无权重系数准Z源逆变器-永磁同步电机系统全局预测控制方法

本发明涉及永磁电机系统控制，尤其是一种无权重系数准z源逆变器-永磁同步电机系统全局预测控制方法。

背景技术：

1、传统电压源逆变器因其控制逻辑简单、体积小等优点广泛应用于永磁同步电机驱动系统中，但由于其属于降压型逆变器，不适用于电源电压波动较大的场合。如在电动汽车中，电池供电受到电池电量和汽车运行工况的影响，导致逆变器的输入电压可能出现显著波动，从而对连接到电压源逆变器输出侧的电机性能产生不利影响，进而降低了电动汽车的动力性能。准z源逆变器作为一种新型逆变器拓扑，其具备独特的优势，内置升压特性，因此电动汽车电驱等领域表现出极佳的适用性，弥补了传统逆变器的不足之处。

2、目前针对准z源逆变器和永磁同步电机的控制研究方法主要包括传统的调制方法和以模型预测控制为代表的非线性方法。与传统的调制方法相比，模型预测控制方法具备无需进行调制、控制策略简单、卓越的动态性能等显著优势。因此，针对准z源逆变器-永磁同步电机系统的模型预测控制方法具备极为重要的研究价值。

3、文献《finite set model predictive control method for quasi-z sourceinverter-permanent magnet synchronous motor drive system》(kangda dong、tingnashi、shuxin xiao et al.iet electric power applications,2019,13(3):302-309)。在此文献中，采用有限集模型预测控制对准z源逆变器-永磁同步电机系统进行全局控制，在判定为非直通状态后，将7种输出矢量对应的电容电压、电磁转矩和定子磁链幅值的预测值代入到代价函数中进行计算，最终输出一个使得代价函数最小的电压矢量。尽管该文献在准z源逆变器-永磁同步电机系统控制方面表现出色，但仍存在一个挑战：代价函数中涉及到两个需要同时调整的权重系数。当前尚缺乏适当的设计准则来引导这些权重系数的制定，因此，当代价函数涉及多个权重系数时，权重系数的调整变得相当复杂。如果权重系数的设计不当，可能导致准z源逆变器-永磁同步电机系统无法正常运行。

技术实现思路

1、为解决传统模型预测控制中权重系数设计困难和费时的问题，本发明的目的在于提供一种能够降低模型预测控制算法在准z源逆变器-永磁同步电机系统应用的工作量，同时提高系统工况切换时的平顺性的无权重系数准z源逆变器-永磁同步电机系统全局预测控制方法。

2、为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种无权重系数准z源逆变器-永磁同步电机系统全局预测控制方法，该方法包括下列顺序的步骤：

3、(1)准z源逆变器-永磁同步电机系统实时数据获取：在当前控制周期，记为第k个ts时刻，对电流、电压、转速和位置角进行采样，采样内容具体为：电感电流il1、电容电压uc1、转速nm、转子位置角θm，以及电机三相电流ia、ib和ic，然后将三相电流由三相静止坐标系变换至两相同步dq坐标系下，分别得到d、q轴电流id和iq；

4、(2)根据步骤(1)获取的实时数据，基于准z源逆变器-永磁同步电机系统构建准z源逆变器预测模型和永磁同步电机预测模型：所述准z源逆变器-永磁同步电机系统具有8个开关状态，所述8个开关状态分别对应8个基本矢量，所述8个基本矢量包括6个有效矢量、1个零矢量和1个直通矢量；利用采样得到的实时数据，分别代入到准z源逆变器预测模型和永磁同步电机预测模型中，获得每个基本矢量下一时刻的各控制变量，包括准z源逆变器侧的电容电压uc1(k+1)和电感电流il1(k+1)，以及永磁同步电机侧的电磁转矩te(k+1)和定子磁链幅值ψs(k+1)；

5、(3)根据步骤(1)获取的实时数据，获取准z源逆变器-永磁同步电机系统的参考值：通过负载功率前馈环节获得电感电流参考值il1*，通过电源电压和直流母线电压给定值获得电容电压参考值uc1*，同时通过转速闭环获得转矩参考值te*，然后依据转矩给定值结合id*＝0计算获得磁链参考值ψs*；

6、(4)根据步骤(1)获取的实时数据、步骤(2)构建的准z源逆变器预测模型和永磁同步电机预测模型，以及步骤(3)获取的准z源逆变器-永磁同步电机系统的参考值，进行无权重的模型预测控制：根据电感电流纹波模型和电感电流值il1，建立电感电流边界模型，判断下一时刻是否为直通状态：若为直通状态则选择直通矢量为最优矢量，否则为非直通矢量，选择使总代价函数最小的基本矢量作为最优矢量；

7、(5)将最优矢量对应的开关状态应用于逆变器上，实现全局预测控制，以此实现控制循环。

8、在步骤(2)中，所述构建准z源逆变器预测模型是指：

9、在直通状态下，准z源逆变器预测模型为：

10、

11、式中，l1与c1分别为阻抗网络的电感值与电容值；il1(k)与uc1(k)分别为第k个ts时刻电感电流和电容电压；ts为控制周期；il1(k+1)与uc1(k+1)分别为第k+1个ts时刻电感电流和电容电压；

12、在非直通状态下，准z源逆变器预测模型为：

13、

14、式中，uin为电源电压，iinv(k+1)为第k+1个ts时刻直流母线电流值，iinv(k+1)＝ia(k)s1+ib(k)s3+ic(k)s5；ia(k)、ib(k)和ic(k)为第k个ts时刻a相、b相和c相的电流值；s1、s3和s5分别为a相、b相和c相上桥臂开关管状态，导通为1，关断为0；

15、所述构建永磁同步电机预测模型是指：

16、

17、

18、

19、式中，id(k+1)与iq(k+1)分别为第k+1个ts时刻d、q轴电流；id(k)与iq(k)分别为第k个ts时刻d、q轴电流；ud(k)与uq(k)分别为第k个ts时刻d、q轴电压；rs为相电阻；ωe(k)为第k个ts时刻的电角速度；ψf为转子磁链幅值；ld与lq分别为永磁同步电机的d、q轴电感；p为电机极对数，te(k+1)表示第k+1个时刻的电机侧的电磁转矩，ψs(k+1)表示第k+1个时刻的电机侧的定子磁链幅值。

20、所述步骤(3)具体是指：

21、获取转矩参考值te*：通过转速闭环获取；

22、获取磁链参考值ψs*：标贴式永磁同步电机电磁转矩公式为：

23、

24、式中，te为电磁转矩，p为电机极对数，ψf为转子磁链幅值；

25、电机采用id*＝0控制，结合转速闭环获得的转矩参考值，磁链参考值ψs*由下式获取：

26、

27、式中，lq为永磁同步电机的q轴电感；

28、获取电容电压参考值uc1*：

29、uc1*＝(uin+upn)/2

30、式中，upn为直流母线电压；uin为电源电压；

31、获取电感电流参考值il1*：若准z源逆变器连接三相固定负载，则电感电流参考值直接由输出功率获取，由于连接永磁同步电机后，其输出功率时刻变化，故电感电流参考值通过下式的负载功率前馈补偿获得：

32、il1*＝(p0+kp(uc1*-uc1)+ki∫(uc1*-uc1))/uin

33、式中，p0为当前时刻由机械角速度ωm和负载转矩tl产生的输出功率，即kp和ki分别为功率补偿环节的比例系数和积分系数，uc1为电容电压。

34、所述步骤(4)具体包括以下步骤：

35、(4a)构建电感电流边界模型：

36、根据电感电流一个周期内电流纹波模型定义电感电流容差值：

37、

38、式中，εil1*为电感电流容差值，ts为控制周期，uc1*为电容电压参考值，l1为阻抗网络的电感值；

39、电感电流误差值由下式得到：

40、εil1＝|il1*-il1|

41、式中，εil1为电感电流误差值；il1*为电感电流参考值；

42、(4b)根据阻抗网络电感电流具有的单调特性，即若准z源逆变器处于直通状态下，电感电流上升，处于非直通状态时，电感电流下降；当第k ts时刻电感电流il1(k)小于il1*且εil1大于εil1*时，下一时刻将进入直通状态，否则进入非直通状态；

43、(4c)如果判定下一时刻为直通状态，则直接选择该状态为最优开关状态并应用于逆变器；如果判断为非直通状态，进行以下步骤：

44、首先分别计算电容电压的代价函数定子磁链的代价函数和电磁转矩的代价函数其次，使用从所有非直通状态中选出使电容电压代价函数最小的4个状态，并按确定4个状态在定子磁链代价函数中的排序位置；最后，通过确定满足两者排序和最小的开关状态e1；对于电磁转矩与定子磁链也采用类似流程，即得到另一开关状态e2；最后，分别计算总代价函数g在开关状态e1和e2下对应的值，选择使得总代价函数g结果值较小的开关状态为最优开关状态即最优矢量输出：

45、

46、

47、

48、g＝|te*-te(k+1)|+|ψs*-ψs(k+1)|+|uc1*-uc1(k+1)|

49、式中，ux为非直通电压矢量，x＝[1,7]且x∈n，n为自然数；分别为电容电压预测值、定子磁链预测值、电磁转矩预测值；ψs*为磁链参考值，te*为转矩参考值；分别为在7种非直通矢量下电容电压的代价函数排序值、定子磁链的代价函数排序值、电磁转矩的代价函数排序值，所述7种非直通矢量下包括6种有效矢量和1种零矢量；为非直通矢量之一作用下对应两者排序和最小值；为非直通矢量之一作用下对应两者排序和最小值。

50、由上述技术方案可知，本发明的有益效果为：第一，本发明通过准z源逆变器预测模型、永磁同步电机预测模型和级联控制结构结合排序原理，实现准z源逆变器-永磁同步电机系统的整体控制；第二，与现有技术相比，本发明能够降低模型预测控制算法在准z源逆变器-永磁同步电机系统应用的工作量，同时提高系统工况切换时的平顺性。