一种改进的永磁同步电机三电平无模型预测电流控制方法

1.本发明涉及一种改进的永磁同步电机三电平无模型预测电流控制方法，属于电机驱动及控制领域。


背景技术：

2.如今三电平中性点箝位(3l-npc)逆变器为代表的三电平逆变器在大功率电子和电机驱动领域已经引起了广泛的关注，与传统的两级逆变器相比，三电平逆变器在缓解电压畸变、降低半导体应力和开关频率方面具有一定的优势，因此，这种拓扑结构已经成为工业界和学术界有吸引力的研究课题。同时在实际应用中，电机参数不仅难以准确获悉，还会随着运行环境的变化而改变，模型失配问题无法避免，极大限制了mpcc的适用范围。基于此，为了降低参数的不确定性对系统控制性能的影响，已提出一种基于电流差检测的无模型预测电流控制(model-free predictive current control,mfpcc)算法。
3.mfpcc算法通过采用过去时刻被储存在电流差查找表中的不同开关状态下的电流差和当前电流状态来取代基于模型的电流预测，不需要任何的电机参数参与运算。然而，它存在不可忽视的电流差查找表的更新停滞问题，现有的强制更新方法，是当检测到一个(或者多个)电压矢量在连续的几个采样周期内没有被应用，强制输出该电压矢量作为驱动电机的最终矢量，但同时牺牲了价值函数的最优输出。


技术实现要素：

4.技术问题：针对上述问题，提出一种改进的永磁同步电机三电平无模型预测电流控制方法，实现一个采样周期内电流差的全更新，能够有效地提高电流差的更新频率，同时通过设定向量候选规则，降低系统的计算负担。
5.技术方案：一种改进的永磁同步电机三电平无模型预测电流控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
6.步骤1：通过编码器获取永磁同步电机的电角度θ，通过电流传感器获取(k-1)时刻和k时刻的三相定子电流is(k-1)和is(k)，s＝a，b，c，然后对三相定子电流做clark变换和park变换后得到(k-1)时刻和k时刻定子电流在dq轴的分量id(k-1)、iq(k-1)和id(k)、iq(k)；
7.步骤2：判断(k-1)时刻应用的电压矢量vk的种类与电压合集序号，从而计算出各电压合集中的基础电压矢量对应的dq轴电流差δid|vi和δiq|vi，再根据各电压合集中电流差间的关系完成所有电压矢量对应的dq轴电流差的计算，实现电流差查找表的更新；
8.步骤3：通过电流预测模块并结合电流差查找表对(k+1)时刻不同开关状态下的dq轴电流进行预测，得到预测值id(k+1)|vj和iq(k+1)|vj；
9.步骤4：经过候选向量设置之后，获取不同电压矢量vj下的价值函数输出gj＝{g1,g2,
…
,g
27
}；然后，通过滚动优化输出使价值函数最小的基本电压矢量，最后，通过中点电位平衡模块输出最优开关状态驱动逆变器。
10.进一步的，步骤2中，所述各电压合集中的基础电压矢量对应的dq轴电流差δid|vi和δiq|vi的计算方法为：首先根据表1判断(k-1)时刻应用的电压矢量vk的电压合集序号，且确定其矢量类型：
11.表1
12.categoryvoltage vectors0v
25
,v
26
,v
27
1v1,v2,v3,v
13
,v
14
,v
15
2v4,v
16
3v5,v6,v7,v
17
,v
18
,v
19
4v8,v
20
5v9,v
10
,v
11
,v
21
,v
22
,v
23
6v
12
,v
24
13.若vk属于零矢量，则有δid|v
25、26、27
＝δi
d0
＝δid|s
k-1
，δiq|v
25、26、27
＝δi
q0
＝δiq|s
k-1
；其中，δi
d0
、δi
q0
表示dq轴电流的自然衰减；δid|s
k-1
和δiq|s
k-1
表示(k-1)时刻的电压矢量作用下的dq轴电流差，
14.若vk属于小矢量，则根据式(1)计算所有电压矢量合集中的基础电压矢量的dq轴电流差δid|vi和δiq|vi，其中vi具体为v1、v4、v5、v8、v9、v
12
、v
25
；
[0015][0016]
其中，β
di
、β
qi
分别表示电压矢量vi与d轴q轴的夹角；β
dk
、β
qk
分别表示电压矢量vk与d轴q轴的夹角；δid|vk、δiq|vk表示电压矢量vk作用下的dq轴电流的强制响应，参数数值如表2所示；
[0017]
表2
[0018][0019]
表中，v
x
表示特征电压矢量之间的振幅系数；
[0020]
若vk属于大矢量，则先根据式(2)计算其所在电压合集中的基础电压矢量vm对应的dq轴电流差δid|vm和δiq|vm，再根据式(3)计算所有电压矢量合集中的基础电压矢量对应的dq轴电流差δid|vi和δiq|vi；
[0021][0022][0023]
其中，δid|vm和δiq|vm分别为电压矢量vm作用下的dq轴电流的强制响应；
[0024]
若vk属于中矢量，且为基础矢量，则直接根据式(1)计算所有电压矢量合集中的基础电压矢量对应的dq轴电流差δid|vi和δiq|vi；若vk属于中矢量，但不属于基础矢量，则先根据式(4)计算其所在电压合集中的基础电压矢量vn对应的dq轴电流差δid|vn和δiq|vn，再根据式(5)计算所有电压矢量合集中的基础电压矢量对应的dq轴电流差δid|vi和δiq|vi；
[0025][0026][0027]
其中，δid|vn和δiq|vn分别为电压矢量vn作用下的dq轴电流的强制响应。
[0028]
进一步的，步骤2中，所述实现电流差查找表更新的方法为：获取电压合集1、3、5的基础电压矢量对应的dq轴电流差后，通过式(6)计算同一合集中其他电压矢量对应的dq轴电流差；电压合集2、4、6的其余所有电压矢量对应的dq轴电流差通过式(7)计算；将计算的不同开关状态下的dq轴电流差存入一张包含27个不同开关状态的电流差查找表中并替换掉表中同开关状态的原始数据，完成电流差查找表的更新；
[0029][0030]
[0031]
其中，参数a取1、3、5，参数b取2、4、6，对应电压矢量序号。
[0032]
进一步的，所述步骤3具体包括：首先从电流差查找表中获取不同开关状态下的dq轴电流差δid|vj和δiq|vj；然后根据公式(8)计算(k+1)时刻不同开关状态下的dq轴的电流预测值id(k+1)|vj和iq(k+1)|vj；
[0033][0034]
进一步的，步骤4中，向量候选规则为：考虑上一采样时刻作用矢量相邻扇区内的基本矢量作为备选矢量，以在一个采样周期中仅一相开关状态发生连续跳变作为第二原则，进行小矢量、中矢量、大矢量筛选，然后将筛选矢量的小、中、大、零矢量类型补充完整，最终备选矢量个数为6-9个；
[0035]
表3
[0036][0037][0038]
表3为最终的候选规则。
[0039]
有益效果：本发明基于三电平逆变器供电的永磁同步电动机，构建了以电流差查找表为基础的电流预测模型，避免了电机参数参与运算，提高了参数的鲁棒性，该方法实现了一周期内电流差的全更新，有效地提高电流差的更新频率。同时，采用的向量候选方法，将备选矢量减少到6-9个，降低了系统的计算负担。
附图说明
[0040]
图1为本发明提供的永磁同步电机三电平无模型预测电流控制原理图；
[0041]
图2为本发明提出的mfpcc算法的q轴电流跟踪性能仿真图，图3的(a)为准确参数(r＝5.25欧)条件下的电流跟踪仿真，图3的(b)为电阻增加50％(r＝7.875欧)条件下的电流跟踪仿真；
[0042]
图3所示为本发明提出的mfpcc算法的三相电流波形。
具体实施方式
[0043]
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
[0044]
一种改进的永磁同步电机三电平无模型预测电流控制原理图如图1所示，包括转速外环pi控制器模块1、最小化价值函数模块2、中点电位平衡模块3、逆变器模块4、永磁同步电机模块5、编码器模块6、电流差计算模块7、电流差查找表模块8和电流预测模块9。
[0045]
如图2所示，本方法包括如下步骤：
[0046]
步骤1：根据转速外环pi控制器得到(k+1)时刻的参考q轴电流i
qref
(k+1)：
[0047]
将给定转速n
rref
与实际转速nr的差值en送入转速外环pi控制器，根据公式(1)获得(k+1)时刻的参考q轴电流i
qref
(k+1)：
[0048][0049]
其中，k
p
和ki分别为转速pi控制器的比例增益和积分增益，s为复变量。
[0050]
步骤2：从编码器中获取永磁同步电机的电角度θ；再通过电流传感器分别测量永磁同步电机在(k-1)时刻和k时刻的三相定子电流is(k-1)和is(k)，s＝a，b，c，经公式(2)的clark变换后得到(k-1)时刻和k时刻定子电流的αβ轴分量i
α
(k-1)、i
β
(k-1)和i
α
(k)、i
β
(k)，再经公式(3)的park变换后得到(k-1)时刻和k时刻定子电流的dq轴分量id(k-1)、iq(k-1)和id(k)、iq(k)；
[0051][0052][0053]
步骤3：根据表1判断(k-1)时刻应用的电压矢量vk的电压合集序号，且确定其矢量类型：
[0054]
表1
[0055]
categoryvoltage vectors0v
25
,v
26
,v
27
1v1,v2,v3,v
13
,v
14
,v
15
2v4,v
16
3v5,v6,v7,v
17
,v
18
,v
19
4v8,v
20
5v9,v
10
,v
11
,v
21
,v
22
,v
23
6v
12
,v
24
[0056]
若vk属于零矢量，则其对应的dq轴电流差分别为δid|v
25、26、27
＝δi
d0
＝δid|s
k-1
，δiq|v
25、26、27
＝δi
q0
＝δiq|s
k-1
；其中，δi
d0
、δi
q0
表示dq轴电流的自然衰减；δid|s
k-1
和δiq|s
k-1
表示(k-1)时刻的电压矢量作用下的dq轴电流差，
[0057]
若vk属于小矢量，则根据式(4)计算所有电压矢量合集中的基础电压矢量的dq轴电流差δid|vi和δiq|vi，其中vi具体为v1、v4、v5、v8、v9、v
12
、v
25
；
[0058][0059]
其中，β
di
、β
qi
分别表示电压矢量vi与d轴q轴的夹角；β
dk
、β
qk
分别表示电压矢量vk与d轴q轴的夹角；式中的vi、vk分别表示矢量vi与vk的幅值系数，δid|vk、δiq|vk表示电压矢量vk作用下的dq轴电流的强制响应，参数数值如表2所示；
[0060]
表2
[0061][0062]
表中，v
x
表示特征电压矢量之间的振幅系数；
[0063]
若vk属于大矢量，则先根据式(5)计算其所在电压合集中的基础电压矢量对应的dq轴电流差δid|vm和δiq|vm，再根据式(6)计算所有电压矢量合集中的基础电压矢量对应的dq轴电流差δid|vi和δiq|vi；
[0064][0065][0066]
其中，δid|vm和δiq|vm分别为电压矢量vm作用下的dq轴电流的强制响应；
[0067]
若vk属于中矢量，且为基础矢量，则直接根据式(4)计算所有电压矢量合集中的基础电压矢量对应的dq轴电流差δid|vi和δiq|vi；若vk属于中矢量，但不属于基础矢量，则先根据式(7)计算其所在电压合集中的基础电压矢量vn对应的dq轴电流差δid|vn和δiq|vn，再根据式(8)计算所有电压矢量合集中的基础电压矢量对应的dq轴电流差δid|vi和δiq|
vi；
[0068][0069][0070]
其中，δid|vn和δiq|vn分别为电压矢量vn作用下的dq轴电流的强制响应。
[0071]
步骤4：获取电压合集1，3，5的基础电压矢量对应的dq轴电流差后，通过式(9)计算同一合集中其他电压矢量对应的dq轴电流差；电压合集2，4，6的其余所有电压矢量对应的dq轴电流差通过式(10)计算；将计算的不同开关状态下的dq轴电流差存入一张包含27个不同开关状态的电流差查找表中并替换掉表中同开关状态的原始数据，完成电流差查找表的更新。
[0072][0073][0074]
其中，参数a取1、3、5，参数b取2、4、6，对应电压矢量序号。
[0075]
步骤5：从电流差查找表中获取不同开关状态下的dq轴电流差δid|vj和δid|vj；然后根据公式(11)计算(k+1)时刻不同开关状态下的dq轴的电流预测值id(k+1)|vj和iq(k+1)|vj。
[0076][0077]
步骤6：考虑上一采样时刻作用矢量相邻扇区内的基本矢量作为备选矢量，以在一个采样周期中仅一相开关状态发生连续跳变作为第二原则，进行小矢量，中矢量，大矢量筛选，后为提高最优矢量选择的准确性，将筛选矢量的小、中、大、零矢量类型补充完整，最终备选矢量个数为6-9个，表3
[0078]
vectorpre-selectionvectorpre-selectionv1v1 v
3 v
4 v
5 v
21 v
24 v
26v15v11 v
12 v
14 v
15 v
16 v
19 v
26v2v2 v
3 v
4 v
6 v
7 v
22 v
23 v
24 v
26v16v12 v
13 v
15 v
16 v
18 v
19 v
20 v
26v3v1 v
3 v
4 v
7 v
23 v
24 v
26v17v13 v
16 v
17 v
19 v
20 v
21 v
26v4v1 v
3 v
4 v
5 v
7 v
8 v
24 v
26v18v14 v
15 v
16 v
18 v
19 v
20 v
22 v
23 v
26v5v1 v
3 v
4 v
5 v
7 v
8 v
9 v
11 v
26v19v15 v
16 v
17 v
19 v
20 v
23 v
26v6v2 v
4 v
6 v
7 v
8 v
10 v
26v20v16 v
18 v
19 v
20 v
21 v
23 v
24 v
26v7v3 v
4 v
6 v
7 v
8 v
11 v
26v21v1 v
3 v
17 v
19 v
20 v
21 v
23 v
24 v
26v8v4 v
5 v
7 v
8 v
10 v
11 v
12 v
26v22v2 v
18 v
20 v
22 v
23 v
24 v
26v9v5 v
8 v
9 v
11 v
12 v
13 v
26v23v3 v
19 v
20 v
22 v
23 v
24 v
26v10v6 v
7 v
8 v
10 v
11 v
12 v
14 v
15 v
26v24v2 v
3 v
4 v
20 v
21 v
23 v
24 v
26v11v7 v
8 v
9 v
11 v
12 v
15 v
26v25v1 v
3 v
9 v
17 v
25v12v8 v
10 v
11 v
12 v
13 v
15 v
16 v
26v26v2 v
4 v
5 v
10 v
13 v
18 v
21 v
26v13v9 v
11 v
12 v
13 v
15 v
16 v
17 v
19 v
26v27v6 v
14 v
15 v
22 v
25v14v10 v
12 v
14 v
15 v
16 v
18 v
26
ꢀꢀ
[0079]
本发明方法首先获取(k-1)时刻和k时刻的三相定子电流is(k-1)和is(k)，s＝a，b，c，转子电角度θ；然后通过pi控制器获取(k+1)时刻的参考q轴电流i
qref
(k+1)并给定d轴电流参考i
dref
(k+1)＝0，经步骤2得到(k-1)时刻和k时刻定子电流在dq轴的分量id(k-1)、iq(k-1)和id(k)、iq(k)；经过步骤3进行每个电压矢量合集的基础电压对应的dq轴电流差计算；然后经过步骤4更新电流差查找表；再通过步骤5并结合步骤4所更新的电流差查找表计算k+1时刻的dq轴电流预测值，在步骤6中进行滚动优化输出使价值函数最小的基本电压矢量u
min
；
[0080]
一种改进的永磁同步电机三电平无模型预测电流控制仿真结果如图2、图3所示。从图2的(a)可以看出在准确的电机参数条件下实际电流能够很好的跟踪参考电流，而从图2的(b)可以看出，本发明所提出的mfpcc方法由于不需要任何电机参数参与运算，因此，能够一直保持良好的q轴电流跟踪性能。图3所示为三相电流波形，可以看出电流正限度良好。
[0081]
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。