永磁同步电机电流源型逆变器的控制方法

本发明涉及电机控制，尤其是指一种永磁同步电机电流源型逆变器的控制方法。

背景技术：

1、同步电机是一种常用的交流电机，同步电机可以分为电励磁同步电机和永磁同步电机。其中，永磁同步电机因为结构简单、运行高效平稳等优点而被广泛应用于风力发电、航空航天和工业机器人等领域。

2、三相正弦波永磁同步电机采用的传统的控制方式主要有恒压频比控制、矢量控制和直接转矩控制，恒压频比控制系统结构简单且价格低廉，但不能实现转矩的精确控制，仅适用于动态性能要求低的场合；矢量控制的精度高，调速范围广，但是需要确定磁链位置，其参数影响和计算量大，系统较为复杂；直接转矩控制动态性能和参数鲁棒性好且控制简单，但且转矩和电流脉动大，所需开关频率较高。

3、为了克服上述传统控制技术在系统鲁棒性、精确性和经济性方面的缺陷，模型预测控制技术作为一种新型的控制方式得以快速发展和研究。模型预测控制方法相比传统的控制方法，具有无需调制、控制方法简单、动态性能优异等优点。一般的交流电机控制系统都通过逆变器产生交流电输出到电机上，而逆变器不同的功率开关器件状态组合产生的输出电压矢量有限，所以在每个控制周期内，可以选择合适的开关信号来控制电机。而模型预测控制则主要是通过电机数学模型预测下一时刻的控制变量，然后利用目标函数最小化的方法，从有限的开关状态中选出最优的输出电压矢量作用到电机上。

4、现有的模型预测控制对于转矩、磁链和约束条件等多种不同的控制目标，多采用权重系数法将多个控制目标转化为单个目标优化问题，但是目前没有合适的设计规则来指导权重系数设计，这种权重系数调节多是依赖经验来确定，或者采通过大量的仿真和实验来确定权重系数，计算繁琐且计算量较大，不利于模型预测控制的实用化。

5、综上可知，对于三相正弦波永磁同步电机来说，现有的模型预测控制方式，需要设计相应的权重系数以实现对多个变量的同时控制，算法复杂，不利于实际推广和应用。

技术实现思路

1、为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中采用模型预测控制方式对永磁同步电机电流源型逆变器进行控制时，存在算法复杂的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种永磁同步电机电流源型逆变器的控制方法，包括：

3、计算出三相静止坐标系下的逆变器交流侧输出电容的电压参考值

4、以及假设当前时刻为k时刻，预测出k+2时刻逆变器交流侧输出电容的电压预测值vs(k+2)；

5、根据逆变器交流侧输出电容的电压参考值和逆变器交流侧输出电容的电压预测值vs(k+2)建立目标函数j；

6、比较不同开关组合状态下目标函数j的值，将最小的目标函数j对应的电容电压矢量作为最优矢量。

7、本发明的一个实施例中，目标函数j由以下公式获得：

8、

9、本发明的一个实施例中，k+2时刻逆变器交流侧输出电容的电压预测值vs(k+2)由以下公式计算得到：

10、

11、其中，vs(k+1)是k+1时刻的逆变器交流侧输出电容的电压的预测值，ii(k+1)是k+1时刻的逆变器交流侧输入电流的预测值，is(k+1)是k+1时刻逆变器交流侧的输出电流的预测值，ts是采样周期，cf是逆变器交流侧输出电容的容值。

12、本发明的一个实施例中，

13、

14、其中，vs(k)是k时刻的逆变器交流侧输出电容的电压的实际值，ii(k)是k时刻的逆变器交流侧输入电流的实际值，is(k)是k时刻的逆变器交流侧输出电流的实际值。

15、本发明的一个实施例中，计算出三相静止坐标系下的逆变器交流侧输出电容的电压参考值的方法包括：

16、建立两相旋转坐标系下的永磁同步电机的数学模型，计算出两相旋转坐标系下的逆变器交流侧输出电容的电压参考值，将两相旋转坐标系下的逆变器交流侧输出电容的电压参考值通过逆变换转换为三相静止坐标系下的逆变器交流侧输出电容的电压参考值

17、本发明的一个实施例中，两相旋转坐标系下的逆变器交流侧输出电容的电压参考值的坐标值为：

18、

19、其中，是逆变器交流侧输出电容的电压参考值在两相旋转坐标系的d轴的坐标分量；是逆变器交流侧输出电容的电压参考值在两相旋转坐标系的q轴的坐标分量；是k+3时刻d轴电流参考值，是k+3时刻q轴电流参考值，id(k+2)是k+2时刻d轴电流预测值，iq(k+2)是k+2时刻q轴电流预测值，ts是采样周期，r是定子电阻，ld是d轴电感，lq是q轴电感，ω是转子的电角速度，ψf是永磁体磁链。

20、本发明的一个实施例中，

21、

22、

23、其中，是电磁转矩的给定值；p是转子极对数。

24、本发明的一个实施例中，ω＝pωm；其中，ωm是机械角速度。

25、本发明的一个实施例中，建立两相旋转坐标系下的永磁同步电机的数学模型的方法包括：

26、先建立三相静止坐标系下的永磁同步电机的数学模型，将三相静止坐标系下的永磁同步电机的数学模型通过clark变换转换为两相静止坐标系下的永磁同步电机的数学模型，并将两相静止坐标系下的永磁同步电机的数学模型通过park变换转换为两相旋转坐标系下的永磁同步电机的数学模型。

27、本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

28、本发明所述的永磁同步电机电流源型逆变器的控制方法，只需控制逆变器交流侧输出电容的电压便可以实现电机的控制，不需要权重系数，大大降低了控制算法的复杂度和计算量，同时也提高了控制效率和控制准确性，利于推广和应用。

技术特征：

1.一种永磁同步电机电流源型逆变器的控制方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机电流源型逆变器的控制方法，其特征在于，目标函数j由以下公式获得：

3.根据权利要求2所述的永磁同步电机电流源型逆变器的控制方法，其特征在于，k+2时刻逆变器交流侧输出电容的电压预测值vs(k+2)由以下公式计算得到：

4.根据权利要求2所述的永磁同步电机电流源型逆变器的控制方法，其特征在于，

5.根据权利要求2所述的永磁同步电机电流源型逆变器的控制方法，其特征在于，计算出三相静止坐标系下的逆变器交流侧输出电容的电压参考值的方法包括：

6.根据权利要求5所述的永磁同步电机电流源型逆变器的控制方法，其特征在于，两相旋转坐标系下的逆变器交流侧输出电容的电压参考值的坐标值为：

7.根据权利要求6所述的永磁同步电机电流源型逆变器的控制方法，其特征在于，

8.根据权利要求6所述的永磁同步电机电流源型逆变器的控制方法，其特征在于，ω＝pωm；其中，ωm是机械角速度。

9.根据权利要求5所述的永磁同步电机电流源型逆变器的控制方法，其特征在于，建立两相旋转坐标系下的永磁同步电机的数学模型的方法包括：

技术总结
本发明涉及一种永磁同步电机电流源型逆变器的控制方法，包括：计算出三相静止坐标系下的逆变器交流侧输出电容的电压参考值以及假设当前时刻为k时刻，预测出k+2时刻逆变器交流侧输出电容的电压预测值V<subgt;s</subgt;(k+2)；根据逆变器交流侧输出电容的电压参考值和逆变器交流侧输出电容的电压预测值V<subgt;s</subgt;(k+2)建立目标函数J；比较不同开关组合状态下目标函数J的值，将最小的目标函数J对应的电容电压矢量作为最优矢量。本发明只需控制逆变器交流侧输出电容的电压便可以实现电机的控制，不需要权重系数，大大降低了控制算法的复杂度和计算量，利于推广和应用。

技术研发人员：徐义国,樊明迪,杨勇,戴志勇,雷晓犇
受保护的技术使用者：苏州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12