CN110943664B - 一种基于双层定位的五桥臂双动子初级永磁直线电机模型预测电流控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双层定位的五桥臂双动子初级永磁直线电机模型预测电流控制方法，步骤如下：S1：采样两个动子的直流母线电压、AB相电流、动子运行速度和动子角度；S2：计算出两个动子在αβ坐标系下的参考电压矢量；S3：将参考电压矢量投影到固定的全局最优空间电压矢量分布图中，进行电机层定位并选择对应的全局最优控制矢量；S4：将全局最优控制矢量的所有组合分为三种情况；S5：根据全局最优控制矢量的类型，确定逆变器控制信号；S6：将控制信号输入至逆变器中，驱动双动子初级永磁直线电机运行。本发明可以在显著减小五桥臂双动子初级永磁直线电机模型预测电流控制计算量的基础上获得与传统模型预测电流控制完全相同的控制效果。

Description

一种基于双层定位的五桥臂双动子初级永磁直线电机模型预 测电流控制方法

技术领域

本发明涉及电机驱动与控制技术领域，尤其涉及一种基于双层定位的五桥臂双动子初级永磁直线电机模型预测电流控制方法。

背景技术

基于模型预测电流控制的五桥臂双动子初级永磁直线电机驱动系统相对于传统的三相逆变器控制系统能够减少一相桥臂，从而降低了系统成本。但模型预测电流控制的最大弱点就是系统的计算量会随着系统状态量的增多呈几何级数的增长，从而会影响模型预测电流控制的应用范围。

发明内容

发明目的：针对传统五桥臂双动子初级永磁直线电机模型预测电流控制的过程中，计算量过大的问题，本发明提出一种基于双层定位的五桥臂双动子初级永磁直线电机模型预测电流控制方法。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于双层定位的五桥臂双动子初级永磁直线电机模型预测电流控制方法，所述控制方法包括如下步骤：

S1：采样五桥臂双动子初级永磁直线电机模型中两个电机动子的直流母线电压、AB相电流、动子运行速度和动子角度；

S2：根据所述AB相电流和动子角度，计算出所述两个电机动子在αβ坐标系下的参考电压矢量；

S3：将所述两个电机动子在αβ坐标系下的参考电压矢量投影到固定的全局最优空间电压矢量分布图中，进行电机层定位并选择对应的全局最优控制矢量；

S4：在系统层中根据所述全局最优控制矢量的C相状态，将所述全局最优控制矢量的所有组合分为三种情况；

S5：根据所述全局最优控制矢量满足的三种情况的类型，确定五相电压源型逆变器的控制信号；

S6：将所述五相电压源型逆变器的控制信号输入至五相电压源型逆变器中，驱动双动子初级永磁直线电机运行。

进一步地讲，所述基于双层定位的五桥臂双动子初级永磁直线电机模型包括有双动子初级永磁直线电机、信号采样和控制单元以及五相电压源型逆变器，所述双动子初级永磁直线电机的输出端电性连接信号采样和控制单元的输入端，所述信号采样和控制单元的输出端电性连接五相电压源型逆变器的输入端，所述五相电压源型逆变器的输出端电性连接双动子初级永磁直线电机的输入端和信号采样和控制单元的输入端。

进一步地讲，所述双动子初级永磁直线电机中两个电机动子的结构和参数均相同。

进一步地讲，在所述步骤S2中，计算出所述两个电机动子在αβ坐标系下的参考电压矢量，具体如下：

S2.1：通过所述两个电机动子的AB相电流和动子角度，计算所述两个电机动子在两相旋转坐标系下的电流，具体为：

其中：i_d1为第一个电机动子在两相旋转坐标系中d轴电流，i_q1为第一个电机动子在两相旋转坐标系中q轴电流，i_d2为第二个电机动子在两相旋转坐标系中d轴电流，i_q2为第二个电机动子在两相旋转坐标系中q轴电流，θ_e1为第一个电机动子的动子角度，θ_e2为第二个电机动子的动子角度，i_a1为第一个电机动子的A相电流，i_b1为第一个电机动子的B相电流，i_a2为第二个电机动子的A相电流，i_b2为第二个电机动子的B相电流；

S2.2：根据所述两个电机动子在两相旋转坐标系下的电流和参考电流以及动子运行速度，计算出所述两个电机动子在αβ坐标系下的参考电压矢量，具体为：

其中：

为第一个电机动子在α坐标系下的参考电压矢量，

为第一个电机动子在β坐标系下的参考电压矢量，

为第二个电机动子在α坐标系下的参考电压矢量，

为第二个电机动子在β坐标系下的参考电压矢量，θ_e1为第一个电机动子的动子角度，θ_e2为第二个电机动子的动子角度，R_s为动子电阻，i_d1为第一个电机动子在两相旋转坐标系中d轴电流，i_q1为第一个电机动子在两相旋转坐标系中q轴电流，i_d2为第二个电机动子在两相旋转坐标系中d轴电流，i_q2为第二个电机动子在两相旋转坐标系中q轴电流，L_s为动子电感，T_s为控制器的运算周期，

为第一个电机动子在两相旋转坐标系中d轴参考电流，

第一个电机动子在两相旋转坐标系中q轴参考电流，

为第二个电机动子在两相旋转坐标系中d轴参考电流，

为第二个电机动子在两相旋转坐标系中q轴参考电流，v_m1为第一个电机动子的动子运行速度，v_m2为第二个电机动子的动子运行速度，τ为定子极距，ψ_pm为动子永磁体磁链。

进一步地讲，在所述步骤S3中，进行电机层定位并选择对应的全局最优控制矢量，具体为：

将所述两个电机动子在αβ坐标系下的参考电压矢量投影到固定的全局最优空间电压矢量分布图中，所述全局最优空间电压矢量分布图包括有固定的空间电压矢量U₀～U₇，同时所述全局最优空间电压矢量分布图将αβ平面区间划分为七个扇区Sector 0～Sector6，所述扇区Sector 1～Sector 6对应着空间电压矢量U₁～U₆，所述扇区Sector 0对应着空间电压矢量(U₀,U₇)，所述两个电机动子在αβ坐标系下的参考电压矢量所在扇区对应的空间电压矢量，即为对应的全局最优控制矢量。

进一步地讲，所述空间电压矢量U₁～U₆为有效电压矢量，所述空间电压矢量(U₀,U₇)为零矢量。

进一步地讲，当所述αβ坐标系下的参考电压矢量所在扇区为扇区Sector 0时，所述五相电压源型逆变器的控制信号的选择遵循使逆变器动作次数最少的原则。

进一步地讲，所述全局最优控制矢量的所有组合分成的三种情况，具体为：

情况一：所述第一个电机动子对应的全局最优控制矢量的C相状态和第二个电机动子对应的全局最优控制矢量的C相状态相同，具体为：

k_c1＝k_c2

其中：k_c1为第一个电机动子对应的全局最优控制矢量的C相状态，k_c2为第二个电机动子对应的全局最优控制矢量的C相状态；

情况二：所述第一个电机动子对应的全局最优控制矢量的C相状态和第二个电机动子对应的全局最优控制矢量的C相状态不相同，但是所述第一个电机动子对应的全局最优控制矢量和第二个电机动子对应的全局最优控制矢量中至少有一个是零矢量；

情况三：所述第一个电机动子对应的全局最优控制矢量的C相状态和第二个电机动子对应的全局最优控制矢量的C相状态不相同，同时所述第一个电机动子对应的全局最优控制矢量和第二个电机动子对应的全局最优控制矢量均为有效电压矢量。

进一步地讲，在所述步骤S5中，确定所述五相电压源型逆变器的控制信号，具体为：

所述全局最优控制矢量满足情况一时，所述五相电压源型逆变器的控制信号为：

(k_a1,k_b1,k_c1,k_b2,k_a2)

其中：k_a1为第一个电机动子对应的全局最优控制矢量的A相状态，k_b1为第一个电机动子对应的全局最优控制矢量的B相状态，k_c1为第一个电机动子对应的全局最优控制矢量的C相状态，k_b2为第二个电机动子对应的全局最优控制矢量的B相状态，k_a2为第二个电机动子对应的全局最优控制矢量的A相状态；

所述全局最优控制矢量满足情况二时，所述五相电压源型逆变器的控制信号分两种，具体为：

所述第一个电机动子对应的全局最优控制矢量为零矢量时，所述五相电压源型逆变器的控制信号为：

(k_c2,k_c2,k_c2,k_b2,k_a2)

其中：k_c2为第二个电机动子对应的全局最优控制矢量的C相状态，k_b2为第二个电机动子对应的全局最优控制矢量的B相状态，k_a2为第二个电机动子对应的全局最优控制矢量的A相状态；

所述第二个电机动子对应的全局最优控制矢量为零矢量时，所述五相电压源型逆变器的控制信号为：

(k_a1,k_b1,k_c1,k_c1,k_c1)

其中：k_a1为第一个电机动子对应的全局最优控制矢量的A相状态，k_b1为第一个电机动子对应的全局最优控制矢量的B相状态，k_c1为第一个电机动子对应的全局最优控制矢量的C相状态；

所述全局最优控制矢量满足情况三时，通过所述两个电机动子在αβ坐标系下的参考电压矢量，确定出所述五相电压源型逆变器的控制信号。

进一步地讲，通过所述两个电机动子在αβ坐标系下的参考电压矢量，确定出所述五相电压源型逆变器的控制信号，具体如下：

第一步：将所述两个电机动子在αβ坐标系下的参考电压矢量投影到固定的限制集最优空间电压矢量分布图中，进行系统层定位，并根据所述两个电机动子在αβ坐标系下的参考电压矢量的位置，确定出两个电机动子对应的局部最优控制矢量，具体为：

其中：V′_op1为第一个电机动子对应的局部最优控制矢量，V′_op2为第二个电机动子对应的局部最优控制矢量，k′_a1为第一个电机动子对应的局部最优控制矢量的A相状态，k′_b1为第一个电机动子对应的局部最优控制矢量的B相状态，k′_c1为第一个电机动子对应的局部最优控制矢量的C相状态，k′_a2为第二个电机动子对应的局部最优控制矢量的A相状态，k′_b2为第二个电机动子对应的局部最优控制矢量的B相状态，k′_c2为第二个电机动子对应的局部最优控制矢量的C相状态；

第二步：所述两个电机动子对应的局部最优控制矢量和全局最优控制矢量，构成两个五相电压源型逆变器的驱动信号，具体为：

其中：k_a1为第一个电机动子对应的全局最优控制矢量的A相状态，k_b1为第一个电机动子对应的全局最优控制矢量的B相状态，k_c1为第一个电机动子对应的全局最优控制矢量的C相状态，k′_a2为第二个电机动子对应的局部最优控制矢量的A相状态，k′_b2为第二个电机动子对应的局部最优控制矢量的B相状态，k′_a1为第一个电机动子对应的局部最优控制矢量的A相状态，k′_b1为第一个电机动子对应的局部最优控制矢量的B相状态，k_c2为第二个电机动子对应的全局最优控制矢量的C相状态，k_b2为第二个电机动子对应的全局最优控制矢量的B相状态，k_a2为第二个电机动子对应的全局最优控制矢量的A相状态；

第三步：根据所述两个五相电压源型逆变器的驱动信号，计算在αβ坐标系下引起的电压偏差，具体为：

其中：λ₁为第一个五相电压源型逆变器驱动信号在αβ坐标系下引起的电压偏差，λ₂为第二个五相电压源型逆变器驱动信号在αβ坐标系下引起的电压偏差，

为第一个电机动子在α坐标系下的参考电压矢量，

为第一个电机动子在β坐标系下的参考电压矢量，

为第二个电机动子在α坐标系下的参考电压矢量，

为第二个电机动子在β坐标系下的参考电压矢量，V′_op1为第一个电机动子对应的局部最优控制矢量，V′_op2为第二个电机动子对应的局部最优控制矢量，V_op1为第一个电机动子对应的全局最优控制矢量，V_op2为第二个电机动子对应的全局最优控制矢量；

第四步：将两个五相电压源型逆变器驱动信号在αβ坐标系下引起的电压偏差进行比较，选出最小所述电压偏差，所述最小电压偏差对应的五相电压源型逆变器的驱动信号即为最终的五相电压源型逆变器的驱动信号。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：

本发明的控制方法在不改变五桥臂双动子初级永磁直线电机驱动性能的前提下，可以显著地减小计算量，同时还可以拓展到多电机协同驱动领域中，进而提高了模型预测电流控制在电机驱动系统的应用范围。

附图说明

图1是本发明的五桥臂双动子初级永磁直线电机驱动系统结构图；

图2是本发明的全局最优空间电压矢量分布图；

图3是本发明的限制集最优空间电压矢量分布图；

图4是传统的五桥臂双动子初级永磁直线电机模型预测电流控制的实验结果；

图5是本发明基于双层定位的五桥臂双动子初级永磁直线电机模型预测电流控制的实验结果。

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。其中，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。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。

实施例1

参考图1，本实施例提供了一种基于双层定位的五桥臂双动子初级永磁直线电机模型预测电流控制方法，其基于双层定位的五桥臂双动子初级永磁直线电机模型包括有双动子初级永磁直线电机、信号采样和控制单元以及五相电压源型逆变器，该双动子初级永磁直线电机的输出端电性连接信号采样和控制单元的输入端，信号采样和控制单元的输出端电性连接五相电压源型逆变器的输入端，五相电压源型逆变器的输出端电性连接双动子初级永磁直线电机的输入端和信号采样和控制单元的输入端。同时双动子初级永磁直线电机中两个电机动子的结构和参数均相同。

该基于双层定位的五桥臂双动子初级永磁直线电机模型预测电流控制方法包括如下步骤：

步骤S1：分别采样两个电机动子的直流母线电压u_dc，AB相电流i_a1、i_b1和i_a2、i_b2，动子运行速度v_m1和v_m2、动子角度θ_e1和θ_e2。其中：i_a1为第一个电机动子的A相电流，i_b1为第一个电机动子的B相电流，i_a2为第二个电机动子的A相电流，i_b2为第二个电机动子的B相电流，v_m1为第一个电机动子的动子运行速度，v_m2为第二个电机动子的动子运行速度，θ_e1为第一个电机动子的动子角度，θ_e2为第二个电机动子的动子角度。

步骤S2：根据步骤S1中两个电机动子的AB相电流i_a1、i_b1和i_a2、i_b2、动子角度θ_e1和θ_e2，计算出两个电机动子在αβ坐标系下的参考电压矢量

和

具体如下：

步骤S2.1：通过两个电机动子的AB相电流i_a1、i_b1和i_a2、i_b2、动子角度θ_e1和θ_e2，计算两个电机动子在两相旋转坐标系下的电流i_d1、i_q1和i_d2、i_q2，具体为：

其中：i_d1为第一个电机动子在两相旋转坐标系中d轴电流，i_q1为第一个电机动子在两相旋转坐标系中q轴电流，i_d2为第二个电机动子在两相旋转坐标系中d轴电流，i_q2为第二个电机动子在两相旋转坐标系中q轴电流，θ_e1为第一个电机动子的动子角度，θ_e2为第二个电机动子的动子角度，i_a1为第一个电机动子的A相电流，i_b1为第一个电机动子的B相电流，i_a2为第二个电机动子的A相电流，i_b2为第二个电机动子的B相电流。

步骤S2.2：根据两个电机动子在两相旋转坐标系下的电流i_d1、i_q1和i_d2、i_q2、在两相旋转坐标系下的参考电流

和

动子运行速度v_m1和v_m2，计算出两个电机动子在αβ坐标系下的参考电压矢量

和

具体为：

其中：

为第一个电机动子在α坐标系下的参考电压矢量，

为第一个电机动子在β坐标系下的参考电压矢量，

为第二个电机动子在α坐标系下的参考电压矢量，

为第二个电机动子在β坐标系下的参考电压矢量，θ_e1为第一个电机动子的动子角度，θ_e2为第二个电机动子的动子角度，R_s为动子电阻，i_d1为第一个电机动子在两相旋转坐标系中d轴电流，i_q1为第一个电机动子在两相旋转坐标系中q轴电流，i_d2为第二个电机动子在两相旋转坐标系中d轴电流，i_q2为第二个电机动子在两相旋转坐标系中q轴电流，L_s为动子电感，T_s为控制器的运算周期，

为第一个电机动子在两相旋转坐标系中d轴参考电流，

第一个电机动子在两相旋转坐标系中q轴参考电流，

为第二个电机动子在两相旋转坐标系中d轴参考电流，

为第二个电机动子在两相旋转坐标系中q轴参考电流，v_m1为第一个电机动子的动子运行速度，v_m2为第二个电机动子的动子运行速度，τ为定子极距，ψ_pm为动子永磁体磁链。

步骤S3：将两个电机动子在αβ坐标系下的参考电压矢量

和

投影到固定的全局最优空间电压矢量分布图中，进行电机层定位并选择对应的全局最优控制矢量V_op1(k_a1,k_b1,k_c1)和V_op2(k_a2,k_b2,k_c2)，具体为：

该全局最优空间电压矢量分布图中包括有八个固定的空间电压矢量U₀～U₇，其中六个空间电压矢量U₁～U₆为有效电压矢量，两个空间电压矢量(U₀,U₇)为零矢量。

同时全局最优空间电压矢量分布图会将αβ平面区间划分为七个扇区Sector 0～Sector 6，其中扇区Sector 1～Sector 6对应着空间电压矢量U₁～U₆，扇区Sector 0对应着空间电压矢量(U₀,U₇)。

其中第一个电机动子在αβ坐标系下的参考电压矢量

所在扇区对应的空间电压矢量，即为第一个电机动子对应的全局最优控制矢量V_op1(k_a1,k_b1,k_c1)。第二个电机动子在αβ坐标系下的参考电压矢量

所在扇区对应的空间电压矢量，即为第一个电机动子对应的全局最优控制矢量V_op2(k_a2,k_b2,k_c2)。

值得注意的是，当αβ坐标系下的参考电压矢量所在扇区为扇区Sector 0时，五相电压源型逆变器的控制信号的选择遵循使逆变器动作次数最少的原则。

在本实施例中，参考图2，第一个电机动子在αβ坐标系下的参考电压矢量

所在扇区为Q1点，即扇区Sector 5，从而根据参考电压矢量

进行电机层定位时，选择V_op1＝U₅(001)。

第二个电机动子在αβ坐标系下的参考电压矢量

所在扇区为Q2点，即扇区Sector 3，从而根据参考电压矢量

进行电机层定位时，选择V_op2＝U₃(010)。

步骤S4：在系统层中根据全局最优控制矢量的C相状态k_c，将全局最优控制矢量的所有组合分为三种情况，该三种情况分别为：

情况一：第一个电机动子对应的全局最优控制矢量的C相状态k_c1、第二个电机动子对应的全局最优控制矢量的C相状态k_c2相同，具体为：

k_c1＝k_c2

其中：k_c1为第一个电机动子对应的全局最优控制矢量的C相状态，k_c2为第二个电机动子对应的全局最优控制矢量的C相状态。

情况二：第一个电机动子对应的全局最优控制矢量的C相状态k_c1、第二个电机动子对应的全局最优控制矢量的C相状态k_c2不相同，同时第一个电机动子对应的全局最优控制矢量和第二个电机动子对应的全局最优控制矢量中至少有一个是零矢量，也就是说，不是第一个电机动子对应的全局最优控制矢量V_op1(k_a1,k_b1,k_c1)为零矢量，就是第二个电机动子对应的全局最优控制矢量V_op2(k_a2,k_b2,k_c2)为零矢量。

情况三：第一个电机动子对应的全局最优控制矢量的C相状态、第二个电机动子对应的全局最优控制矢量的C相状态k_c2不相同，同时第一个电机动子对应的全局最优控制矢量V_op1(k_a1,k_b1,k_c1)、第二个电机动子对应的全局最优控制矢量V_op2(k_a2,k_b2,k_c2)均为有效电压矢量。

步骤S5：根据步骤S4划分的三种情况的类型，判断全局最优控制矢量满足上述三种情况中的哪一种情况，通过全局最优控制矢量满足的三种情况的类型，确定五相电压源型逆变器的控制信号，具体为：

当全局最优控制矢量满足情况一时，五相电压源型逆变器的控制信号为：

(k_a1,k_b1,k_c1,k_b2,k_a2)

其中：k_a1为第一个电机动子对应的全局最优控制矢量的A相状态，k_b1为第一个电机动子对应的全局最优控制矢量的B相状态，k_c1为第一个电机动子对应的全局最优控制矢量的C相状态，k_b2为第二个电机动子对应的全局最优控制矢量的B相状态，k_a2为第二个电机动子对应的全局最优控制矢量的A相状态。

当全局最优控制矢量满足情况二时，五相电压源型逆变器的控制信号分两种，分别如下：

当第一个电机动子对应的全局最优控制矢量为零矢量时，五相电压源型逆变器的控制信号为：

(k_c2,k_c2,k_c2,k_b2,k_a2)

其中：k_c2为第二个电机动子对应的全局最优控制矢量的C相状态，k_b2为第二个电机动子对应的全局最优控制矢量的B相状态，k_a2为第二个电机动子对应的全局最优控制矢量的A相状态。

当第二个电机动子对应的全局最优控制矢量为零矢量时，五相电压源型逆变器的控制信号为：

(k_a1,k_b1,k_c1,k_c1,k_c1)

其中：k_a1为第一个电机动子对应的全局最优控制矢量的A相状态，k_b1为第一个电机动子对应的全局最优控制矢量的B相状态，k_c1为第一个电机动子对应的全局最优控制矢量的C相状态。

当全局最优控制矢量满足情况三时，需要通过两个电机动子在αβ坐标系下的参考电压矢量，确定出最终的五相电压源型逆变器的控制信号，具体如下：

第一步：将两个电机动子在αβ坐标系下的参考电压矢量

和

投影到固定的限制集最优空间电压矢量分布图中，进行系统层定位。同时根据两个电机动子在αβ坐标系下的参考电压矢量

和

的位置，确定出两个电机动子对应的局部最优控制矢量，具体为：

其中：V′_op1为第一个电机动子对应的局部最优控制矢量，V′_op2为第二个电机动子对应的局部最优控制矢量，k′_a1为第一个电机动子对应的局部最优控制矢量的A相状态，k′_b1为第一个电机动子对应的局部最优控制矢量的B相状态，k′_c1为第一个电机动子对应的局部最优控制矢量的C相状态，k′_a2为第二个电机动子对应的局部最优控制矢量的A相状态，k′_b2为第二个电机动子对应的局部最优控制矢量的B相状态，k′_c2为第二个电机动子对应的局部最优控制矢量的C相状态。

第二步：将两个电机动子对应的局部最优控制矢量V′_op1(k′_a1,k′_b1,k′_c1)和V′_op2(k′_a2,k′_b2,k′_c2)、两个电机动子对应的全局最优控制矢量V_op1(k_a1,k_b1,k_c1)和V_op2(k_a2,k_b2,k_c2)进行结合，构成两个五相电压源型逆变器的驱动信号，具体为：

其中：k_a1为第一个电机动子对应的全局最优控制矢量的A相状态，k_b1为第一个电机动子对应的全局最优控制矢量的B相状态，k_c1为第一个电机动子对应的全局最优控制矢量的C相状态，k′_a2为第二个电机动子对应的局部最优控制矢量的A相状态，k′_b2为第二个电机动子对应的局部最优控制矢量的B相状态，k′_a1为第一个电机动子对应的局部最优控制矢量的A相状态，k′_b1为第一个电机动子对应的局部最优控制矢量的B相状态，k_c2为第二个电机动子对应的全局最优控制矢量的C相状态，k_b2为第二个电机动子对应的全局最优控制矢量的B相状态，k_a2为第二个电机动子对应的全局最优控制矢量的A相状态。

第三步：在αβ坐标系下根据下式，计算两个五相电压源型逆变器的驱动信号引起的电压偏差λ₁和λ₂，具体为：

其中：λ₁为第一个五相电压源型逆变器驱动信号在αβ坐标系下引起的电压偏差，λ₂为第二个五相电压源型逆变器驱动信号在αβ坐标系下引起的电压偏差，

为第一个电机动子在α坐标系下的参考电压矢量，

为第一个电机动子在β坐标系下的参考电压矢量，

为第二个电机动子在α坐标系下的参考电压矢量，

为第二个电机动子在β坐标系下的参考电压矢量，V′_op1为第一个电机动子对应的局部最优控制矢量，V′_op2为第二个电机动子对应的局部最优控制矢量，V_op1为第一个电机动子对应的全局最优控制矢量，V_op2为第二个电机动子对应的全局最优控制矢量。

第四步：将两个五相电压源型逆变器驱动信号在αβ坐标系下引起的电压偏差λ₁和λ₂进行比较，从中选出最小的电压偏差，该最小电压偏差对应的五相电压源型逆变器的驱动信号即为最终的五相电压源型逆变器的驱动信号。

在本实施例中，参考图3，第一个电机动子在αβ坐标系下的参考电压矢量

所在扇区为Q1点，即扇区Zone 0，第二个电机动子在αβ坐标系下的参考电压矢量

所在扇区为Q2点，即扇区Zone 4。根据步骤S3中电机层定位，第一个电机动子对应的全局最优控制矢量为：V_op1＝U₅(001)，第二个电机动子对应的全局最优控制矢量为：V_op2＝U₃(010)。由于两个电机动子对应的全局最优控制矢量的C相状态为：k_c1＝1，k_c2＝0且k_c1≠k_c2，同时第一个电机动子对应的全局最优控制矢量V_op1、第二个电机动子对应的全局最优控制矢量V_op2均是有效电压矢量，从而在本实施例中，全局最优控制矢量满足情况三。

根据第一个电机动子在αβ坐标系下的参考电压矢量的位置Q1点，进行系统层定位，第一个电机动子对应的局部最优控制矢量为V′_op1(000)。根据第二个电机动子在αβ坐标系下的参考电压矢量的位置Q2点，进行系统层定位，第二个电机动子对应的局部最优控制矢量为V′_op2(011)。从而产生的两个五相电压源型逆变器驱动信号分别为：(00110)和(00010)。计算(00110)和(00010)产生的电压偏差，从中选出较小电压偏差对应的驱动信号，并将该选出的驱动信号作为最终的驱动信号。

步骤S6：将步骤S5中确定出的五相电压源型逆变器的控制信号输入至五相电压源型逆变器中，同时驱动双动子初级永磁直线电机运行。

为了验证本控制方法的效果，进行了实验。其中图4是传统的五桥臂双动子初级永磁直线电机模型预测电流控制的实验结果，图5是基于双层定位的五桥臂双动子初级永磁直线电机模型预测电流控制的实验结果。图4和图5的实验结果表明基于双层定位的五桥臂双动子初级永磁直线电机模型预测电流控制方法跟传统的模型预测电流控制有几乎相同的控制效果，但是本发明的控制方法的计算量明显小于传统的模型预测电流控制方法。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构和方法并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于双层定位的五桥臂双动子初级永磁直线电机模型预测电流控制方法，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：

S1：采样五桥臂双动子初级永磁直线电机模型中两个电机动子的直流母线电压、AB相电流、动子运行速度和动子角度；

S2：根据所述AB相电流和动子角度，计算出所述两个电机动子在αβ坐标系下的参考电压矢量；

S3：将所述两个电机动子在αβ坐标系下的参考电压矢量投影到固定的全局最优空间电压矢量分布图中，进行电机层定位并选择对应的全局最优控制矢量；

S4：在系统层中根据所述全局最优控制矢量的C相状态，将所述全局最优控制矢量的所有组合分为三种情况，具体包括：

情况一：第一个电机动子对应的全局最优控制矢量的C相状态和第二个电机动子对应的全局最优控制矢量的C相状态相同，具体为：

k_c1＝k_c2

其中：k_c1为第一个电机动子对应的全局最优控制矢量的C相状态，k_c2为第二个电机动子对应的全局最优控制矢量的C相状态；

情况二：第一个电机动子对应的全局最优控制矢量的C相状态和第二个电机动子对应的全局最优控制矢量的C相状态不相同，但是所述第一个电机动子对应的全局最优控制矢量和第二个电机动子对应的全局最优控制矢量中至少有一个是零矢量；

情况三：第一个电机动子对应的全局最优控制矢量的C相状态和第二个电机动子对应的全局最优控制矢量的C相状态不相同，同时所述第一个电机动子对应的全局最优控制矢量和第二个电机动子对应的全局最优控制矢量均为有效电压矢量；

S5：根据所述全局最优控制矢量满足的三种情况的类型，确定五相电压源型逆变器的控制信号，所述方法具体包括：

所述全局最优控制矢量满足情况一时，五相电压源型逆变器的控制信号为：

(k_a1,k_b1,k_c1,k_b2,k_a2)

其中：k_a1为第一个电机动子对应的全局最优控制矢量的A相状态，k_b1为第一个电机动子对应的全局最优控制矢量的B相状态，k_c1为第一个电机动子对应的全局最优控制矢量的C相状态，k_b2为第二个电机动子对应的全局最优控制矢量的B相状态，k_a2为第二个电机动子对应的全局最优控制矢量的A相状态；

所述全局最优控制矢量满足情况二时，五相电压源型逆变器的控制信号分两种，具体为：

第一个电机动子对应的全局最优控制矢量为零矢量时，五相电压源型逆变器的控制信号为：

(k_c2,k_c2,k_c2,k_b2,k_a2)

其中：k_c2为第二个电机动子对应的全局最优控制矢量的C相状态，k_b2为第二个电机动子对应的全局最优控制矢量的B相状态，k_a2为第二个电机动子对应的全局最优控制矢量的A相状态；

第二个电机动子对应的全局最优控制矢量为零矢量时，五相电压源型逆变器的控制信号为：

(k_a1,k_b1,k_c1,k_c1,k_c1)

其中：k_a1为第一个电机动子对应的全局最优控制矢量的A相状态，k_b1为第一个电机动子对应的全局最优控制矢量的B相状态，k_c1为第一个电机动子对应的全局最优控制矢量的C相状态；

所述全局最优控制矢量满足情况三时，通过两个电机动子在αβ坐标系下的参考电压矢量，确定出五相电压源型逆变器的控制信号；

S6：将所述五相电压源型逆变器的控制信号输入至五相电压源型逆变器中，驱动双动子初级永磁直线电机运行。

2.根据权利要求1所述的一种基于双层定位的五桥臂双动子初级永磁直线电机模型预测电流控制方法，其特征在于，所述基于双层定位的五桥臂双动子初级永磁直线电机模型包括有双动子初级永磁直线电机、信号采样和控制单元以及五相电压源型逆变器，所述双动子初级永磁直线电机的输出端电性连接信号采样和控制单元的输入端，所述信号采样和控制单元的输出端电性连接五相电压源型逆变器的输入端，所述五相电压源型逆变器的输出端电性连接双动子初级永磁直线电机的输入端和信号采样和控制单元的输入端。

3.根据权利要求2所述的一种基于双层定位的五桥臂双动子初级永磁直线电机模型预测电流控制方法，其特征在于，所述双动子初级永磁直线电机中两个电机动子的结构和参数均相同。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种基于双层定位的五桥臂双动子初级永磁直线电机模型预测电流控制方法，其特征在于，在所述步骤S2中，计算出所述两个电机动子在αβ坐标系下的参考电压矢量，具体如下：

S2.1：通过所述两个电机动子的AB相电流和动子角度，计算所述两个电机动子在两相旋转坐标系下的电流，具体为：

其中：i_d1为第一个电机动子在两相旋转坐标系中d轴电流，i_q1为第一个电机动子在两相旋转坐标系中q轴电流，i_d2为第二个电机动子在两相旋转坐标系中d轴电流，i_q2为第二个电机动子在两相旋转坐标系中q轴电流，θ_e1为第一个电机动子的动子角度，θ_e2为第二个电机动子的动子角度，i_a1为第一个电机动子的A相电流，i_b1为第一个电机动子的B相电流，i_a2为第二个电机动子的A相电流，i_b2为第二个电机动子的B相电流；

S2.2：根据所述两个电机动子在两相旋转坐标系下的电流和参考电流以及动子运行速度，计算出所述两个电机动子在αβ坐标系下的参考电压矢量，具体为：

其中：

为第一个电机动子在α坐标系下的参考电压矢量，

为第一个电机动子在β坐标系下的参考电压矢量，

为第二个电机动子在α坐标系下的参考电压矢量，

为第二个电机动子在β坐标系下的参考电压矢量，θ_e1为第一个电机动子的动子角度，θ_e2为第二个电机动子的动子角度，R_s为动子电阻，i_d1为第一个电机动子在两相旋转坐标系中d轴电流，i_q1为第一个电机动子在两相旋转坐标系中q轴电流，i_d2为第二个电机动子在两相旋转坐标系中d轴电流，i_q2为第二个电机动子在两相旋转坐标系中q轴电流，L_s为动子电感，T_s为控制器的运算周期，

为第一个电机动子在两相旋转坐标系中d轴参考电流，

第一个电机动子在两相旋转坐标系中q轴参考电流，

为第二个电机动子在两相旋转坐标系中d轴参考电流，

为第二个电机动子在两相旋转坐标系中q轴参考电流，v_m1为第一个电机动子的动子运行速度，v_m2为第二个电机动子的动子运行速度，τ为定子极距，ψ_pm为动子永磁体磁链。

5.根据权利要求4所述的一种基于双层定位的五桥臂双动子初级永磁直线电机模型预测电流控制方法，其特征在于，在所述步骤S3中，进行电机层定位并选择对应的全局最优控制矢量，具体为：

将所述两个电机动子在αβ坐标系下的参考电压矢量投影到固定的全局最优空间电压矢量分布图中，所述全局最优空间电压矢量分布图包括有固定的空间电压矢量U₀～U₇，同时所述全局最优空间电压矢量分布图将αβ平面区间划分为七个扇区Sector0～Sector6，所述扇区Sector1～Sector6对应着空间电压矢量U₁～U₆，所述扇区Sector0对应着空间电压矢量(U₀,U₇)，所述两个电机动子在αβ坐标系下的参考电压矢量所在扇区对应的空间电压矢量，即为对应的全局最优控制矢量。

6.根据权利要求5所述的一种基于双层定位的五桥臂双动子初级永磁直线电机模型预测电流控制方法，其特征在于，所述空间电压矢量U₁～U₆为有效电压矢量，所述空间电压矢量(U₀,U₇)为零矢量。

7.根据权利要求5所述的一种基于双层定位的五桥臂双动子初级永磁直线电机模型预测电流控制方法，其特征在于，当所述αβ坐标系下的参考电压矢量所在扇区为扇区Sector0时，所述五相电压源型逆变器的控制信号的选择遵循使逆变器动作次数最少的原则。

8.根据权利要求1所述的一种基于双层定位的五桥臂双动子初级永磁直线电机模型预测电流控制方法，其特征在于，通过所述两个电机动子在αβ坐标系下的参考电压矢量，确定出所述五相电压源型逆变器的控制信号，具体如下：

第一步：将所述两个电机动子在αβ坐标系下的参考电压矢量投影到固定的限制集最优空间电压矢量分布图中，进行系统层定位，并根据所述两个电机动子在αβ坐标系下的参考电压矢量的位置，确定出两个电机动子对应的局部最优控制矢量，具体为：

其中：V′_op1为第一个电机动子对应的局部最优控制矢量，V′_op2为第二个电机动子对应的局部最优控制矢量，k′_a1为第一个电机动子对应的局部最优控制矢量的A相状态，k′_b1为第一个电机动子对应的局部最优控制矢量的B相状态，k′_c1为第一个电机动子对应的局部最优控制矢量的C相状态，k′_a2为第二个电机动子对应的局部最优控制矢量的A相状态，k′_b2为第二个电机动子对应的局部最优控制矢量的B相状态，k′_c2为第二个电机动子对应的局部最优控制矢量的C相状态；

第二步：所述两个电机动子对应的局部最优控制矢量和全局最优控制矢量，构成两个五相电压源型逆变器的驱动信号，具体为：

其中：k_a1为第一个电机动子对应的全局最优控制矢量的A相状态，k_b1为第一个电机动子对应的全局最优控制矢量的B相状态，k_c1为第一个电机动子对应的全局最优控制矢量的C相状态，k′_a2为第二个电机动子对应的局部最优控制矢量的A相状态，k′_b2为第二个电机动子对应的局部最优控制矢量的B相状态，k′_a1为第一个电机动子对应的局部最优控制矢量的A相状态，k′_b1为第一个电机动子对应的局部最优控制矢量的B相状态，k_c2为第二个电机动子对应的全局最优控制矢量的C相状态，k_b2为第二个电机动子对应的全局最优控制矢量的B相状态，k_a2为第二个电机动子对应的全局最优控制矢量的A相状态；

第三步：根据所述两个五相电压源型逆变器的驱动信号，计算在αβ坐标系下引起的电压偏差，具体为：

其中：λ₁为第一个五相电压源型逆变器驱动信号在αβ坐标系下引起的电压偏差，λ₂为第二个五相电压源型逆变器驱动信号在αβ坐标系下引起的电压偏差，

为第一个电机动子在α坐标系下的参考电压矢量，

为第一个电机动子在β坐标系下的参考电压矢量，

为第二个电机动子在α坐标系下的参考电压矢量，

为第二个电机动子在β坐标系下的参考电压矢量，V′_op1为第一个电机动子对应的局部最优控制矢量，V′_op2为第二个电机动子对应的局部最优控制矢量，V_op1为第一个电机动子对应的全局最优控制矢量，V_op2为第二个电机动子对应的全局最优控制矢量；

第四步：将两个五相电压源型逆变器驱动信号在αβ坐标系下引起的电压偏差进行比较，选出最小电压偏差，最小电压偏差对应的五相电压源型逆变器的驱动信号即为最终的五相电压源型逆变器的驱动信号。

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