CN109617468B - 两矢量调制永磁同步电动机预测控制优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两矢量调制永磁同步电动机预测控制优化方法，通过检测电机端的三相定子电流和转子位置角度，获得当前时刻电机的运行状态，将这些状态输入到控制器内部模型中，将合适开关状态对应的电压矢量结合电流的预测值进行以投影距离为误差的目标函数计算，求得当前最优的有效电压矢量，然后计算出有效电压矢量的作用时间。首先利用最优电压矢量对应的逆变器开关状态控制电机运行，当到达有效电压矢量作用时间后，进行开关切换，转换为与当前有效电压矢量开关次数最少的零电压矢量对应开关状态。然后检测下一时刻状态，进行下一次的实时运算。本发明能够在保证一定的计算精度的同时提高算法的计算效率。

Description

两矢量调制永磁同步电动机预测控制优化方法

技术领域

本发明涉及永磁同步交流电动机驱动系统预测控制技术领域，具体涉及一种两矢量调制永磁同步电动机预测控制优化方法。

背景技术

预测控制理论在永磁同步电动机控制实际应用中，大多都是依据当前时刻的采样值利用内部电机模型来预测下一时刻不同电压矢量对输出的影响，根据预先设定的目标函数，选取其中令目标函数最优的逆变器开关状态，驱动永磁同步电动机根据要求运转。随着微处理器的计算速度的提升，为了更好的提高控制精度，预测控制算法也从开始在一个采样周期内只选择一个电压矢量，到现在一个采样周期可以选着两个或三个电压矢量。

其中两矢量预测控制目前比较流行，常用的有两类：一类是在一个采样周期内，根据采样值，首先选出最优的有效电压矢量，依据最小化参考值与预测值之间的误差的原则，计算出选择有效电压矢量作用时间，一个采样时周期内剩余时间内使用无效电压矢量(零电压矢量)。另外一类是通过无差拍控制给出需要调制的参考电压矢量，根据角度关系，选择与参考电压矢量最近的有效电压矢量，通过求取有效电压矢量在参考电压矢量的投影，得到有效电压矢量的作用时间，同样剩余时间作用电压向量为零电压矢量。总之，根据有效电压矢量作用时间的长短，调制电动机输入端的PWM波形。

在求取有效电压矢量计算时间问题上，目前的方法都是在一定误差范围内进行计算，也取得了很好的应用效果。如果想进一步提高控制效果，一方面是在一个周期内用更多的开关矢量来调制，另一方面可以提高有效电压矢量作用时间的精度和效率。

在不大幅度提高逆变器开关频率的前提下，如何高效准确的计算有效电压矢量和零电压矢量作用时间，是进一步提高控性能和精度的关键。目前，针对该方面的研究国内外还不多，为了能够找到更高效精确的解决方法，在该方向需要更多深入研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种两矢量调制永磁同步电动机预测控制优化方法，根据参考电流矢量与电流预测值之间的投影距离，判断最优电压矢量，从本质上减小了电压矢量误差，通过零电压矢量与参考电压矢量的差值向量在有效电压矢量上的投影，计算出有效电压矢量作用时间，具有良好的适应性和扩展性。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种两矢量调制永磁同步电动机预测控制优化方法，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定子电流预测向量的差向量在参考电流向量方向上的投影距离为目标函数，计算不同电压矢量对应的数值，选取令该数值最小的有效电压矢量；

步骤6，利用零电压矢量作用时的采样电流向量与参考电流向量的差向量在有效电压矢量作用时定子电流预测向量方向上的投影，计算有效电压矢量作用时间；将作用时间与采样时间进行比较，得到最终的有效电压矢量作用时间；

步骤7，通过所述的有效电压矢量对应的开关状态及其作用时间，控制三相全桥逆变电路各对应开关器件的开通和关断，根据当前作用时间与计算出的有效电压矢量作用时间对比，到达作用时间后切换至零电压矢量。

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_pre为定子电流预测向量，i_ref为参考电流向量。

进一步地，所述的有效电压矢量作用时间，计算公式为：

其中，i_meas为零电压矢量作用时的采样电流向量。

本发明具有以下技术特点：

1.本发明通过将目标函数从误差的直线距离转换为投影距离，使误差从原来的相对误差转换为绝对误差，提高了目标函数判断的精度。

2.本发明利用预测电流与参考电流在dq坐标系下的投影关系，计算有效电压矢量作用时间，能够保证一定的计算精度同时提高算法的计算效率。

附图说明

图1为本发明控制电路的电路结构示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种两矢量调制永磁同步电动机预测控制优化方法，其中，所述的电动机采用三相全桥逆变电路作为驱动电路，如图1所示，整体的控制电路还包括：包括三相永磁同步电动机、供电电源、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。

如图1所示，本发明方法包括以下步骤：

步骤1，在人机接口电路中设定速度参考值ω^*，根据速度参考值ω^*与电机编码器输出的速度反馈值ω的差值，通过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；设定参考速度ω^*＝600r/min，计算与当前时刻采样转速之差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

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逆变电路中的电机三相电流i_a、i_b、i_c和编码器输出的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。其中V₀和V₇为零电压矢量，V₁～V₆为有效电压矢量。

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_dV_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的差向量(i_ref-i_pre)在参考电流向量i_ref方向上的投影距离为目标函数；计算不同电压矢量对应的数值，选取令该值最小的有效电压矢量。通过这样的目标函数判断，得到更加准确的最优开关状态。

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8个不同电压矢量在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)下一个时刻(k+1时刻)的定子电流预测值，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，建立定子电流预测向量i_pre与参考电流向量i_ref的差向量(i_ref-i_pre)在参考电流向量i_ref上的投影距离为目标函数，其表达式如下：

计算不同电压矢量对应的数值，选取令该值最小的有效电压矢量。

步骤6，利用零电压矢量作用时的采样电流向量i_meas(即为上一时刻的采样电流向量)与参考电流向量i_ref的差向量(i_ref-i_meas)在有效电压矢量作用时定子电流预测向量i_pre方向上的投影，计算有效电压矢量作用时间T_act；算出的有效电压矢量作用时间T_act再与采样时间T_s进行比较，得到最终的有效电压矢量作用时间；

本实例实施中，有效电压矢量作用时间计算公式如下：

根据该公式算出的有效电压矢量作用时间T_act再与采样时间T_s进行比较，如果计算出的作用时间T_act>T_s，有效电压矢量作用时间T_act＝T_s；如果计算出作用时间为负数，则有效电压矢量作用时间为T_act＝0；

步骤7，通过所述的有效电压矢量对应的开关状态及其作用时间，控制三相全桥逆变电路各对应开关器件的开通和关断；根据当前作用时间与计算出的有效电压矢量作用时间对比，到达作用时间后切换至零电压矢量，同时该零电压矢量应为切换过程中开关次数较少的对应的零电压矢量；从而能够降低总的开关次数，减小开关频率，最终控制永磁同步电动机端电压，驱动电动机更加平稳旋转。

本实例实施中，有效电压矢量作用时间T_act与采样时间周期内时间t∈(0～T_s)进行比较，如果当前作用时间t<T_act，则一直用有效电压矢量对应开关状态；若t>T_act，则切换为相应零电压矢量对应开关状态。

Claims (5)

1.一种两矢量调制永磁同步电动机预测控制优化方法，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定子电流预测向量的差向量在参考电流向量方向上的投影距离为目标函数，计算不同电压矢量对应的数值，选取令该数值最小的有效电压矢量；

步骤6，利用零电压矢量作用时的采样电流向量与参考电流向量的差向量在有效电压矢量作用时定子电流预测向量方向上的投影，计算有效电压矢量作用时间；将作用时间与采样时间进行比较，得到最终的有效电压矢量作用时间；

步骤7，通过所述的有效电压矢量对应的开关状态及其作用时间，控制三相全桥逆变电路各对应开关器件的开通和关断，根据当前作用时间与计算出的有效电压矢量作用时间对比，到达作用时间后切换至零电压矢量。

2.如权利要求1所述的两矢量调制永磁同步电动机预测控制优化方法，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所述的两矢量调制永磁同步电动机预测控制优化方法，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所述的两矢量调制永磁同步电动机预测控制优化方法，其特征在于，步骤5所述的目标函数，表达式为：

其中，i_pre为定子电流预测向量，i_ref为参考电流向量。

5.如权利要求1所述的两矢量调制永磁同步电动机预测控制优化方法，其特征在于，所述的有效电压矢量作用时间，计算公式为：

其中，i_meas为零电压矢量作用时的采样电流向量、i_pre为定子电流预测向量、i_ref为参考电流向量。

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