CN107070347B - 一种基于虚拟矢量的开绕组永磁电机电流预测控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于虚拟矢量的开绕组永磁电机电流预测控制方法，包括：舍去含有共模电压的开关组合和部分零矢量开关组合，获取不含共模电压的电压矢量；利用筛选的不含共模电压的电压矢量，合成幅值随负载变化、方向与有效矢量相同的6个虚拟矢量；通过7个固有矢量和6个虚拟矢量组成开关函数；开关函数需经过虚拟矢量调制环节得到开关组合；获取仅由电流误差项组成的开关函数的评价函数，根据13种评价函数值选取最优开关函数；将最优开关函数经过外部虚拟矢量调制后生成开关信号作用到系统，即可实现对电流控制的同时、稳定开关频率。本发明克服了传统开绕组永磁电机预测控制中开关频率不固定、共模电压抑制效果有待提高等不足。
Description
技术领域
本发明涉及电机系统及控制领域，尤其涉及一种基于虚拟矢量的开绕组永磁电机电流预测控制方法。
背景技术
开绕组电机是将传统三相电机的中性点打开，构成具有双端口的绕组开放式结构，电机的磁路及结构没有改变，开绕组结构电机不改变传统电机的基本性能，并且由于中性点打开之后各相电机绕组之间的约束关系不再存在，各相绕组独立，可以在一定程度上提高电机本体的可靠性和电机驱动系统的容错能力。电机的两个端口分别接入变流器，通过两端口的变流器协调控制，可以将功率分配到两个变流器上，较好的地满足了大功率电机系统对变流器的需求，因此开绕组电机控制技术的研究成为当前交流电机研究的重要拓展方向。目前，开绕组永磁同步电机驱动系统因为兼具传统永磁同步电机高功率密度、高效率、高性能的特点、以及开绕组电机的优点，已经成为电机系统发展的新方向。
根据端口两端所接变流器供电方式的不同，开绕组永磁电机驱动系统可分为单电源供电的共直流母线型和双电源供电的隔离型两种拓扑结构。与隔离型结构相比，共直流母线型结构因其较低的成本和较小的体积得到广泛应用。在该类结构中，由于变流器、电机和直流母线形成回路，当变流器输出电压含有共模分量时会在回路中形成零序电流，这会对电机轴和开关器件造成危害，因此在开绕组电机的控制中，对共模电压的抑制是一个重要内容。
目前开绕组永磁电机多采用矢量控制，该方法对共模电压的抑制基于零矢量重分配原理，共模电压抑制效果与零矢量作用时间有关，要获得较理想的抑制效果，需要适当增大直流侧母线电压，并且矢量控制中采用的空间矢量调制策略结构较为复杂。
预测控制是近年兴起的一种控制算法。该方法是基于被控模型对系统未来行为进行预测，结合系统历史信息，通过滚动优化策略得出控制量的控制方法。相较于传统矢量控制，该方法结构较为简单，此外，预测控制中的评价函数可以根据系统约束灵活组成，这使预测控制具备了处理多约束问题的能力。因此预测控制在开绕组永磁电机驱动系统中的应用对简化控制系统结构具有重要作用。
传统的预测控制是通过在评价函数中添加共模电压抑制项来抑制开绕组永磁电机驱动系统中的共模电压，但该方法只是软约束，并不能彻底消除共模电压，并且该方法中开关频率不固定，这也为系统的设计带来一定困难。因此研究优化预测控制在开绕组电机中的应用对提高开绕组永磁电机控制性能具有重要意义。
发明内容
本发明提供了一种基于虚拟矢量的开绕组永磁电机电流预测控制方法，本发明克服了传统开绕组永磁电机预测控制中开关频率不固定、共模电压抑制效果有待提高等不足，详见下文描述：
一种基于虚拟矢量的开绕组永磁电机电流预测控制方法，所述控制方法包括以下步骤：
为了消除共模电压，舍去含有共模电压的开关组合和部分零矢量开关组合，获取不含共模电压的电压矢量；
利用筛选的不含共模电压的电压矢量，合成幅值随负载变化、方向与有效矢量相同的6个虚拟矢量；
通过7个固有矢量和6个虚拟矢量组成开关函数；所述开关函数需经过虚拟矢量调制环节得到开关组合；
获取仅由电流误差项组成的开关函数的评价函数，根据13种评价函数值选取最优开关函数；
将最优开关函数经过外部虚拟矢量调制后生成开关信号作用到系统，即可实现对电流控制的同时、稳定开关频率。
其中，所述合成幅值随负载变化、方向与有效矢量相同的6个虚拟矢量的步骤具体为：
负载系数t控制单个采样周期内零矢量和有效矢量的作用时间，进而控制虚拟矢量的幅值。
其中，所述虚拟矢量用负载系数t表示为：
uref＝(1-t)uOH
其中，uref为稳态时的参考电压值，uOH为电压矢量OH的幅值。
进一步地，所述开关函数需经过虚拟矢量调制环节得到开关组合的步骤具体为：
根据虚拟矢量对应的开关函数值，采用等腰三角形实现对虚拟矢量的调制。
所述采用等腰三角形实现对虚拟矢量的调制的步骤具体为：
开关函数的6个分量通过调制后，分别对应开关组合的6个分量；
当某一开关函数分量值大于等于三角载波时，对应的开关组合分量输出为1；
当某一开关函数分量值小于三角载波时，对应的开关组合分量输出为0。
进一步地，所述开关函数的评价函数具体为：
gm＝[id,ref(k)-id,pre,m(k+2)]2+[iq,ref(k)-iq,pre,m(k+2)]2
式中，gm是由开关函数Sk,m(k+1)得到的评价函数值；id,ref(k)和iq,ref(k)为电流参考值，id,pre,m(k+2)和iq,pre,m(k+2)为k+2时刻电流预测值。
本发明提供的技术方案的有益效果是：本方法采用含有虚拟矢量的电流预测控制，舍去空间矢量调制环节，选用了计算量更小的虚拟矢量调制环节。相较于传统电流预测控制，本方法可以在实现电流控制和共模电压抑制的同时、稳定开关频率，简化了系统结构，增强了系统可靠性。
附图说明
图1为基于虚拟矢量的开绕组永磁电机电流预测控制结构图；
图2为每个变流器产生电压矢量及双电压矢量合成的原理图；
其中，图(a)和图(b)为两个变流器分别产生的电压矢量us1和us2的分布图，(c)表示双变流器产生电压矢量合成的原理图。
其中，双变流器系统产生的电压矢量us可以看作两个变流器单独作用所得电压矢量的叠加，即us＝us1－us2。us的开关组合记为Sabc(Sabc,a1Sabc,b1Sabc,c1Sabc,a2Sabc,b2Sabc,c2)，如图(c)中所示，当变流器1输出电压空间矢量为1，开关组合信号Sabc,a1、Sabc,b1、Sabc,c1分别为“1”、“0”、“0”；变流器2输出电压空间矢量为3′，开关管输出信号Sabc,a2、Sabc,b2、Sabc,c2分别为“0”、“1”、“0”时，两个变流器合成电压空间矢量为13′。
图3为双变流器供电时产生的空间电压矢量分布图；
其中，OO、OA、OB……OS为双变流器供电时产生的电压矢量。变流器开关组合与电压矢量的对应关系见表1。
图4为虚拟矢量调制原理图；
其中，Sa1、Sb1、Sc1、Sa2、Sb2、Sc2分别为开关函数S的6个分量，Sabc,a1、Sabc,b1、Sabc,c1、Sabc,a2、Sabc,b2、Sabc,c2分别为开关组合Sabc的分量。本发明中，开关函数S必须经过虚拟矢量调制环节得到开关组合Sabc才能应用到系统。
图5本方法所用电压矢量集分布图。
表1是双变流器供电时不同开关组合与空间电压矢量us及其共模电压对应表；
表2为虚拟矢量的开关函数表；
表3为本方法所用的电压矢量集开关函数表。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
开绕组永磁电机驱动系统采用双变流器供电，整个控制系统由速度外环和电流内环构成。单个变流器三个桥臂共产生8种开关组合共对应7种电压矢量(1个零矢量，6个有效矢量)，双变流器供电共产生64种开关组合共对应19个电压矢量(1个零矢量，18个有效矢量)，每种开关组合含有不同的共模电压。系统的速度外环由PI控制器组成，它可以根据实际转速和给定转速生成q轴电流参考值iq,ref，d轴电流参考值id,ref则由外部给定且id,ref＝0。
电流内环采用有限状态预测控制器，传统的控制器评价函数中含有电流误差项和共模电压抑制项，每种开关组合都对应一个评价函数值，则使评价函数值最小的开关组合即为最优组合，将此开关组合作用到系统中就可实现在电流控制的同时抑制共模电压。但这种在评价函数中添加共模电压约束项抑制共模电压的方法约束性不强，并不能彻底消除共模电压。
实施例1
一种基于虚拟矢量的开绕组永磁电机电流预测控制方法，参见图1，该方法包括以下步骤：
101：为了消除共模电压，舍去含有共模电压的开关组合和部分零矢量开关组合，获取不含共模电压的电压矢量；
通过上述步骤共筛选出不含共模电压的20种开关组合，该20种开关组合分为2组，每组对应6个有效矢量和1个零矢量，该6个有效矢量和1个零矢量作为7个固有矢量。
102：利用筛选的不含共模电压的电压矢量，合成幅值随负载变化、方向与有效矢量相同的6个虚拟矢量；通过7个固有矢量和6个虚拟矢量组成开关函数；开关函数需经过虚拟矢量调制环节得到开关组合；
在虚拟矢量的合成过程，负载系数t控制单个采样周期内零矢量和有效矢量的作用时间，进而控制虚拟矢量的幅值。
其中，开关函数需经过虚拟矢量调制环节得到开关组合Sabc的步骤具体为：根据虚拟矢量对应的开关函数值，采用等腰三角形实现对虚拟矢量的调制。
通过该步骤102的处理不但提高了电流控制精度，而且稳定了系统开关频率。
103：获取仅由电流误差项组成的开关函数的评价函数，根据13种评价函数值选取最优开关函数；
其中，电流误差项具体为：电流参考值与电流预测值之间的差值。
通过步骤103的处理，会产生共13种评价函数值，选取使评价函数值最小的开关函数作为最优开关函数S(k+1)。
104：将最优开关函数S(k+1)经过外部虚拟矢量调制后生成开关信号作用到系统即可实现对电流控制的同时、稳定开关频率。
综上所述，本发明实施例通过上述步骤101-步骤104可以在实现电流控制和共模电压抑制的同时、稳定开关频率，简化了系统结构，增强了系统可靠性。
实施例2
下面结合具体的计算公式、表1-表3、图2-图5对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：
表1双变流器供电不同开关组合下合成的空间电压矢量us及其共模电压幅值
从表1和图3可以看出，双变流器供电时电压矢量对应多种开关组合，开关组合存在冗余，为了消除共模电压，舍去含有共模电压的开关组合和部分零矢量开关组合，将剩下的无共模电压的固有矢量分为2组：
第一组：1个零矢量[88′(1 1 1 1 1 1)]；6个非零矢量[24′(1 1 0 0 1 1)],[26′(1 1 0 1 0 1)],[46′(0 1 1 1 0 1)],[42′(0 1 1 1 1 0)],[62′(1 0 1 1 1 0)],[64′(1 0 1 0 1 1)]。
第二组：1个零矢量[77′(0 0 0 0 0 0)]；6个非零矢量[15′(1 0 0 0 0 1)],[35′(0 1 0 0 0 1)],[31′(0 1 0 1 0 0)],[51′(0 0 1 1 0 0)],[53′(0 0 1 0 1 0)],[13′(1 0 0 0 1 0)]。
在每组电压矢量中，零矢量和该组中任意非零矢量状态切换时的开关次数都为固定值。因此应用该矢量组合成虚拟矢量时会产生稳定的开关次数。在实际控制中，任选一组为基矢量即可。本方法采用第一组为基电压矢量(具体实现时，还可以采用第二组为基电压矢量，本发明实施例对此不做限制)。以下以第一组矢量为基电压矢量合成虚拟矢量OH′为例说明合成原理。
虚拟矢量的幅值由电机负载状态确定。应用无差拍控制原理，根据电机的动态方程计算出负载状态对应的电压矢量幅值，即虚拟矢量的幅值。
开绕组电机的电压方程为：
式中，id和iq为dq轴电流，Rs为定子电枢电阻，Ld和Lq分别是dq轴电感，ud和uq为定子绕组dq轴电压，ψd和ψq是dq轴磁链，ωr为转子电角速度。
磁链方程为：
式中，ψr为转子磁链。
转矩方程为：
式中，np是极对数。
在本系统中，d轴电流id参考值id,ref为0，q轴电流iq参考值iq,ref由外部速度环给定。当系统处于稳态运行状态时，可以认为内环电流环有效跟踪电流参考值，此时有
式中，Te,ref为给定电磁转矩。由式(4)代入(2)式并求导得：
将上式(2)、(3)、(4)和(5)代入电压方程(1)中化简得到稳态时的参考电压值uref：
式中，ωr,ref是外部给定转速。
在图3所示的双变流器供电时产生的空间电压矢量分布图中，电压矢量OH的幅值uOH与直流侧电压Vdc有关，由下式计算
定义负载系数t，
则虚拟矢量的幅值用t表示为
uref＝(1-t)uOH (9)
在虚拟矢量的合成过程，负载系数t控制单个采样周期内零矢量和有效矢量的作用时间，进而控制虚拟矢量的幅值。
对于虚拟矢量OH′的调制，使用的基矢量为[88′(1 1 1 1 1 1)]和[24′(1 1 0 01 1)]，此时虚拟矢量OH′的开关函数值是[OH′(1 1t t 1 1)]，本方法采用等腰三角形调制，调制过程如图5所示。开关函数S的6个分量(Sa1、Sb1、Sb2、Sc2、Sc1、Sa2)通过调制后分别对应开关组合Sabc的6个分量(分别为Sabc,a1、Sabc,b1、Sabc,c1、Sabc,a2、Sabc,b2、Sabc,c2)。当开关函数分量大于等于三角载波时，开关组合分量输出为1。
如图5所示，通过等腰三角形调制，图中Sa1、Sb1、Sb2、Sc2在整个Ts内均大于等于三角载波，此时Sabc,a1、Sabc,b1、Sabc,b2、Sabc,c2在整个Ts内均输出为1。Sb2、Sc2值为t(0≤t≤1)，此时在tTs到(1-t)Ts时间段内小于三角载波，此时Sabc,c1、Sabc,a2在该时间段内输出为0。这样在Ts时间内一次作用矢量(1 1 1 1 1 1)、(1 1 0 0 1 1)、(1 1 1 1 1 1)，即可实现对虚拟矢量OH′的合成。
同理，可以写出其他虚拟矢量的开关函数值S，如表2所示。
表2各虚拟矢量的开关函数值S
| 虚拟矢量 | 开关函数值S | 基矢量 |
| OH′ | (1 1 t t 1 1) | (1 1 1 1 1 1)(1 1 0 0 1 1) |
| OJ′ | (1 1 t 1 t 1) | (1 1 1 1 1 1)(1 1 0 1 0 1) |
| OL′ | (t 1 1 1t 1) | (1 1 1 1 1 1)(0 1 1 1 0 1) |
| ON′ | (t 1 1 1 1t) | (1 1 1 1 1 1)(0 1 1 1 1 0) |
| OQ′ | (1 t 1 1 1t) | (1 1 1 1 1 1)(1 0 1 1 1 0) |
| OS′ | (1 t 1 t 1 1) | (1 1 1 1 1 1)(1 0 1 0 1 1) |
这样系统固有的基矢量和虚拟矢量共同组成了系统的矢量集，精简后的矢量集共包含13个量，如表3所示，电压矢量集的分布如图5所示。
表3本方法所用的电压矢量集开关函数表
具体实现时，系统中常存在计算延迟，为了克服延迟带来的影响，本方法采用如下的方法来消除延迟影响，电流控制器工作过程如下：
变流器开关函数S与输出电压矢量us的关系为：
式中，Sa1、Sb1、Sc1、Sa2、Sb2、Sc2表示变流器开关函数S的6个分量，Vdc为直流电压。
由于系统存在延时，k时刻作用到系统的电压矢量us(k)可以由Sk-1(k)根据式(11)得到，即：
us(k)＝f[Sk-1(k),Vdc(k)] (11)
式中，Vdc(k)为k时刻直流侧电压测量值，Sk-1(k)为k-1时刻计算得到的开关函数值。
设uds(k)、uqs(k)分别表示us(k)的dq轴分量，则k+1时刻电流id,js(k+1)和iq,js(k+1)为：
式中，id,cl(k)和iq,cl(k)分别表示k时刻id和iq的测量值，id,js(k+1)和iq,js(k+1)分别表示k+1时刻计算值，ωr(k)是k时刻转子电角速度，Ts为采样周期。
在本方法中，系统开关函数共13组，每种开关函数与电压矢量对应关系为：
us,m(k+1)＝f[Sk,m(k+1),Vdc(k)] (13)
式中，Sk,m(k+1)为k+1时刻待评估的开关组合，us,m(k+1)是由Sk,m(k+1)得到的电压矢量，m为1到13的常数，代表了13组开关函数值。
设uds,m(k+1)和uqs,m(k+1)分别表示us,m(k+1)的dq轴分量。则k+2时刻电流预测值id,pre,m(k+2)和iq,pre,m(k+2)为：
为保证系统较小的电流误差，系统的评价函数设定为：
gm＝[id,ref(k)-id,pre,m(k+2)]2+[iq,ref(k)-iq,pre,m(k+2)]2 (15)
式中，gm是由开关函数Sk,m(k+1)得到的评价函数值；id,ref(k)和iq,ref(k)为电流参考值；id,pre,m(k+2)和iq,pre,m(k+2)为k+2时刻电流预测值。
这样会产生共13种评价函数值，选取使评价函数值最小的开关函数作为最优开关函数S(k+1)，将S(k+1)经过外部虚拟矢量调制后生成开关信号作用到变流器即可实现对电流控制的同时稳定开关频率。
其中，将最优开关函数S(k+1)经上述的虚拟矢量调制即可生成开关信号，本发明实施例对此不再赘述。
综上所述，本发明实例通过上述操作可以在实现电流控制和共模电压抑制的同时、稳定开关频率，简化了系统结构，增强了系统可靠性。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于虚拟矢量的开绕组永磁电机电流预测控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：
为了消除共模电压，舍去含有共模电压的开关组合和部分零矢量开关组合，获取不含共模电压的电压矢量；
利用筛选的不含共模电压的电压矢量，合成幅值随负载变化、方向与有效矢量相同的6个虚拟矢量；
通过7个固有矢量和6个虚拟矢量组成开关函数；所述开关函数需经过虚拟矢量调制环节得到开关组合；
获取仅由电流误差项组成的开关函数的评价函数，根据13种评价函数值选取最优开关函数；
将最优开关函数经过外部虚拟矢量调制后生成开关信号作用到系统，即可实现对电流控制的同时、稳定开关频率。
2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟矢量的开绕组永磁电机电流预测控制方法，其特征在于，
所述不含共模电压的电压矢量分为2组，每组对应6个有效矢量和1个零矢量，该6个有效矢量和1个零矢量作为7个固有矢量。
3.根据权利要求2所述的一种基于虚拟矢量的开绕组永磁电机电流预测控制方法，其特征在于，所述合成幅值随负载变化、方向与有效矢量相同的6个虚拟矢量的步骤具体为：
负载系数t控制单个采样周期内零矢量和有效矢量的作用时间，进而控制虚拟矢量的幅值。
4.根据权利要求3所述的一种基于虚拟矢量的开绕组永磁电机电流预测控制方法，其特征在于，所述虚拟矢量用负载系数t表示为：
uref＝(1-t)uOH
其中，uref为稳态时的参考电压值，uOH为电压矢量OH的幅值。
5.根据权利要求1所述的一种基于虚拟矢量的开绕组永磁电机电流预测控制方法，其特征在于，所述开关函数需经过虚拟矢量调制环节得到开关组合的步骤具体为：
根据虚拟矢量对应的开关函数值，采用等腰三角形实现对虚拟矢量的调制。
6.根据权利要求5所述的一种基于虚拟矢量的开绕组永磁电机电流预测控制方法，其特征在于，所述采用等腰三角形实现对虚拟矢量的调制的步骤具体为：
开关函数的6个分量通过调制后，分别对应开关组合的6个分量；
当某一开关函数分量值大于等于三角载波时，对应的开关组合分量输出为1；
当某一开关函数分量值小于三角载波时，对应的开关组合分量输出为0。
7.根据权利要求1所述的一种基于虚拟矢量的开绕组永磁电机电流预测控制方法，其特征在于，所述开关函数的评价函数具体为：
gm＝[id,ref(k)-id,pre,m(k+2)]2+[iq,ref(k)-iq,pre,m(k+2)]2
式中，gm是由开关函数Sk,m(k+1)得到的评价函数值；id,ref(k)和iq,ref(k)为电流参考值，id,pre,m(k+2)和iq,pre,m(k+2)为k+2时刻电流预测值。
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