CN111327242B - 一种三电平永磁同步电机无模型预测电流控制方法 - Google Patents

一种三电平永磁同步电机无模型预测电流控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明的一种三电平永磁同步电机无模型预测电流控制方法，首先获取k时刻的三相电流、转子电角度、给定转速以及k‑1时刻的三相电流和开关状态；然后计算第k个采样周期内作用矢量的dq轴电流差，并根据不同基本电压矢量间的关系计算同向和反向的基本电压矢量所对应的dq轴电流差，并更新电流差查找表；然后计算k+1时刻dq轴电流的预测值，并通过滚动优化输出使价值函数最小的基本电压矢量；最后，通过中点电位平衡控制选出最优逆变器开关状态驱动电机。本发明不需要电阻、磁链和电感参数参与运算，能够有效降低模型失配对系统性能的影响，此外，在一个采样周期内能够更新多个电流差，有效地提高了电流差的更新频率，而且兼顾了中点电位的平衡。

Description

一种三电平永磁同步电机无模型预测电流控制方法
技术领域
本发明涉及一种三电平永磁同步电机无模型预测电流控制方法，属于电机驱动及控制领域。
背景技术
模型预测电流控制(Modelpredictive current control,MPCC)以其响应速度快、多目标优化、原理简单等特点受到了研究者们的广泛关注。一般而言，传统的MPCC方案通过最小化价值函数来直接选择最优的开关状态，从而保障了良好的电流跟踪性能。然而MPCC方案的电流跟踪精度主要取决于精确的电机参数，包括定子电阻、dq轴电感和永磁体磁链。因此，基于模型的MPCC方案受电机参数模型影响较大，参数的不确定性必然会导致MPCC性能下降。所以，为了降低参数的不确定性对系统控制性能的影响，已提出一种基于电流差检测的无模型预测电流控制(Model-free predictive current control,MFPCC)算法。
MFPCC算法通过采用过去时刻被储存在电流差查找表中的不同开关状态下的电流差和当前电流状态来取代基于模型的电流预测，不需要任何的电机参数参与运算，因此具有很强的参数鲁棒性，而且MFPCC算法通过简单的加减运算取代了传统的MPCC算法中复杂的乘除运算，从而极大地减少了数字处理器的计算负担。然而MFPCC算法的稳定运行依赖于高精度的电流差，因此需要较高的电流差更新频率。但是，由于三电平逆变器存在27个基本电压矢量，导致其电流差更新频率要远低于两电平逆变器。所以，为提高三电平逆变器的电流差更新频率，可采用一种电流差强制更新算法，即设置一个最小的电流差更新周期，当一个开关状态在该周期内没有被应用时，则强制输出未使用的开关状态。但是该强制更新算法是以牺牲价值函数的最优输出和增大电流纹波为代价实现的。
发明内容
技术问题：针对上述现有技术，提出一种三电平永磁同步电机无模型预测电流控制方法，能够在保证价值函数最优输出的前提下有效地提高电流差的更新频率，同时兼顾了中点电位的平衡。
技术方案：一种三电平永磁同步电机无模型预测电流控制方法，包括如下步骤：
步骤1：将给定转速
Figure BDA0002440136650000021
和实际转速Nr通过转速外环PI控制器得到(k+1)时刻的参考q轴电流
Figure BDA0002440136650000022
并给定d轴电流参考
Figure BDA0002440136650000023
步骤2：从编码器中得到永磁同步电机的电角度θ，并获取(k-1)时刻和k时刻的三相定子电流is(k-1)和is(k)，s＝a，b，c，然后对三相定子电流做过Clark变换和Park变换后得到(k-1)时刻和k时刻定子电流在dq轴的分量id(k-1)、iq(k-1)和id(k)、iq(k)；
步骤3：利用电流差计算模块获取(k-1)时刻基本电压矢量作用下的dq轴电流差Δid|Sk-1和Δiq|Sk-1，并获取与(k-1)时刻作用矢量同向和反向的基本电压矢量所对应的dq轴电流差，再更新电流差查找表；
步骤4：通过电流预测模块并结合电流差查找表对(k+1)时刻不同开关状态下的dq轴电流进行预测，得到预测值id(k+1)|Sj和iq(k+1)|Sj；
步骤5：通过价值函数的滚动优化输出使价值函数最小的基本电压矢量umin；
步骤6：通过中点电位平衡模块输出最优开关状态Sabc驱动逆变器。
进一步的，步骤1中，将给定转速
Figure BDA0002440136650000024
与实际转速Nr的差值en输入转速外环PI控制器，根据公式(1)获得所述参考q轴电流
Figure BDA0002440136650000025
Figure BDA0002440136650000026
其中，kp和ki分别为转速外环PI控制器的比例增益和积分增益，s为复变量。
进一步的，步骤2中，通过电流传感器分别测量所述(k-1)时刻和k时刻的三相定子电流is(k-1)和is(k)(s＝a，b，c)，经公式(2)的Clark变换后得到(k-1)时刻和k时刻定子电流的αβ轴分量iα(k-1)、iβ(k-1)和iα(k)、iβ(k)，再经公式(3)的Park变换后得到所述(k-1)时刻和k时刻定子电流在dq轴的分量id(k-1)、iq(k-1)和id(k)、iq(k)；
Figure BDA0002440136650000027
Figure BDA0002440136650000028
进一步的，步骤3中，所述(k-1)时刻基本电压矢量作用下的dq轴电流差Δid|Sk-1和Δiq|Sk-1通过公式(4)计算获取，Sk-1表示(k-1)时刻的开关状态，Sk-1∈{S1,S2,…,S27}；
所述与(k-1)时刻作用矢量同向和反向的基本电压矢量所对应的dq轴电流差计算方法如下：
步骤A：零矢量所对应的开关状态分别为S25，S26，S27，判断Sk-1所对应的基本电压矢量是否为零矢量，如果是，则不计算与(k-1)时刻作用矢量同向和反向的基本电压矢量所对应的dq轴电流差，否则执行下一步；
步骤B：根据公式(5)将基本电压矢量的作用效果分为两部分，即零矢量作用下dq轴电流的自然衰减δid0、δiq0和有源矢量作用下dq轴电流的强制响应δid|Sj、δiq|Sj，当Sj＝S25，S26，S27时δid|Sj＝0、δiq|Sj＝0；然后，将NPC三电平逆变器的空间电压矢量以同一直线方向上的基本电压矢量为一类分为6个类别，判断Sk-1所对应的基本电压矢量的类别号m(m＝1,2,…,6)，中矢量对应的类别号为2，4，6，小矢量和大矢量对应的类别号为1，3，5；如果m＝2，4，6，即Sk-1所对应的基本电压矢量为中矢量，中矢量所对应的开关状态分别为S4，S8，S12，S16，S20，S24，结合公式(4)和公式(6)计算同一类别中矢量作用下的dq轴电流差；
步骤C：如果m＝1，3，5，即Sk-1所对应的基本电压矢量为小矢量或大矢量，小矢量所对应的开关状态分别为S1，S2，S5，S6，S9，S10，S13，S14，S17，S18，S21，S22；大矢量所对应的开关状态分别为S3，S7，S11，S15，S19，S23，结合公式(4)和公式(7)获得同一类别小矢量和大矢量作用下的dq轴电流差；
Figure BDA0002440136650000031
Figure BDA0002440136650000032
Figure BDA0002440136650000033
Figure BDA0002440136650000041
其中，Δid|Sj、Δiq|Sj分别为开关状态Sj作用下的dq轴电流差；id、iq分别为定子电流在dq轴的分量；Ld、Lq分别为dq轴的电感分量；ψf为永磁体磁链；R表示定子电阻；Ts表示采样周期；ωe表示电角速度，ωe＝dθ/dt；ud|Sj和uq|Sj分别表示开关状态Sj作用下的dq轴定子电压分量；Sj表示开关状态，j＝1,2,…,27；
步骤D：将计算的不同开关状态下的dq轴电流差存入一张包含27个不同开关状态的电流差查找表中并替换掉表中同开关状态的原始数据，完成电流差查找表的更新。
进一步的，步骤4具体包括：首先从电流差查找表中获取不同开关状态下的dq轴电流差Δid|Sj和Δiq|Sj；然后根据公式(8)计算(k+1)时刻不同开关状态下的dq轴的电流预测值id(k+1)|Sj和iq(k+1)|Sj；
Figure BDA0002440136650000042
进一步的，步骤5具体包括：首先将所述
Figure BDA0002440136650000043
id(k+1)|Sj和iq(k+1)|Sj送入价值函数(9)中获取不同开关状态Sj下的价值函数输出gj＝{g1,g2,…,g27}；然后，通过公式(10)获得最小化的价值函数输出gmin，则umin即为满足gmin的基本电压矢量；
Figure BDA0002440136650000044
gmin＝min{g1,g2,...,g27} (10)。
进一步的，步骤6具体包括：首先判断所述umin是否为小矢量，如果不是小矢量，则输出umin所对应的开关状态为最优开关状态，如果umin为小矢量，则判断当前中点电压U0的状态；然后，根据U0的状态选择要使用的正负冗余小矢量，预先定义中点电压允许波动的范围W，当U0>|W|，负小矢量下的开关状态将作为最优开关状态Sabc输出，当U0<-|W|，正小矢量下的开关状态将作为最优开关状态Sabc输出，否则继续输出umin所对应的开关状态。
有益效果：本发明基于NPC三电平逆变器供电的永磁同步电动机，构建了以电流差查找表为基础的电流预测模型，避免了电机参数参与运算，提高了参数的鲁棒性，同时通过电流差查找表和当前电流信息的加法运算取代了电流预测模型中复杂的乘除运算，从而降低了计算负担，此外，本发明也兼顾了NPC三电平逆变器中点电位的平衡。
附图说明
图1为本发明提供的三电平永磁同步电机无模型预测电流控制原理图；
图2为本发明提供的三电平永磁同步电机无模型预测电流控制流程图；
图3为本发明提供的NPC三电平逆变器空间电压矢量分类图；
图4为MPCC算法和本发明提出的MFPCC算法的q轴电流跟踪性能仿真图，图4(a)为准确参数条件下的电流跟踪仿真，图4(b)为电阻增加50％条件下的电流跟踪仿真，图4(c)为dq轴电感增加50％条件下的电流跟踪仿真，图4(d)为MFPCC算法的电流跟踪仿真；
图5为三电平永磁同步电机无模型预测电流控制中点电位平衡仿真图，图5(a)为中点电位平衡前后的A相电流仿真，图5(b)为中点电位平衡前后的中点电压仿真。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
一种三电平永磁同步电机无模型预测电流控制原理图如图1所示，包括转速外环PI控制器模块1、最小化价值函数模块2、中点电位平衡模块3、NPC三电平逆变器模块4、永磁同步电机模块5、编码器模块6、电流差计算模块7、电流差查找表模块8和电流预测模块9。
如图2所示，本方法包括如下步骤：
步骤1：根据转速外环PI控制器得到(k+1)时刻的参考q轴电流
Figure BDA0002440136650000051
将给定转速
Figure BDA0002440136650000052
与实际转速Nr的差值en输入转速外环PI控制器，根据公式(1)获得(k+1)时刻的参考q轴电流
Figure BDA0002440136650000053
Figure BDA0002440136650000061
其中，kp和ki分别为转速PI控制器的比例增益和积分增益，s为复变量。
步骤2：从编码器中获取永磁同步电机的电角度θ；再通过电流传感器分别测量永磁同步电机在(k-1)时刻和k时刻的三相定子电流is(k-1)和is(k)，s＝a，b，c，经公式(2)的Clark变换后得到(k-1)时刻和k时刻定子电流的αβ轴分量iα(k-1)、iβ(k-1)和iα(k)、iβ(k)，再经公式(3)的Park变换后得到k-1时刻和k时刻定子电流的dq轴分量id(k-1)、iq(k-1)和id(k)、iq(k)；
Figure BDA0002440136650000062
Figure BDA0002440136650000063
步骤3：利用电流差计算模块获取(k-1)时刻基本电压矢量作用下的dq轴电流差Δid|Sk-1和Δiq|Sk-1，并获取与(k-1)时刻作用矢量同向和反向的基本电压矢量所对应的dq轴电流差，再更新电流差查找表。
其中，(k-1)时刻基本电压矢量作用下的dq轴电流差Δid|Sk-1和Δiq|Sk-1通过公式(4)计算获取，Sk-1表示(k-1)时刻的开关状态，Sk-1∈{S1,S2,…,S27}。与(k-1)时刻作用矢量同向和反向的基本电压矢量所对应的dq轴电流差计算方法如下：
步骤A：零矢量所对应的开关状态分别为S25，S26，S27，判断Sk-1所对应的基本电压矢量是否为零矢量，如果是，则不计算与(k-1)时刻作用矢量同向和反向的基本电压矢量所对应的dq轴电流差，否则执行下一步。
步骤B：根据公式(5)将基本电压矢量的作用效果分为两部分，即零矢量作用下dq轴电流的自然衰减δid0、δiq0和有源矢量作用下dq轴电流的强制响应δid|Sj、δiq|Sj，当Sj＝S25，S26，S27时δid|Sj＝0、δiq|Sj＝0。然后，如图3所示将NPC三电平逆变器的空间电压矢量以同一直线方向上的基本电压矢量为一类分为6个类别，判断Sk-1所对应的基本电压矢量的类别号m(m＝1,2,…,6)，中矢量对应的类别号为2，4，6，小矢量和大矢量对应的类别号为1，3，5。如果m＝2，4，6，即Sk-1所对应的基本电压矢量为中矢量，中矢量所对应的开关状态分别为S4，S8，S12，S16，S20，S24，结合公式(4)和公式(6)计算同一类别中矢量作用下的dq轴电流差。
步骤C：如果m＝1，3，5，即Sk-1所对应的基本电压矢量为小矢量或大矢量，小矢量所对应的开关状态分别为S1，S2，S5，S6，S9，S10，S13，S14，S17，S18，S21，S22；大矢量所对应的开关状态分别为S3，S7，S11，S15，S19，S23，结合公式(4)和公式(7)获得同一类别小矢量和大矢量作用下的dq轴电流差。
Figure BDA0002440136650000071
Figure BDA0002440136650000072
Figure BDA0002440136650000073
Figure BDA0002440136650000074
其中，Δid|Sj、Δiq|Sj分别为开关状态Sj作用下的dq轴电流差；id、iq分别为定子电流在dq轴的分量；Ld、Lq分别为dq轴的电感分量；ψf为永磁体磁链；R表示定子电阻；Ts表示采样周期；ωe表示电角速度，ωe＝dθ/dt；ud|Sj和uq|Sj分别表示开关状态Sj作用下的dq轴定子电压分量；Sj表示开关状态，j＝1,2,…,27；
步骤D：将上述计算的不同开关状态下的dq轴电流差存入一张包含27个不同开关状态的电流差查找表中并替换掉表中同开关状态的原始数据，完成电流差查找表的更新。
步骤4：通过电流预测模块并结合电流差查找表对(k+1)时刻不同开关状态下的dq轴电流进行预测，具体方法为：首先从电流差查找表中获取不同开关状态下dq轴电流差Δid|Sj和Δid|Sj；然后根据公式(8)计算(k+1)时刻不同开关状态下dq轴的电流预测值id(k+1)|Sj和iq(k+1)|Sj。
Figure BDA0002440136650000081
步骤5：通过价值函数的滚动优化输出使价值函数最小的基本电压矢量umin，具体方法为：首先将
Figure BDA0002440136650000082
id(k+1)|Sj和iq(k+1)|Sj送入价值函数(9)中获取不同Sj下的价值函数输出gj＝{g1,g2,…,g27}；然后，通过公式(10)获得最小化的价值函数输出gmin，则umin即为满足gmin的基本电压矢量。
Figure BDA0002440136650000083
gmin＝min{g1,g2,...,g27} (10)
步骤6：通过中点电位平衡模块输出最优开关状态Sabc驱动逆变器，具体方法为：首先判断步骤5所获得的umin是否为小矢量，如果不是小矢量，则输出umin所对应的开关状态为最优开关状态，如果umin为小矢量，则判断当前中点电压U0的状态，U0可通过电压传感器获取；然后，根据U0的状态选择要使用的正负冗余小矢量，预先定义中点电压允许波动的范围W，当U0>|W|，负小矢量下的开关状态将作为最优开关状态Sabc输出，当U0<-|W|，正小矢量下的开关状态将作为最优开关状态Sabc输出，否则继续输出umin所对应的开关状态。
本发明方法首先获取k-1时刻和k时刻的三相定子电流is(k-1)和is(k)(s＝a，b，c)，转子电角度θ和中点电压U0；然后通过PI控制器获取(k+1)时刻的参考q轴电流
Figure BDA0002440136650000084
并给定d轴电流参考
Figure BDA0002440136650000085
经步骤2得到(k-1)时刻和k时刻定子电流在dq轴的分量id(k-1)、iq(k-1)和id(k)、iq(k)；然后经过步骤3更新电流差查找表；再通过步骤4并结合步骤3所更新的电流差查找表计算k+1时刻的dq轴电流预测值，将其代入步骤5的价值函数中进行滚动优化输出使价值函数最小的基本电压矢量umin；最后，通过中点电位平衡模块输出最优开关状态Sabc驱动逆变器。
一种三电平永磁同步电机无模型预测电流控制仿真结果如图4、图5所示。从图4(a)可以看出在准确的电机参数条件下实际电流能够很好的跟踪参考电流，而从图4(b)和图4(c)可以看出，随着电机参数的变化q轴电流的跟踪性能将被恶化，而图4(d)中本发明所提出的MFPCC方法由于不需要任何电机参数参与运算，因此，能够一直保持良好的q轴电流跟踪性能。图5所示为中点电位抑制前后的仿真对比，可以看出本发明所提出的控制算法也能够很好地抑制中点电位的波动。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种三电平永磁同步电机无模型预测电流控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将给定转速Nr ref和实际转速Nr通过转速外环PI控制器得到(k+1)时刻的参考q轴电流iq ref(k+1)，并给定d轴电流参考id ref(k+1)＝0；
步骤2：从编码器中得到永磁同步电机的电角度θ，并获取(k-1)时刻和k时刻的三相定子电流is(k-1)和is(k)，s＝a，b，c，然后对三相定子电流做过Clark变换和Park变换后得到(k-1)时刻和k时刻定子电流在dq轴的分量id(k-1)、iq(k-1)和id(k)、iq(k)；
步骤3：利用电流差计算模块获取(k-1)时刻基本电压矢量作用下的dq轴电流差Δid|Sk-1和Δiq|Sk-1，并获取与(k-1)时刻作用矢量同向和反向的基本电压矢量所对应的dq轴电流差，再更新电流差查找表；
步骤4：通过电流预测模块并结合电流差查找表对(k+1)时刻不同开关状态下的dq轴电流进行预测，得到预测值id(k+1)|Sj和iq(k+1)|Sj；
步骤5：通过价值函数的滚动优化输出使价值函数最小的基本电压矢量umin；
步骤6：通过中点电位平衡模块输出最优开关状态Sabc驱动逆变器；
步骤3中，所述(k-1)时刻基本电压矢量作用下的dq轴电流差Δid|Sk-1和Δiq|Sk-1通过公式(4)计算获取，Sk-1表示(k-1)时刻的开关状态，Sk-1∈{S1,S2,…,S27}；
所述与(k-1)时刻作用矢量同向和反向的基本电压矢量所对应的dq轴电流差计算方法如下：
步骤A：零矢量所对应的开关状态分别为S25，S26，S27，判断Sk-1所对应的基本电压矢量是否为零矢量，如果是，则不计算与(k-1)时刻作用矢量同向和反向的基本电压矢量所对应的dq轴电流差，否则执行下一步；
步骤B：根据公式(5)将基本电压矢量的作用效果分为两部分，即零矢量作用下dq轴电流的自然衰减δid0、δiq0和有源矢量作用下dq轴电流的强制响应δid|Sj、δiq|Sj，当Sj＝S25，S26，S27时δid|Sj＝0、δiq|Sj＝0；然后，将NPC三电平逆变器的空间电压矢量以同一直线方向上的基本电压矢量为一类分为6个类别，判断Sk-1所对应的基本电压矢量的类别号m，m＝1,2,…,6，中矢量对应的类别号为2，4，6，小矢量和大矢量对应的类别号为1，3，5；如果m＝2，4，6，即Sk-1所对应的基本电压矢量为中矢量，中矢量所对应的开关状态分别为S4，S8，S12，S16，S20，S24，结合公式(4)和公式(6)计算同一类别中矢量作用下的dq轴电流差；
步骤C：如果m＝1，3，5，即Sk-1所对应的基本电压矢量为小矢量或大矢量，小矢量所对应的开关状态分别为S1，S2，S5，S6，S9，S10，S13，S14，S17，S18，S21，S22；大矢量所对应的开关状态分别为S3，S7，S11，S15，S19，S23，结合公式(4)和公式(7)获得同一类别小矢量和大矢量作用下的dq轴电流差；
Figure FDA0003072501750000021
Figure FDA0003072501750000022
Figure FDA0003072501750000023
Figure FDA0003072501750000024
其中，Δid|Sj、Δiq|Sj分别为开关状态Sj作用下的dq轴电流差；id、iq分别为定子电流在dq轴的分量；Ld、Lq分别为dq轴的电感分量；ψf为永磁体磁链；R表示定子电阻；Ts表示采样周期；ωe表示电角速度，ωe＝dθ/dt；ud|Sj和uq|Sj分别表示开关状态Sj作用下的dq轴定子电压分量；Sj表示开关状态，j＝1,2,…,27；
步骤D：将计算的不同开关状态下的dq轴电流差存入一张包含27个不同开关状态的电流差查找表中并替换掉表中同开关状态的原始数据，完成电流差查找表的更新。
2.根据权利要求1所述的一种三电平永磁同步电机无模型预测电流控制方法，其特征在于，步骤1中，将给定转速Nr ref与实际转速Nr的差值en输入转速外环PI控制器，根据公式(1)获得所述参考q轴电流iq ref(k+1)；
Figure FDA0003072501750000031
其中，kp和ki分别为转速外环PI控制器的比例增益和积分增益，s为复变量。
3.根据权利要求1所述的一种三电平永磁同步电机无模型预测电流控制方法，其特征在于，步骤2中，通过电流传感器分别测量所述(k-1)时刻和k时刻的三相定子电流is(k-1)和is(k)，s＝a，b，c，经公式(2)的Clark变换后得到(k-1)时刻和k时刻定子电流的αβ轴分量iα(k-1)、iβ(k-1)和iα(k)、iβ(k)，再经公式(3)的Park变换后得到所述(k-1)时刻和k时刻定子电流在dq轴的分量id(k-1)、iq(k-1)和id(k)、iq(k)；
Figure FDA0003072501750000032
Figure FDA0003072501750000033
4.根据权利要求1所述的一种三电平永磁同步电机无模型预测电流控制方法，其特征在于，步骤4具体包括：首先从电流差查找表中获取不同开关状态下的dq轴电流差Δid|Sj和Δiq|Sj；然后根据公式(8)计算(k+1)时刻不同开关状态下的dq轴的电流预测值id(k+1)|Sj和iq(k+1)|Sj；
Figure FDA0003072501750000034
5.根据权利要求1所述的一种三电平永磁同步电机无模型预测电流控制方法，其特征在于，步骤5具体包括：首先将所述id ref(k+1)、iq ref(k+1)、id(k+1)|Sj和iq(k+1)|Sj送入价值函数(9)中获取不同开关状态Sj下的价值函数输出gj＝{g1,g2,…,g27}；然后，通过公式(10)获得最小化的价值函数输出gmin，则umin即为满足gmin的基本电压矢量；
Figure FDA0003072501750000041
gmin＝min{g1,g2,...,g27} (10)。
6.根据权利要求1所述的一种三电平永磁同步电机无模型预测电流控制方法，其特征在于，步骤6具体包括：首先判断所述umin是否为小矢量，如果不是小矢量，则输出umin所对应的开关状态为最优开关状态，如果umin为小矢量，则判断当前中点电压U0的状态；然后，根据U0的状态选择要使用的正负冗余小矢量，预先定义中点电压允许波动的范围W，当U0>|W|，负小矢量下的开关状态将作为最优开关状态Sabc输出，当U0<-|W|，正小矢量下的开关状态将作为最优开关状态Sabc输出，否则继续输出umin所对应的开关状态。
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