传感器和光电码 盘速度传感器分别测出H相电流iΛibk，i。k，两个直流侧电容电压U。Λu。2k和电机转速ω;
[0007] 似通过测量的两个直流侧电容电压UcA Uczk计算四种开关组合对应的电压矢量 Vi，V2, V3, V4当前时刻的值，并根据测量的S相电流C，北C信号计算电流矢量f的值，其 中四种开关组合为00, 10, 11，01 ;
[000引 做通过测量的电机转速ω和电流矢量ξ*估算定子磁锥襄叫日转子磁链兵* ;
[0009] (4)根据电机模型和逆变器模型预测所有电压矢量Vi，V2, V3, V4对应电容电压
、定子磁链兵W和电磁转矩fd;
[0010] 妨利用预测得到的各个电压矢量Vi，V2, V3, V4对应的电容电压如/'I、定子 磁链 和电磁转矩沪Η十算代价函数，取使得代价函数最小化的电压矢量为最优的电压 矢量；
[0011] (6)施加最优电压矢量对应的开关信号，其中电压矢量与开关信号的对应关系如 步骤似中相同。
[0012] 本发明的优点在于，通过对电机模型的精确建模，在电容电压波动的情况下，能够 实现感应电动机的磁场，转矩和转速的闭环高性能控制，同时实现了在送种不对称电力电 子变换器拓扑下，Η相电流的均衡控制。为了保证系统的可靠性，本发明对电容电压的漂移 进行抑制。本发明直接输出开关信号，不需要脉宽调制器。所有变量均在定子坐标系下完 成，不需要坐标变换。控制结构简单易懂，易于物理实现。
【附图说明】
[0013] 图1为本发明方法适用的感应电机驱动系统及其基本结构图；
[0014] 图2为本发明方法的控制原理框图；
[0015] 图3为本发明Η相四开关驱动的感应电动机模型预测控制方法的控制流程图。
【具体实施方式】
[001引为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，W下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用W解释本发明，并 不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可W相互组合。
[0017] 如图1所示，本发明所涉及的是感应电动机变频调速系统的功率变换器结构和感 应电动机的连接模型。电机的Η相中的两相接正常的开关桥臂，第Η相接直流侧的电容中 性点。
[001引如图2所示，本发明所涉及的控制框图，W及与Η相四开关驱动的感应电机系统 的连接框图，结合附图2说明本发明采用的技术方案的原理：
[0019] 为了实现高性能的闭环控制策略，速度外环控制采用传统的比例积分控制器获得 转矩的给定值，电流内环控制采用模型预测控制器，本方案包含磁链估计，转矩、磁链和电 容电压预测，代价函数最优化Η个步骤。
[0020] 首先，采用感应电机电流模型估计当前的感应电动机定子和转子磁链。电容电压 的波动会导致逆变器的电压矢量在相角和幅值上产生波动，送种波动会导致基于电压模型 磁链估计算法产生巨大误差，导致磁链估计不精确，本方案采用基于电流模型的磁链估计 算法，利用转速，相电流可测量估算当前的定子和转子磁链，克服电容电压波动对磁链估计 的影响。
[002。 其次，利用电压传感器，测量电容的实时电压，计算当前电压矢量的精确值，然后， 利用感应电机的数学模型，将当前四种开关状态对应的四个电压矢量一一代入模型中，预 测不同电压矢量下的下一采样周期的定子磁链，定子电流，电磁转矩，电容电压。
[0022] 最后，将预测的磁链绝对值，电磁转矩，电容电压同参考值分别作差，求其绝对值， 并乘W相应的权重系数，相加后得到代价函数，四个电压矢量对应四个代价函数取值，将代 价函数取值的最小电压矢量对应的开关信号施加到逆变器。
[0023] 通过霍尔传感器从电机中获取电机的Η相电流，从光电码盘速度传感器测出转速 信号。从功率变换器中，通过电压霍尔传感器获取电容电压。w上变量作为控制系统的输 入量参与系统控制。控制系统直接输出离散的开关信号，简化了控制结构。控制系统分为 内外两个控制环；外环为传统的PI调节器，实现转速的闭环控制，并通过速度调节器产生 转矩给定；内环为模型预测控制器，实现电机转矩和磁链的闭环控制，同时在内环也实现了 电容电压漂移的抑制。
[0024] 如图3所示，为本发明Η相四开关驱动的感应电动机模型预测控制方法的控制流 程图，如图所示，所述方法包括：
[00巧]1、初始化将代价函数g初始化为一个足够大的值。
[0026] 2、通过感应电机驱动系统中已有的电流霍尔传感器、电压霍尔传感器和光电码盘 速度传感器分别测出Η相电流C，ibk，C，两个直流侧电容电压U"k，Uc2k和电机转速ω ;
[0027] 3、通过测量的两个直流侧电容电压UciUczk计算四种开关组合对应的电压矢量 Vl，V2, V3, V4当前时刻的值，并根据测量的S相电流igk，北C信号计算电流矢量f的值，其 中四种开关组合为00, 10, 11，01 ;电压矢量的计算方法，按表1所示。
[0028]
[0029]
[0030] 表 1
[0031] 电流矢量的计算方法如下：
[003引
（公，；0
[0033] 其中上标k为采样时刻。
[0034] 4、通过测量的电机转