CN110868111B - 基于离散空间矢量调制的永磁同步电机模型预测控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于离散空间矢量调制的永磁同步电机模型预测控制方法，属于高性能永磁同步电机调速控制技术领域。该永磁同步电机模型预测控制方法通过首先使用无差拍模型预测方法，获得指令电压矢量
此步骤需考虑数字延时补偿；然后用空间矢量调制算法得到三个电压矢量ux,uy,u0及其对应的作用时间；最后使用离散空间矢量调制算法，重构三相占空比，构建逆变器每个开关管的驱动信号。在本发明所述永磁同步电机模型预测控制方法中，与传统模型预测控制方法相比，扩大了候选电压矢量的范围，使电压矢量误差减小，从而改善了电流谐波和转矩脉动。
Description
技术领域
本发明高性能永磁同步电机调速控制技术领域，具体涉及一种基于离散空间矢量调制的永磁同步电机模型预测控制方法。
背景技术
模型预测控制(MPC)出现于20世纪70年代后期工业领域的过程控制中，早期在化工等过程工业应用行业得到了广泛的应用。在20世纪90年代，德国学者Holtz最早把模型预测控制运用到电力电子传动领域。近些年来，随着数字处理器性能的提高及其成本的降低，计算量大逐渐不再是限制模型预测控制发展的障碍，它以其原理简单、响应速度快、善于处理多约束多变量问题等优点逐渐成为研究的热点。
目前，模型预测控制已成为电力电子传动领域控制方法中一个重要的分支。然而，传统模型预测控制在一个控制周期内仅施加一个基本电压矢量，导致采样频率不高时电流谐波和转矩脉动较大。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种基于离散空间矢量调制的永磁同步电机模型预测控制方法，以解决传统模型预测控制方案当采样频率较低时电流纹波和转矩脉动大的问题。
根据第一方面，本发明实施例提供了一种基于离散空间矢量调制的永磁同步电机模型预测控制方法，以降低电流纹波和转矩脉动，该永磁同步电机模型预测控制方法，包括,根据无差拍模型预测方法，获取指令电压矢量
并获取空间矢量调制时使用的三个电压矢量ux,uy,u0及其对应的作用时间dx，dy，d0；根据三个电压矢量ux,uy,u0及其对应的作用时间，使用离散空间矢量调制算法，重构三相占空比d1,d2,d3；根据三相占空比d1,d2,d3构建逆变器每个开关管的驱动信号。
上述基于离散空间矢量调制的永磁同步电机模型预测控制方法中，解决了传统模型预测控制方案当采样率不高时，电流纹波大，转矩脉动大，稳态性能较差的问题。具体地，转速外环使用PI调节器控制，得到电流指令。电流内环使用基于离散空间矢量调制的模型预测控制。首先使用无差拍模型预测方法，获得指令电压矢量
(也即参考电压矢量)，此步骤需考虑数字延时补偿；然后用空间矢量调制算法得到三个电压矢量ux,uy,u0(也即三个基本电压矢量)及其对应的作用时间(也即占空比)；最后使用离散空间矢量调制算法，重构三相占空比，构建逆变器每个开关管的驱动信号。在本发明所述永磁同步电机模型预测控制方法中，与传统模型预测控制方法相比，扩大了候选电压矢量的范围，使电压矢量误差减小，从而改善了电流谐波和转矩脉动。与传统的离散空间矢量调制方法相比，大大简化了获得虚拟电压矢量的步骤，无需查表以及枚举，计算量小，简单易用。
结合第一方面，在第一方面第一实施方式中，根据无差拍模型预测方法，获取指令电压矢量
包括通过速度外环PI调节器获取q轴电流指令
根据转子位置信息θ、q轴电流指令
及根据需求给出的d轴电流指令
进行坐标变换，得到两相静止(α，β)坐标系下的电流指令
根据实时采样电流、电压、转速及电流指令
得到指令电压矢量
结合第一方面或第一方面第一实施方式，在第一方面第二实施方式中，通过速度外环PI调节器获取q轴电流指令
包括，利用下式计算得知q轴电流指令
式中，kp为PI调节器中的比例增益；ki为PI调节器中的积分增益；ω*为速度指令；ω为永磁同步电机的实际速度。
结合第一方面或第一方面第一实施方式或第二实施方式，在第一方面第三实施方式中，通过光电编码器获取所述转子位置信息θ。
结合第一方面或第一方面第一实施方式、第二实施方式或第三实施方式，在第一方面第四实施方式中，利用下式计算得知
式中，
为指令电压矢量；Rs为定子电阻；
为k+1时刻的电流幅值；
为k时刻的电流幅值；Ls为电感；Tsc为采样时间；
为指令电流矢量；E为反电动势，
e为自然常数；j为虚数单位；
为永磁同步电机的实际速度；
为k时刻的电压矢量；ψf为永磁体磁链；
为k时刻转子位置角；
为d轴电流指令；
为q轴电流指令。
结合第一方面或第一方面第一实施方式至第四实施方式中的任一种方式，在第一方面第五实施方式中，获取空间矢量调制时使用的三个电压矢量ux,uy,u0及其对应的作用时间，包括，ux,uy,u0合成指令电压矢量
并利用下式计算得知dx，dy，d0：
dx＝m sin(60°-α)
dy＝m sinα
d0＝1-dx-dy
式中，α为
与ux之间的夹角；
为调制比；udc为直流母线电压。
结合第一方面或第一方面第一实施方式至第五实施方式中的任一种方式，在第一方面第六实施方式中，根据三个电压矢量ux,uy,u0及其对应的作用时间，使用离散空间矢量调制算法，重构三相占空比d1,d2,d3，包括：
计算离散空间矢量调制中合成虚拟矢量所用等效小矢量的个数；
根据所述等效小矢量的个数计算基于离散空间矢量调制的三相占空比d1,d2,d3。
结合第一方面或第一方面第一实施方式至第六实施方式中的任一种方式，在第一方面第七实施方式中，利用下式计算得知三相占空比d1,d2,d3：
nx＝round(dxN)
ny＝round(dyN)
n0＝1-nx-ny
式中，i＝1,2,3代表a,b,c三相；S＝[S(u0),S(ux),S(uy)]为开关状态矩阵；N表示将一个开关周期分为N等份；S(i,1)3×3矩阵S中第i行第1列的元素；S(i,2)为S中第i行第2列的元素；S(i,3)为S中第i行第3列的元素。
根据第二方面，本发明实施例提供了一种电子设备，包括：至少一个处理器以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行上述基于离散空间矢量调制的永磁同步电机模型预测控制方法。
根据第三方面，本发明实施例提供了一种可读计算机存储介质，其上存储有计算机指令，该指令被处理器执行时实现上述的基于离散空间矢量调制的永磁同步电机模型预测控制方法。
与现有技术相比，本发明具有如下特点和优势：(1)减小了传统模型预测控制的电流谐波和转矩脉动，具有良好的动态性能和稳态性能；(2)将一个采样周期分成任意等份时，只需在算法中设置N的值，而无需重做表；(3)目前的离散空间矢量调制与模型预测控制结合的方法，将一个控制周期分为N等份，引入虚拟电压矢量，扩展候选电压矢量的范围，从而增加了控制精度，改善了电流谐波和转矩脉动问题。然而，这种方法需要多次枚举，尤其是N增大时，枚举的数量指数增加，大大增加了控制器的负担。相反，本发明无需枚举大量的虚拟电压矢量，大大降低了传统离散空间矢量调制模型预测控制的计算复杂度，降低了控制器的负担。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1为本发明实施例提供的一种永磁电机调速控制系统硬件结构图；
图2为本发明实施例提供的一种基于离散空间矢量调制的永磁同步电机模型预测控制的结构框图；
图3为本发明实施例提供的永磁电机传统模型预测控制在20kHz采样率下，电机运行在150rpm时带额定负载的实验结果；
图4为本发明实施例提供的基于离散空间矢量调制的永磁同步电机模型预测控制在10kHz采样率下，电机运行在150rpm时带额定负载的实验结果；
图5为本发明实施例提供的永磁电机传统模型预测控制在20kHz采样率下，电机运行在1500rpm时带额定负载的实验结果；
图6为本发明实施例提供的基于离散空间矢量调制的永磁同步电机模型预测控制在10kHz采样率下，电机运行在150rpm时带额定负载的实验结果；
图7为本发明实施例提供的永磁电机传统模型预测控制在20kHz采样率下，电机由额定转速突然反转时的实验结果；
图8为本发明实施例提供的基于离散空间矢量调制的永磁电机模型预测控制在10kHz采样率下，电机由额定转速突然反转时的实验结果；
图9为本发明实施例所提供的基于离散空间矢量调制的永磁同步电机模型预测控制方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，图1为本发明实施例提供的一种永磁电机调速控制系统硬件结构图，包括三相电压源、三相二极管整流桥、直流侧电容、永磁电机、电压电流采样电路、DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理)控制器和驱动电路。电压电流采样电路利用电压霍尔传感器和电流霍尔传感器分别采集直流侧电压以及永磁电机a、b相电流，采样信号经过信号调理电路后进入DSP控制器转换为数字信号。DSP控制器完成本发明所提出方法的运算，输出六路开关脉冲，然后经过驱动电路后得到逆变器的六个开关管的最终驱动信号。
如图9所示，本发明实施例所提供的基于离散空间矢量调制的永磁同步电机模型预测控制方法，以降低电流纹波和转矩脉动，该永磁同步电机模型预测控制方法，包括，S1、根据无差拍模型预测方法，获取指令电压矢量
并获取空间矢量调制时使用的三个电压矢量ux,uy,u0及其对应的作用时间dx，dy，d0；S2、根据三个电压矢量ux,uy,u0及其对应的作用时间，使用离散空间矢量调制算法，重构三相占空比d1,d2,d3；S3、根据三相占空比d1,d2,d3构建逆变器每个开关管的驱动信号。
上述基于离散空间矢量调制的永磁同步电机模型预测控制方法中，解决了传统模型预测控制方案当采样率不高时，电流纹波大，转矩脉动大，稳态性能较差的问题。具体地，转速外环使用PI调节器控制，得到电流指令。电流内环使用基于离散空间矢量调制的模型预测控制。首先使用无差拍模型预测方法，获得指令电压矢量
(也即参考电压矢量)，此步骤需考虑数字延时补偿；然后用空间矢量调制算法得到三个电压矢量ux,uy,u0(也即三个基本电压矢量)及其对应的作用时间(也即占空比)；最后使用离散空间矢量调制算法，重构三相占空比，构建逆变器每个开关管的驱动信号。在本发明所述永磁同步电机模型预测控制方法中，与传统模型预测控制方法相比，扩大了候选电压矢量的范围，使电压矢量误差减小，从而改善了电流谐波和转矩脉动。与传统的离散空间矢量调制方法相比，大大简化了获得虚拟电压矢量的步骤，无需查表以及枚举，计算量小，简单易用。
具体地，根据无差拍模型预测方法，获取指令电压矢量
包括通过速度外环PI调节器获取q轴电流指令
根据转子位置信息θ、q轴电流指令
及根据需求给出的d轴电流指令
进行坐标变换，得到两相静止(α，β)坐标系下的电流指令
根据实时采样电流、电压、转速及电流指令
得到指令电压矢量
作为可选的实施方式，通过速度外环PI调节器获取q轴电流指令
包括，利用下式计算得知q轴电流指令
式中，kp为PI调节器中的比例增益；ki为PI调节器中的积分增益；ω*为速度指令；ω为永磁同步电机的实际速度。
一种实施方式，通过光电编码器获取所述转子位置信息θ。
更具体地，利用下式计算得知
式中，
为指令电压矢量；Rs为定子电阻；
为k+1时刻的电流幅值；
为k时刻的电流幅值；Ls为电感；Tsc为采样时间；
为指令电流矢量；E为反电动势，
e为自然常数；j为虚数单位；
为永磁同步电机的实际速度；
为k时刻的电压矢量；ψf为永磁体磁链；
为k时刻转子位置角；
为d轴电流指令；
为q轴电流指令。
进一步地，获取空间矢量调制时使用的三个电压矢量ux,uy,u0及其对应的作用时间，包括，ux,uy,u0合成指令电压矢量
并利用下式计算得知dx，dy，d0：
dx＝m sin(60°-α)
dy＝m sinα
d0＝1-dx-dy
式中，α为
与ux之间的夹角；
为调制比；udc为直流母线电压。
具体地，根据三个电压矢量ux,uy,u0及其对应的作用时间，使用离散空间矢量调制算法，重构三相占空比d1,d2,d3，包括：
计算离散空间矢量调制中合成虚拟矢量所用等效小矢量的个数；
根据所述等效小矢量的个数计算基于离散空间矢量调制的三相占空比d1,d2,d3。
更具体地，利用下式计算得知三相占空比d1,d2,d3：
nx＝round(dxN)
ny＝round(dyN)
n0＝1-nx-ny
式中，i＝1,2,3代表a,b,c三相；S＝[S(u0),S(ux),S(uy)]为开关状态矩阵；N表示将一个开关周期分为N等份；S(i,1)为3×3矩阵S中第i行第1列的元素；S(i,2)为S中第i行第2列的元素；S(i,3)为S中第i行第3列的元素。
与现有技术相比，本发明具有如下特点和优势：(1)减小了传统模型预测控制的电流谐波和转矩脉动，具有良好的动态性能和稳态性能；(2)将一个采样周期分成任意等份时，只需在算法中设置N的值，而无需重做表；(3)目前的离散空间矢量调制与模型预测控制结合的方法，将一个控制周期分为N等份，引入虚拟电压矢量，扩展候选电压矢量的范围，从而增加了控制精度，改善了电流谐波和转矩脉动问题。然而，这种方法需要多次枚举，尤其是N增大时，枚举的数量指数增加，大大增加了控制器的负担。相反，本发明无需枚举大量的虚拟电压矢量，大大降低了传统离散空间矢量调制模型预测控制的计算复杂度，降低了控制器的负担。
为了更具体地说明本发明实施例提供的基于离散空间矢量调制的永磁同步电机模型预测控制方法，如图2所示，该控制方法在图1的DSP控制器上按照如下步骤依次实现：
步骤1：整个系统采用串联控制结构，根据外环转速PI调节器得到的q轴电流指令
具体表示为
(kp和ki分别为PI调节器中的比例增益和积分增益)；
步骤2：根据步骤1得到的q轴电流指令
以及由光电编码器得到的转子位置信息θ，其中步骤2中d轴电流指令生成方式以
为例，令
进行abc-αβ坐标变换得到两相静止坐标系下电流指令
步骤3：下一时刻的预测电流可由下式得到：
其中
和
由实时采样得到，Tsc为采样时间；
考虑一拍延时补偿，并根据实时采样电流、电压、转速以及步骤2中的给定电流信息，可得指令电压矢量
(也即给定电压矢量)：
步骤4：根据步骤3中得到的电压矢量
由标准的空间矢量调制可得下一时刻基本电压矢量ux，uy和零矢量u0及其对应的作用时间：
dx＝m sin(60°-α)
dy＝m sinα
d0＝1-dx-dy
其中α是给定电压矢量
与ux的夹角，
为调制比；
步骤5：首先计算离散空间矢量调制中合成虚拟矢量所用等效小矢量的个数：
nx＝round(dxN)
ny＝round(dyN)
n0＝1-nx-ny
然后计算基于离散空间矢量调制的三相占空比：
其中，i＝1,2,3代表a,b,c三相；S＝[S(u0),S(ux),S(uy)]为开关状态矩阵；
最后，由三相占空比d1,d2,d3得到构建逆变器每个开关管的驱动信号。
本发明所提出方法的有效性可以通过仿真和实验来验证。
本发明所提出方法的有效性可以通过对比图3、图4，对比图5、图6以及图7、图8所示的实验结果得出。图3为永磁电机传统模型预测控制在20kHz采样率下，电机运行在150rpm时带额定负载的实验结果，而图4则是同样条件下，本发明中方法在10kHz采样率下的实验结果。图3、4中，从上至下波形依次为转速，q轴电流，d轴电流，定子磁链幅值。从图3、图4和图5、图6的对比中可以发现，不论电机在低速运行时还是高速运行时，采用本发明方法即使在比传统方案采样率低时，依然具有更好的稳态效果。图7、图8为电机由额定转速突然反转时的实验结果，图7对应的是永磁电机传统模型预测控制的实验结果，图8对应的是本发明中所述方法的实验结果。从图7、8中可以看出本发明所述方法与传统模型预测控制相比具有相似的动态表现。
此外，本发明实施例提供了一种电子设备，包括：至少一个处理器以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行上述基于离散空间矢量调制的永磁同步电机模型预测控制方法。
其中处理器和存储器可以通过总线或者其他方式连接。
处理器可以为中央处理器(Central Processing Unit，CPU)。处理器还可以为其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等芯片，或者上述各类芯片的组合。
存储器作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态计算机可执行程序以及模块。处理器通过运行存储在存储器中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行处理器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述基于离散空间矢量调制的永磁同步电机模型预测控制方法。
存储器可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储处理器所创建的数据等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施例中，存储器可选包括相对于处理器远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至处理器。
此外，本发明实施例提供了一种可读计算机存储介质，其上存储有计算机指令，该指令被处理器执行时实现上述的基于离散空间矢量调制的永磁同步电机模型预测控制方法。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (9)
1.一种基于离散空间矢量调制的永磁同步电机模型预测控制方法，其特征在于，包括：
根据无差拍模型预测方法，获取指令电压矢量
并获取空间矢量调制时使用的三个电压矢量ux,uy,u0及其对应的作用时间dx，dy，d0；其中，利用下式计算得知
式中，
为指令电压矢量；Rs为定子电阻；
为k+1时刻的电流幅值；
为k时刻的电流幅值；Ls为电感；Tsc为采样时间；
为指令电流矢量；E为反电动势，
e为自然常数；j为虚数单位；
为永磁同步电机的实际速度；
为k时刻的电压矢量；ψf为永磁体磁链；
为k时刻转子位置角；
为d轴电流指令；
为q轴电流指令；
根据三个电压矢量ux,uy,u0及其对应的作用时间，使用离散空间矢量调制算法，重构三相占空比d1,d2,d3；
根据三相占空比d1,d2,d3构建逆变器每个开关管的驱动信号。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机模型预测控制方法，其特征在于，根据无差拍模型预测方法，获取指令电压矢量
包括，
通过速度外环PI调节器获取q轴电流指令
根据转子位置信息θ、q轴电流指令
及根据需求给出的d轴电流指令
进行坐标变换，得到两相静止(α，β)坐标系下的电流指令
根据实时采样电流、电压、转速及电流指令
得到指令电压矢量
3.根据权利要求2所述的永磁同步电机模型预测控制方法，其特征在于，通过速度外环PI调节器获取q轴电流指令
包括，利用下式计算得知q轴电流指令
式中，kp为PI调节器中的比例增益；ki为PI调节器中的积分增益；ω*为速度指令；ω为永磁同步电机的实际速度。
4.根据权利要求2或3所述的永磁同步电机模型预测控制方法，其特征在于，通过光电编码器获取所述转子位置信息θ。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的永磁同步电机模型预测控制方法，其特征在于，获取空间矢量调制时使用的三个电压矢量ux,uy,u0及其对应的作用时间，包括，ux,uy,u0合成指令电压矢量
并利用下式计算得知dx，dy，d0：
dx＝m sin(60°-α)
dy＝m sinα
d0＝1-dx-dy
式中，α为
与ux之间的夹角；
为调制比；udc为直流母线电压。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的永磁同步电机模型预测控制方法，其特征在于，根据三个电压矢量ux,uy,u0及其对应的作用时间，使用离散空间矢量调制算法，重构三相占空比d1,d2,d3，包括：
计算离散空间矢量调制中合成虚拟矢量所用等效小矢量的个数；
根据所述等效小矢量的个数计算基于离散空间矢量调制的三相占空比d1,d2,d3。
7.根据权利要求6所述的永磁同步电机模型预测控制方法，其特征在于，利用下式计算得知三相占空比d1,d2,d3：
nx＝round(dxN)
ny＝round(dyN)
n0＝1-nx-ny
式中，i＝1,2,3代表a,b,c三相；S＝[S(u0),S(ux),S(uy)]为开关状态矩阵；N表示将一个开关周期分为N等份；S(i,1)为3×3矩阵S中第i行第1列的元素；S(i,2)为S中第i行第2列的元素；S(i,3)为S中第i行第3列的元素。
8.一种电子设备，其特征在于，包括：至少一个处理器以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行权利要求1-7所述的基于离散空间矢量调制的永磁同步电机模型预测控制方法。
9.一种可读计算机存储介质，其上存储有计算机指令，其特征在于，该指令被处理器执行时实现权利要求1-7中任一项所述的基于离散空间矢量调制的永磁同步电机模型预测控制方法。
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