CN109617467A - 永磁同步电动机低复杂度预测控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电动机低复杂度预测控制方法，其中控制电路包括三相全桥逆变电路、检测电路、驱动电路以及控制电路，通过计算位置反馈得出当前时刻电动机的转速，与位置反馈值、电流信号一起传输给控制电路；通过控制电路内部的通用永磁同步电动机离散数学模型计算出下一时刻的电流预测值，依据当前采样电流、参考电流的位置关系设计开关状态判据，满足判决的开关状态计算目标函数，得到使目标函数最小的开关状态输出，控制逆变电路上各桥臂的开关。本方法通过参考电流和电流矢量的关系，设计简单判据，来对电压矢量进行预先判断，有效的减小了每次所需计算开关状态的个数，很大程度上降低了算法的计算量以及控制的复杂度。

Description

永磁同步电动机低复杂度预测控制方法

技术领域

本发明涉及永磁同步交流电动机驱动系统变频调速控制技术领域，具体涉及一种永磁同步电动机低复杂度预测控制优化方法。

背景技术

永磁同步电机作为永磁电机的一种，通过在转子中加入永磁体，使得控制系统无励磁环节；在对电机尺寸和重量有要求的场合，如电动汽车、航空航天等领域高性能伺服驱动系统中有广泛应用。由于其内部磁场在内部空间的分布不垂直，具有耦合关系，经常将其描述为一非线性、多变量、强耦合的系统。针对这样的系统，目前较为常见的控制方案是基于线性控制理论的矢量控制和非线性滞环控制理论的直接转矩控制。随着控制系统的约束要求越来越多，基于经典控制理论的控制方案需要不断改进和革新。

随着微处理器和半导体功率开关器件的迅速发展，数字控制平台的计算能力越来越强。采用预测控制理论的新型控制方案，为实现多种约束条件下对电机的高效控制的实现提供了可能。该理论通过利用被控对象数学模型，预测系统未来输出，然后根据预先设定的目标函数(可包含多个约束)，选出下一时刻令目标函数最小的控制输出。针对两电平或多电平逆变器驱动的永磁同步电动机，设计含有相关约束条件的目标函数，根据当前时刻的状态值，同时利用永磁电动机数学模型，计算出令目标函数最小的逆变器开关状态，直接控制电动机运行。

根据逆变器开关状态集合的大小不同，在进行目标函数计算时，需要逐个计算不同开关状态下的目标函数值。因此，随着开关状态数量的增加，求最佳开关状态所需计算量也越大。对于多电平逆变器驱动的永磁同步电机来说，其计算量非常大，在微处理器中实现比较困难。

对于预测控制算法在开关状态集合较大时的计算量大的问题，国内外在这方面的研究已经取得了一定成果。但如何通过更加简单有效的方法来减小备选开关状态，依然需要进一步研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种永磁同步电动机低复杂度预测控制方法，根据电流矢量与电压矢量位置关系，以减小开关状态结合，降低控制算法的复杂度，从而使方法具有良好的适应性和可扩展性。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种永磁同步电动机低复杂度预测控制方法，所述的电动机采用三相全桥逆变电路作为驱动电路，所述的方法包括以下步骤：

步骤1，设定速度参考值，根据给定的速度参考值与电动机的速度反馈值的差值进行PI调节，得到参考电流；

步骤2，采样得到电动机定子三相绕组的电流数据，将该采样数据变换到dq坐标系下的坐标；

步骤3，根据转子位置角度，将三相全桥逆变电路在不同开关状态下对应的电压矢量转换到dq坐标系下；

步骤4，以步骤2得到的转换后的坐标为终点，dq坐标轴原点为起点，可得当前采样电流向量；

同样以坐标轴原点为起点，以PI调节计算得到的参考电流为终点，可得参考电流向量；

根据采样电流向量、参考电流向量的位置关系，以及电压矢量在dq坐标系下的数值，筛选在当前采样电流向量、参考电流向量之间的电压矢量；

步骤5，根据当前采样电流向量及步骤4中筛选出的电压矢量，采用离散化的永磁同步电动机通用数学模型，预测下一个时刻的定子电流预测向量，建立参考电流向量和电流预测向量之差二次型为目标函数，计算不同电压矢量对应的数值，选取令该值最小的电压矢量；

步骤6，采用目标函数最小值对应的电压矢量对电动机进行控制，得到作用于三相全桥逆变电路三个桥臂最优开关状态。

进一步地，步骤1所述的设定速度参考值，根据给定的速度参考值与电动机的速度反馈值的差值进行PI调节，得到参考电流，包括：

设定PI控制中的调节参数K_p、K_i；设定速度参考值ω^*，计算ω^*与当前时刻电动机采样转速之差e(t)＝ω^*-ω，将计算结果给PI控制器，得到当前时刻的参考电流

进一步地，步骤2所述的采样得到电动机定子三相绕组的电流数据，将该采样数据变换到dq坐标系下的坐标，包括：

采样得到三相全桥逆变电路中的电动机三相绕组的电流i_a、i_b、i_c和编码器输出的位置值θ，计算当前时刻定子电流在dq坐标系下的数值，计算方法如下：

进一步地，步骤5所述的永磁同步电动机通用数学模型，表达式为：

其中i_d、i_q为永磁同步电动机三相绕组电流在dq坐标下分量；V_d、V_q为电压矢量V在dq坐标下的分量；R_s、L_s分别为电动机定子绕组电阻和电感，ψ_f为电动机转子磁链；ω_e为永磁同步电动机的转子电角速度。

进一步地，所述的离散化的永磁同步电动机通用数学模型，表示为：

其中i_d(k+1)、i_q(k+1)为下一个时刻的定子电流预测向量值，i_d(k)、i_q(k)为当前时刻的电流采样值；T_s为采样时间。

进一步地，步骤5所述的目标函数，表达式为：

其中，i_d ^*、i_q ^*为PI调节计算得到的参考电流。

一种永磁同步电动机低复杂度预测控制电路，包括三相永磁同步电动机、供电电源、三相全桥逆变电路、检测电路以及控制电路，其中：

所述的控制电路包括PI控制器，控制电路的输入端接收电动机的电流反馈信号和位置反馈信号，控制电路的输出端连接三相全桥逆变电路的三相电压信号的输入端；

所述的三相全桥逆变电路的输出端连接电动机的三相电压的输入端；

所述的供电电源连接在三相全桥逆变电路上，所述的检测电路包括设置在电动机上的电流传感器以及编码器；所述的电路结构还包括与控制电路连接的人机接口电路。

本发明与现有技术相比具有以下技术特点：

1.与基于αβ坐标系下预测控制方法不同，本发明方法利用预测控制理论，针对永磁同步电动机的特性及控制方面新的要求，通过在目标函数中增加相应的约束条件，在给定的转速参考值的基础上，通过采样的电流和位置信号，结合电机的内部离散数学模型对最合适控制开关状态进行选择，省去了αβ坐标系下的坐标转换。

2.本方法通过参考电流和电流矢量的关系，设计简单的判据，来对电压矢量进行预先判断，有效的减小了每次所需计算开关状态的个数，从而很大程度上降低了算法的计算量，降低了控制的复杂度。

附图说明

图1为本发明控制电路的电路结构示意图。

图中：①供电电源，②三相全桥逆变电路，③电流传感器，④三相永磁同步电动机，⑤编码器，⑥控制电路，⑦人机接口电路。

具体实施方式

本发明公开了一种永磁同步电动机低复杂度预测控制方法，该控制方法所采用的电路结构如图1所示，包括三相永磁同步电动机、供电电源、三相全桥逆变电路(驱动电路)、检测电路以及控制电路，其中：

所述的控制电路包括PI控制器，控制电路的输入端接收电动机的电流反馈信号和位置反馈信号，控制电路的输出端连接三相全桥逆变电路(驱动电路)的三相电压信号的输入端；

所述的三相全桥逆变电路的输出端连接电动机的三相电压的输入端；

所述的供电电源连接在三相全桥逆变电路上，所述的检测电路包括设置在电动机上的电流传感器以及编码器；所述的电路结构还包括与控制电路连接的人机接口电路。

所述的控制电路，利用采样的位置反馈值、电流信号，经过计算位置反馈值的微分，得出当前时刻电动机的转速，通过所述转速值并利用通用永磁同步电动机离散数学模型计算出下一时刻的电流预测值；依据当前采样电流、参考电流的位置关系设计开关状态判据，满足判决的开关状态计算其对应的目标函数，最后得到使目标函数最小的开关状态输出，控制逆变器上各桥臂的开关。

本发明的控制方法具体包括以下步骤：

步骤1，在人机接口电路中设定速度参考值ω^*，根据给定的速度参考值ω^*与电机的编码器输出的速度反馈值ω的差值，通过控制电路的PI控制器进行PI调节，得到参考电流给定励磁电流分量

本实施例中，设定PI控制中的调节参数K_p＝1.6,K_i＝0.2；设定速度参考值ω^*＝600r/min，计算与当前时刻电动机采样转速之差e(t)＝ω^*-ω，将计算结果给PI控制器，得到当前时刻的参考电流其中K_p和K_i分别为PI控制器的调节参数。

步骤2，通过电流传感器采样得到电动机定子三相绕组的电流数据i_a、i_b、i_c，对该采样数据从三相abc坐标系变换到dq坐标系下，变换后坐标为：i_d、i_q；

本实施例中，通过电流传感器采样三相全桥逆变电路中的电动机三相绕组的电流i_a、i_b、i_c和编码器输出电动机转子的位置角度θ，计算当前时刻定子电流在dq坐标系下的数值和不同开关状态下对应电压矢量，计算方法如下：

步骤3，根据编码器采样得到电动机转子位置角度θ，将三相全桥在不同开关状态下对应的电压矢量转换到dq坐标系下；

本实施例中，根据主电路供电电源电压V_dc，将三相全桥逆变电路不同开关状态(S_a、S_b、S_c)对应的8个电压矢量V，转换到dq坐标系下，具体转换方法如下：

步骤4，根据步骤2得到电机三相绕组定子电流在dq坐标系下对应坐标：i_d、i_q，以该坐标为终点，dq坐标轴原点为起点，可得当前采样电流向量i_meas＝[i_d i_q]；

同样以坐标轴原点为起点，以PI调节计算得到的参考电流i_d ^*、i_q ^*为终点，可得参考电流向量i_ref＝[i_d ^* i_q ^*]；

根据采样电流向量、参考电流向量的位置关系，以及8个电压矢量在dq坐标系下数值V＝[V_d V_q]，筛选在两个电流向量i_meas、i_ref之间的电压矢量，排除掉其他明显不合适的电压矢量；

步骤5，根据当前采样电流向量i_meas及步骤4中筛选出的电压矢量V，采用离散化的永磁同步电动机通用数学模型，预测下一个时刻(k+1时刻)的定子电流预测向量i_pre＝[i_d(k+1) i_q(k+1)]，建立参考电流向量i_ref和电流预测向量i_pre之差二次型为目标函数，计算不同电压矢量对应的数值，选取令该值最小的电压矢量。

其中，所述的目标函数也可以建立包括电流、逆变电路开关频率和转矩及磁链之间的误差的二次型。

本实施例中，采用永磁同步电动机通用数学模型作为控制器内部数学模型，其表达式如下：

其中i_d、i_q为永磁同步电动机三相绕组电流在dq坐标下分量；V_d、V_q为所述的电压矢量V在dq坐标下的分量；R_s、L_s分别为永磁同步电动机定子绕组电阻和电感，ψ_f为永磁同步电动机转子磁链；ω_e为永磁同步电动机的转子电角速度。

经过一阶欧拉法，选取采样时间为T_s＝100μs：

其中，i(k+1)、i(k)为k+1时刻、k时刻采样的电流值。

对上述连续域数学模型进行离散化，得到控制器内部离散化的永磁同步电动机数学模型：

其中i_d(k+1)、i_q(k+1)为下一个时刻(k+1时刻)的定子电流预测向量值，i_d(k)、i_q(k)为当前时刻的电流采样值；根据电流采样值i_meas和筛选后的电压V，通过离散化的永磁同步电动机数学模型算出电流在下一时刻的预测值i_ref；本实例实施中，采用电流的二次型为目标函数，通过目标函数J：

计算不同电压矢量对应的数值，选取令该值最小的电压矢量。

步骤6，采用目标函数最小值对应的电压矢量对电动机进行控制，得到作用于三相全桥逆变电路的三个桥臂最优开关状态(S_a、S_b、S_c)。

本发明方法的实施对象三相永磁同步电动机，可应用于电力牵引、电动汽车、螺旋桨等技术领域中。

Claims (7)

1.一种永磁同步电动机低复杂度预测控制方法，所述的电动机采用三相全桥逆变电路作为驱动电路，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

步骤1，设定速度参考值，根据给定的速度参考值与电动机的速度反馈值的差值进行PI调节，得到参考电流；

步骤2，采样得到电动机定子三相绕组的电流数据，将该采样数据变换到dq坐标系下的坐标；

步骤3，根据电动机转子位置角度，将三相全桥逆变电路在不同开关状态下对应的电压矢量转换到dq坐标系下；

步骤4，以步骤2得到的转换后的坐标为终点，dq坐标轴原点为起点，可得当前采样电流向量；

同样以坐标轴原点为起点，以PI调节计算得到的参考电流为终点，可得参考电流向量；

根据采样电流向量、参考电流向量的位置关系，以及电压矢量在dq坐标系下的数值，筛选在当前采样电流向量、参考电流向量之间的电压矢量；

步骤5，根据当前采样电流向量及步骤4中筛选出的电压矢量，采用离散化的永磁同步电动机通用数学模型，预测下一个时刻的定子电流预测向量，建立参考电流向量和电流预测向量之差二次型为目标函数，计算不同电压矢量对应的数值，选取令该值最小的电压矢量；

步骤6，采用目标函数最小值对应的电压矢量对电动机进行控制，得到作用于三相全桥逆变电路三个桥臂最优开关状态。

2.如权利要求1所述的永磁同步电动机低复杂度预测控制方法，其特征在于，步骤1所述的设定速度参考值，根据给定的速度参考值与电动机的速度反馈值的差值进行PI调节，得到参考电流，包括：

设定PI控制中的调节参数K_p、K_i；设定速度参考值ω^*，计算ω^*与当前时刻电动机采样转速之差e(t)＝ω^*-ω，将计算结果给PI控制器，得到当前时刻的参考电流

3.如权利要求1所述的永磁同步电动机低复杂度预测控制方法，其特征在于，步骤2所述的采样得到电动机定子三相绕组的电流数据，将该采样数据变换到dq坐标系下的坐标，包括：

采样得到三相全桥逆变电路中的电动机三相绕组的电流i_a、i_b、i_c和编码器输出的位置值θ，计算当前时刻定子电流在dq坐标系下的数值，计算方法如下：

4.如权利要求1所述的永磁同步电动机低复杂度预测控制方法，其特征在于，步骤5所述的永磁同步电动机通用数学模型，表达式为：

其中i_d、i_q为永磁同步电动机三相绕组电流在dq坐标下分量；V_d、V_q为电压矢量V在dq坐标下的分量；R_s、L_s分别为电动机定子绕组电阻和电感，ψ_f为电动机转子磁链；ω_e为永磁同步电动机的转子电角速度。

5.如权利要求1所述的永磁同步电动机低复杂度预测控制方法，其特征在于，所述的离散化的永磁同步电动机通用数学模型，表示为：

其中i_d(k+1)、i_q(k+1)为下一个时刻的定子电流预测向量值，i_d(k)、i_q(k)为当前时刻的电流采样值；T_s为采样时间。

6.如权利要求1所述的永磁同步电动机低复杂度预测控制方法，其特征在于，步骤5所述的目标函数，表达式为：

其中，i_d ^*、i_q ^*为PI调节计算得到的参考电流。

7.一种永磁同步电动机低复杂度预测控制电路，其特征在于，包括三相永磁同步电动机、供电电源、三相全桥逆变电路、检测电路以及控制电路，其中：

所述的控制电路包括PI控制器，控制电路的输入端接收电动机的电流反馈信号和位置反馈信号，控制电路的输出端连接三相全桥逆变电路的三相电压信号的输入端；

所述的三相全桥逆变电路的输出端连接电动机的三相电压的输入端；

所述的供电电源连接在三相全桥逆变电路上，所述的检测电路包括设置在电动机上的电流传感器以及编码器；所述的电路结构还包括与控制电路连接的人机接口电路。