CN107134966A - 一种基于有限状态预测的开绕组永磁电机电流控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于有限状态预测的开绕组永磁电机电流控制方法，所述控制方法包括以下步骤：采用双闭环控制，速度外环控制器由一自由度的状态空间控制器组成，生成电流参考值；电流内环控制器采用有限状态模型预测控制器，供电时共产生64种开关组合；所述有限状态模型预测控制器根据电机的离散数学模型，预测出每种开关组合作用下对应下一时刻的电流预测值；获取仅由电流误差项和共模电压抑制项组成的开关函数的评价函数；选择使评价函数值最小的开关组合作为最优开关组合作用系统，实现对电流控制的同时兼顾共模电压的抑制。本发明克服传统开绕组永磁电机矢量控制方法结构复杂，需要额外空间电压矢量调制环节等不足。

Description

一种基于有限状态预测的开绕组永磁电机电流控制方法

技术领域

本发明涉及电机系统及控制领域，尤其涉及一种基于有限状态预测的开绕组永磁电机电流控制方法。

背景技术

开绕组电机是将传统三相交流电机的中性点打开，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任何改变，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。开绕组电机两个端口可以分别连接变流器，通过两端口的变流器协调控制，可以使各变流器承担一半的功率，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。

根据绕组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，该方法不但需要额外的电压矢量调制环节，结构较为复杂；并且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。因此，研究结构更简单、可靠性更强的控制方法对于提高开绕组永磁电机驱动系统的性能具有重要意义。

发明内容

本发明提供了一种基于有限状态预测的开绕组永磁电机电流控制方法，本发明克服传统开绕组永磁电机矢量控制方法结构复杂，需要额外空间电压矢量调制环节等不足，详见下文描述：

一种基于有限状态预测的开绕组永磁电机电流控制方法，所述控制方法包括以下步骤：

采用双闭环控制，速度外环控制器由一自由度的状态空间控制器组成，生成电流参考值；电流内环控制器采用有限状态模型预测控制器，供电时共产生64种开关组合；

所述有限状态模型预测控制器根据电机的离散数学模型，预测出每种开关组合作用下对应下一时刻的电流预测值；

获取仅由电流误差项和共模电压抑制项组成的开关函数的评价函数；

选择使评价函数值最小的开关组合作为最优开关组合作用系统，实现对电流控制的同时兼顾共模电压的抑制。

其中，所述电流误差项由电流预测值、与电流参考值组成。

其中，所述开关函数的评价函数具体为：

g_m＝[i_d,ref(k)-i_d,pre,m(k+2)]²+[i_q,ref(k)-i_q,pre,m(k+2)]²

+λ_com[S_a1,m(k+1)+S_b1,m(k+1)+S_c1,m(k+1)-S_a2,m(k+1)-S_b2,m(k+1)-S_c2,m(k+1)]²

式中，g_m是由开关组合S_k,m(k+1)得到的评价函数值；i_d,ref(k)和i_q,ref(k)为电流参考值，i_d,pre,m(k+2)和i_q,pre,m(k+2)为k+2时刻电流预测值；S_a1,m(k+1)、S_b1,m(k+1)、S_c1,m(k+1)、S_a2,m(k+1)、S_b2,m(k+1)、S_c2,m(k+1)为S_k,m(k+1)的6个分量，λ_com为共模电压抑制部分权重因子。

本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明采用有限状态实现对电流和转矩的控制，省去了传统矢量控制中空间电压矢量调制环节，不需增加额外的结构，在实现开绕组永磁电机电流控制的同时实现对共模电压的抑制，简化了系统结构，增强了系统的可靠性。

附图说明

图1为基于有限状态预测的开绕组永磁电机电流控制结构图；

图2为每个变流器产生电压矢量及双电压矢量合成原理图；

其中，(a)和(b)为两个变流器分别产生的电压矢量分布图，(c)为双变流器产生电压矢量合成原理图。

其中，u_s为双变流器合成的电压矢量，u_s1和u_s2为每个变流器产生的电压矢量。双变流器系统产生的电压矢量u_s可以看作两个变流器单独作用所得电压矢量的叠加，即u_s＝u_s1－u_s2。如图(c)中所示，当变流器1输出电压空间矢量为1，开关管输出信号S_a1、S_b1、S_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S_a2、S_b2、S_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为电流控制器的工作原理图。

表1为双变流器供电时不同开关组合与空间电压矢量u_s及其共模电压对应表。

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。

实施例1

一种基于有限状态预测的开绕组永磁电机电流控制方法，本方法将有限状态预测控制方法应用到开绕组永磁电机驱动系统的控制中，在实现对开绕组永磁电机驱动系统的电流控制的同时、兼顾共模电压的抑制，参见图1，该控制方法包括以下步骤：

101：采用双闭环控制，速度外环控制器由一自由度的状态空间控制器组成，通过该状态空间控制器生成电流参考值，电流内环控制器是本方法的核心，该电流内环控制器采用有限状态模型预测控制器；

具体实现时，由速度外环控制器和电流内环控制器共同作用，供电时共产生64种开关组合。

102：采集开绕组永磁电机驱动系统当前的状态，有限状态模型预测控制器根据电机的离散数学模型预测出每种开关组合作用下的对应下一时刻的电流预测值；

103：获取仅由电流误差项和共模电压抑制项组成的开关函数的评价函数，选择使评价函数值最小的开关组合作为最优开关组合作用系统，就可以在实现对电流控制的同时兼顾共模电压的抑制。

综上所述，本发明实例通过上述操作可以在实现开绕组永磁电机电流控制的同时，实现对共模电压的抑制，简化了系统结构，增强了系统的可靠性。

实施例2

下面结合具体的计算公式、表1、图2-图4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变流器供电时不同开关组合下合成的空间电压矢量u_s及其对应的共模电压幅值

图1所示为开绕组永磁电机模型预测控制的结构框图。整个开绕组永磁电机驱动系统由转速环和电流环构成，转速环采用一自由度的空间状态控制器，由转速误差信号生成参考电流信号i_q,ref，i_d,ref则由外部给定。内环电流环控制器采用有限状态预测控制器，通过系统评价函数选出最优开关组合作用于系统，在实现对电流和转矩的同时兼顾了共模电压抑制，并且由于控制器直接输出最优开关组合，省去了PWM调制环节，从而简化了系统的结构，增强了系统的可靠性。

内环电流控制器的控制原理如下：

本发明实施例中将旋转坐标系d轴定义在转子的N极上，开绕组永磁电机驱动系统的电流方程为：

式中，i_d和i_q分别为dq轴电流，L_d和L_q分别dq轴电感，u_d和u_q分别为绕组dq轴电压，Ψ_r为转子磁链，ω_r为转子电角速度，R_s为定子电枢电阻。

下式为前向欧拉公式：

式中，T_s为采样周期。

将式(2)带入式(1)中，得到k+1时刻预测电流的表达式：

式中，i_d(k+1)、i_q(k+1)分别为i_d、i_q在k+1时刻预测值；i_d(k)、i_q(k)分别为k时刻dq轴电流采样值；u_d(k)、u_q(k)分别为k时刻电压的dq分量。

上述为理想状态下电流预测控制器的工作过程。但在实际系统中，由于控制器计算存在延迟，得到的k时刻最优开关组合只能在k+1时刻作用到系统，因此为了获得更好的控制效果，需要对计算延迟补偿。

如图1所示，本方法应用k时刻作用到系统的最优开关组合S_k-1(k)(此最优开关组合由k-1时刻计算产生)和系统k时刻电流测量值，计算得到k+1时刻电流值i_d(k+1)和i_q(k+1)，在此基础上预测k+2时刻电流值。具体计算过程如下：

变流器开关组合S与输出电压矢量u_s的关系为：

式中，S_a1、S_b1、S_c1、S_a2、S_b2、S_c2表示变流器开关组合S的6个分量，V_dc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u_s(k)可以由S_k-1(k)根据式(5)得到，即：

u_s(k)＝f[S_k-1(k),V_dc(k)] (5)

式中，V_dc(k)为k时刻直流侧电压测量值，S_k-1(k)为k-1时刻计算得到的开关函数值。

设u_ds(k)、u_qs(k)分别表示u_s(k)的dq轴分量，则k+1时刻电流i_d,js(k+1)和i_q,js(k+1)为：

式中，i_d,cl(k)和i_q,cl(k)分别表示k时刻i_d和i_q的测量值；i_d,js(k+1)和i_q,js(k+1)分别表示k+1时刻计算值；ω_r(k)是k时刻转子电角速度。

双变流器供电时共产生64种开关组合，每种开关组合与电压矢量对应关系为：

u_s,m(k+1)＝f[S_k,m(k+1),V_dc(k)] (7)

式中，S_k,m(k+1)为k+1时刻待评估的开关组合，u_s,m(k+1)是由S_k,m(k+1)得到的电压矢量，m为1到64的常数，代表了64种开关组合。

设u_ds,m(k+1)和u_qs,m(k+1)分别表示u_s,m(k+1)的dq轴分量。则k+2时刻电流预测值i_d,pre,m(k+2)和i_q,pre,m(k+2)为：

为保证系统较小电流误差的同时减小共模电压，系统的评价函数设定为：

式中，g_m是由开关组合S_k,m(k+1)得到的评价函数值；i_d,ref(k)和i_q,ref(k)为电流参考值，i_d,pre,m(k+2)和i_q,pre,m(k+2)为k+2时刻电流预测值；S_a1,m(k+1)、S_b1,m(k+1)、S_c1,m(k+1)、S_a2,m(k+1)、S_b2,m(k+1)、S_c2,m(k+1)为S_k,m(k+1)的6个分量，λ_com为共模电压抑制部分权重因子。

这样会产生共64种评价函数值，选取使评价函数值最小的开关组合作为最优开关组合S(k+1)，将S(k+1)作用到系统即可在实现电流控制的同时兼顾共模电压的抑制。

其中，将S(k+1)作用到系统的操作步骤为本领域技术人员所公知，本发明实施例对此不做赘述。

综上所述，本发明实例通过上述操作可以在实现开绕组永磁电机电流控制的同时，实现对共模电压的抑制，简化了系统结构，增强了系统的可靠性。

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 (3)

1.一种基于有限状态预测的开绕组永磁电机电流控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：

采用双闭环控制，速度外环控制器由一自由度的状态空间控制器组成，生成电流参考值；电流内环控制器采用有限状态模型预测控制器，供电时共产生64种开关组合；

所述有限状态模型预测控制器根据电机的离散数学模型，预测出每种开关组合作用下对应下一时刻的电流预测值；

获取仅由电流误差项和共模电压抑制项组成的开关函数的评价函数；

选择使评价函数值最小的开关组合作为最优开关组合作用系统，实现对电流控制的同时兼顾共模电压的抑制。

2.根据权利要求1所述的一种基于有限状态预测的开绕组永磁电机电流控制方法，其特征在于，所述电流误差项由电流预测值、与电流参考值组成。

3.根据权利要求1所述的一种基于有限状态预测的开绕组永磁电机电流控制方法，其特征在于，所述开关函数的评价函数具体为：

g_m＝[i_d,ref(k)-i_d,pre,m(k+2)]²+[i_q,ref(k)-i_q,pre,m(k+2)]²

+λ_com[S_a1,m(k+1)+S_b1,m(k+1)+S_c1,m(k+1)-S_a2,m(k+1)-S_b2,m(k+1)-S_c2,m(k+1)]²

式中，g_m是由开关组合S_k,m(k+1)得到的评价函数值；i_d,ref(k)和i_q,ref(k)为电流参考值，i_d,pre,m(k+2)和i_q,pre,m(k+2)为k+2时刻电流预测值；S_a1,m(k+1)、S_b1,m(k+1)、S_c1,m(k+1)、S_a2,m(k+1)、S_b2,m(k+1)、S_c2,m(k+1)为S_k,m(k+1)的6个分量，λ_com为共模电压抑制部分权重因子。