CN111969916A - 一种多电流差更新的永磁同步电机无模型预测电流控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种多电流差更新的永磁同步电机无模型预测电流控制方法，首先，通过电流传感器以及编码器获取k时刻的三相定子电流、转子电角度和实际转速，并获取k‑1时刻的三相定子电流；然后，通过坐标变换获取k时刻和k‑1时刻的dq轴的定子电流，并经过电流差计算模块获取k时刻的dq轴电流差；再根据k时刻的dq轴电流差计算同向和反向电压矢量所对应的电流差并更新电流差查找表；然后通过无模型预测方程计算k+1时刻的电流预测值；最后，通过价值函数的滚动优化获取驱动逆变器的最优电压矢量。本发明专利能够实现再一个控制周期内同时更新多个电流差，确保电流差查找表的可靠性，同时通过强制更新确保了零矢量电流差的可靠性。

Description

一种多电流差更新的永磁同步电机无模型预测电流控制方法
技术领域
本发明涉及一种多电流差更新的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
永磁同步电机(Permanent magnet synchronous motor，PMSM)具有体积小、功率和效率高、发热低、可靠性高等特点，因此广泛应用于冶金、机械加工、伺服控制、汽车等领域。传统的PMSM的控制方法有矢量控制和直接转矩控制，然而矢量控制的坐标变化复杂、PI参数的调节繁琐，而直接转矩控制的低速性能差、实时性要求高，因此一种结构简单、可实现多目标优化、响应速度快的模型预测电流控制(Model predictive current control,MPCC)受到了研究者们的广泛关注。
一般而言，MPCC通过电机的数学模型来预测下一时刻的电流状态，然后通过价值函数的滚动优化来输出控制系统的最优开关状态，来保证系统的控制性能。然而，MPCC方案要求较为精确的数学模型来保证预测电流的精度。因此，实际运行过程中电机参数的不确定性必然会导致系统控制性能的下降。所以，一种无模型预测电流控制(Model-freepredictive current control,MFPCC)方法被提出。
MFPCC算法通过储存在电流差查找表中的电流差和当前电流状态的加法运算取代MPCC中包含电机参数和复杂乘除运算的电流预测模型，能够极大地提高系统的参数鲁棒性，同时降低系统的计算负担。但是，MFPCC算法要求精确的电流差来保证预测电流的准确性，因此，需要较高的电流差更新频率。
发明内容
技术问题：针对上述现有技术，提出一种多电流差更新的永磁同步电机无模型预测电流控制方法，能够有效提高电流差的更新频率，实现一个控制周期内同时更新两个不同电压矢量所对应的电流差。
技术方案：一种多电流差更新的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Nr ref和编码器测得的实际转速Nr之间的偏差经过转速环的PI控制器得到(k+1)时刻的q轴电流参考值iq ref(k+1)，并给定d轴电流的参考值id ref(k+1)＝0；
步骤2：通过电流传感器获取(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；然后通过Clark变换获取(k-1)时刻和k时刻αβ轴的定子电流；再通过编码器获取k时刻的转子电角度θ，并通过Park变化计算(k-1)时刻和k时刻的dq轴定子电流id(k-1)、iq(k-1)和id(k)、iq(k)；
步骤3：将id(k-1)、iq(k-1)、id(k)和iq(k)送入dq轴电流差计算模块获取k时刻电压矢量V(k)作用下的dq轴定子电流差Δid|V(k)和Δiq|V(k)；
步骤4：将Δid|V(k)和Δiq|V(k)送入电流差查找表更新模块来计算与V(k)反向的电压矢量所对应的定子电流差，并更新电流差查找表；
步骤5：检测零矢量在设定的采样周期内是否被应用，如果没有则强制输出零矢量作为驱动逆变器的基本电压矢量；
步骤6：当零矢量在设定的采样周期内已经被应用，则通过价值函数的滚动优化来获取满足最小化价值函数的基本电压矢量作为控制逆变器的电压矢量。
进一步的，所述步骤1中，将给定转速Nr ref和编码器测得的实际转速Nr之间的偏差en输入转速环的PI控制器，根据公式(1)计算q轴电流的参考值iq ref(k+1)；
Figure BDA0002660304910000021
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。
进一步的，所述步骤2中，Clark变换如公式(2)所示；Park变换如公式(3)所示；
Figure BDA0002660304910000022
Figure BDA0002660304910000023
其中，iα(k-1)、iβ(k-1)为(k-1)时刻αβ轴的定子电流，iα(k)和iβ(k)为k时刻αβ轴的定子电流。
进一步的，所述步骤3中，所述dq轴电流差计算模块根据公式(4)获取所述Δid|V(k)和Δiq|V(k)；
Figure BDA0002660304910000031
进一步的，所述步骤4中，所述电流差查找表的更新方法为：
步骤A：判断k时刻电压矢量V(k)是否为零矢量，如果是，则根据公式(5)获取零矢量V0和零矢量V7作用下的dq轴定子电流差Δix|V0、Δix|V7，x∈{d,q}，并更新电流差查找表；如果V(k)不是零矢量，则执行步骤B；
Figure BDA0002660304910000032
步骤B：将矢量Vj(j∈{0,1,2,3,4,5,6,7})作用下的dq轴定子电流差δix|Vj分为零矢量电流差Δix|V0和非零矢量的强制响应δix|Vj两部分，如公式(6)所示，其中，δix|V0＝δix|V7＝0；然后将两电平逆变器的非零基本电压矢量分为3个集合CVS(1)＝{V1,V6}，CVS(2)＝{V2,V5}，CVS(3)＝{V3,V4}并判断V(k)所对应的电压矢量Vj的下标j，然后根据公式(7)计算与Vj在同一集合的另一个电压矢量所对应的电流差Δix|Vm，其中m+j＝7，Δix|V0为储存在电流差查找表中的值；最后将Δix|Vj和Δix|Vm送入电流差查找表去替换原先值，完成电流差查找表的更新；
Figure BDA0002660304910000033
Figure BDA0002660304910000034
其中，x∈{d,q}。
进一步的，所述步骤5中，强制输出零矢量作为驱动逆变器的基本电压矢量的方法为：首先设定零矢量的最小更新周期数n0_period，然后判断在n0_period个采样周期内是否输出过零矢量作为控制逆变器的电压矢量，如果是，则不强制输出零矢量；否则，直接输出零矢量作为控制逆变器的电压矢量。
进一步的，所述步骤6中，通过价值函数的滚动优化来获取满足最小化价值函数的基本电压矢量作为控制逆变器的电压矢量方法为：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)|Vj和iq(k+1)|Vj；然后通过公式(9)计算价值函数的输出gj(j∈{0,1,2,3,4,5,6,7})；最后通过公式(10)获得最小的价值函数输出gmin，则Vmin即为作用于逆变器的基本电压矢量；
Figure BDA0002660304910000041
Figure BDA0002660304910000042
gmin＝min{g0,g1,g2,g3,g4,g5,g6,g7} (10)
其中，δix|Vj为矢量Vj(j∈{0,1,2,3,4,5,6,7})作用下的dq轴定子电流差，x∈{d,q}。
有益效果：本发明基于两电平逆变器供电的内嵌式永磁同步电动机，通过建立基于电流差和电流累加操作的电流预测方程来取代基于电机参数的复杂预测模型，有效地提高了系统的参数鲁棒性，降低了系统的计算负担。其次，为了保证电流差的快速更新，提出了一种多电流差更新方法，能够实现在一个控制周期内的同时更新两个不同的电流差。
附图说明
图1为本发明提供的控制原理图；
图2为本发明提供的控制流程图；
图3为多电流差更新的PMSM无模型预测电流控制稳态仿真图；
图4为多电流差更新的PMSM无模型预测电流控制的q轴电流跟踪性能仿真图。
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。
一种多电流差更新的永磁同步电机无模型预测电流控制方法原理图如图1所示，包括转速环PI控制器模块1、价值函数模块2、两电平逆变器模块3、预测电流模型4、电流差查找表5、dq轴电流差计算模块6、坐标变换模块7、PMSM模块8、编码器模块9。
如图2所示，本方法包括如下步骤：
步骤1：根据转速环PI控制器q轴电流的参考值iq ref(k+1)：
将给定转速Nr ref和编码器测得的实际转速Nr之间的偏差en输入转速环的PI控制器，根据公式(1)计算(k+1)时刻的q轴电流的参考值iq ref(k+1)，并给定d轴电流的参考值id ref(k+1)＝0；
Figure BDA0002660304910000051
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：通过电流传感器获取(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；然后通过公式(2)所示的Clark变换获取(k-1)时刻和k时刻αβ轴的定子电流；再通过编码器获取k时刻的转子电角度θ，并通过公式(3)所示的Park变化计算(k-1)时刻和k时刻的dq轴定子电流id(k-1)、iq(k-1)和id(k)、iq(k)；
Figure BDA0002660304910000052
Figure BDA0002660304910000053
其中，iα(k-1)、iβ(k-1)为(k-1)时刻αβ轴的定子电流，iα(k)和iβ(k)为k时刻αβ轴的定子电流。
步骤3：将id(k-1)、iq(k-1)、id(k)和iq(k)送入dq轴电流差计算模块，根据公式(4)获取k时刻电压矢量V(k)作用下的dq轴定子电流差Δid|V(k)和Δiq|V(k)；
Figure BDA0002660304910000054
步骤4：将Δid|V(k)和Δiq|V(k)送入电流差查找表更新模块来计算与V(k)反向的电压矢量所对应的定子电流差，并更新电流差查找表；具体包括如下步骤：
步骤A：判断k时刻电压矢量V(k)是否为零矢量V0或零矢量V7，如果是，则根据公式(5)获取V0和V7作用下的dq轴定子电流差Δix|V0和Δix|V7，x∈{d,q}，并更新电流差查找表；如果V(k)不是零矢量，则执行步骤B；
Figure BDA0002660304910000061
步骤B：将矢量Vj(j∈{0,1,2,3,4,5,6,7})作用下的dq轴定子电流差δix|Vj分为零矢量电流差Δix|V0和非零矢量的强制响应δix|Vj两部分，如公式(6)所示，其中，δix|V0＝δix|V7＝0；然后将两电平逆变器的非零基本电压矢量分为3个集合CVS(1)＝{V1,V6}，CVS(2)＝{V2,V5}，CVS(3)＝{V3,V4}并判断V(k)所对应的电压矢量Vj的下标j，然后根据公式(7)计算与Vj在同一集合的另一个电压矢量所对应的电流差Δix|Vm，其中m+j＝7，Δix|V0为储存在电流差查找表中的值；最后将Δix|Vj和Δix|Vm送入电流差查找表去替换原先的Δix|Vj和Δix|Vm，完成电流差查找表的更新。
Figure BDA0002660304910000062
Figure BDA0002660304910000063
其中，x∈{d,q}。
步骤5：检测零矢量在设定的采样周期内是否被应用，如果没有则强制输出零矢量作为驱动逆变器的基本电压矢量。强制输出零矢量作为驱动逆变器的基本电压矢量的方法为：首先设定零矢量的最小更新周期数n0_period，本实施例设置为100个采样周期，然后判断在n0_period个采样周期内是否输出过零矢量作为控制逆变器的电压矢量，如果是，则不强制输出零矢量；否则，直接输出零矢量作为控制逆变器的电压矢量。
步骤6：当零矢量在设定的采样周期内已经被应用，则通过价值函数的滚动优化来获取满足最小化价值函数的基本电压矢量作为控制逆变器的电压矢量。通过价值函数的滚动优化来获取满足最小化价值函数的基本电压矢量作为控制逆变器的电压矢量方法为：首先，通过步骤5判断是否强制输出零矢量，如果不是则根据公式(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)|Vj和iq(k+1)|Vj；然后通过公式(9)计算价值函数的输出gj(j∈{0,1,2,3,4,5,6,7})；最后通过公式(10)获得最小的价值函数输出gmin，则Vmin即为作用于逆变器的基本电压矢量。
Figure BDA0002660304910000064
Figure BDA0002660304910000071
gmin＝min{g0,g1,g2,g3,g4,g5,g6,g7} (10)
其中，δix|Vj为矢量Vj(j∈{0,1,2,3,4,5,6,7})作用下的dq轴定子电流差，x∈{d,q}。
本发明方法的仿真结果如图3、图4所示。图3(a)和(b)展示了dq电感增大50％的平均电流跟踪误差(MCTE)，3(c)展示了额定参数下的MCTE，3(d)展示了MFPCC的MCTE，可以看出由于MFPCC算法不需要电机参数参与运算，能够获得与3(c)基本相同的电流跟踪性能；图4(a)和(b)展示了MPCC和MFPCC算法的稳态性能，可以看出MFPCC算法能够获得与理想参数下MPCC算法基本相同的良好的稳态性能。
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 (7)

1.一种多电流差更新的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和编码器测得的实际转速Nr之间的偏差经过转速环的PI控制器得到(k+1)时刻的q轴电流参考值iq ref(k+1)，并给定d轴电流的参考值id ref(k+1)＝0；
步骤2：通过电流传感器获取(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；然后通过Clark变换获取(k-1)时刻和k时刻αβ轴的定子电流；再通过编码器获取k时刻的转子电角度θ，并通过Park变化计算(k-1)时刻和k时刻的dq轴定子电流id(k-1)、iq(k-1)和id(k)、iq(k)；
步骤3：将id(k-1)、iq(k-1)、id(k)和iq(k)送入dq轴电流差计算模块获取k时刻电压矢量V(k)作用下的dq轴定子电流差Δid|V(k)和Δiq|V(k)；
步骤4：将Δid|V(k)和Δiq|V(k)送入电流差查找表更新模块来计算与V(k)反向的电压矢量所对应的定子电流差，并更新电流差查找表；
步骤5：检测零矢量在设定的采样周期内是否被应用，如果没有则强制输出零矢量作为驱动逆变器的基本电压矢量；
步骤6：当零矢量在设定的采样周期内已经被应用，则通过价值函数的滚动优化来获取满足最小化价值函数的基本电压矢量作为控制逆变器的电压矢量。
2.根据权利要求1所述的一种多电流差更新的永磁同步电机无模型预测电流控制方法，其特征在于，所述步骤1中，将给定转速Nr ref和编码器测得的实际转速Nr之间的偏差en输入转速环的PI控制器，根据公式(1)计算q轴电流的参考值iq ref(k+1)；
Figure FDA0002660304900000011
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。
3.根据权利要求1所述的一种多电流差更新的永磁同步电机无模型预测电流控制方法，其特征在于，所述步骤2中，Clark变换如公式(2)所示；Park变换如公式(3)所示；
Figure FDA0002660304900000021
Figure FDA0002660304900000022
其中，iα(k-1)、iβ(k-1)为(k-1)时刻αβ轴的定子电流，iα(k)和iβ(k)为k时刻αβ轴的定子电流。
4.根据权利要求1所述的一种多电流差更新的永磁同步电机无模型预测电流控制方法，其特征在于，所述步骤3中，所述dq轴电流差计算模块根据公式(4)获取所述Δid|V(k)和Δiq|V(k)；
Figure FDA0002660304900000023
5.根据权利要求1所述的一种多电流差更新的永磁同步电机无模型预测电流控制方法，其特征在于，所述步骤4中，所述电流差查找表的更新方法为：
步骤A：判断k时刻电压矢量V(k)是否为零矢量，如果是，则根据公式(5)获取零矢量V0和零矢量V7作用下的dq轴定子电流差Δix|V0、Δix|V7，x∈{d,q}，并更新电流差查找表；如果V(k)不是零矢量，则执行步骤B；
Figure FDA0002660304900000024
步骤B：将矢量Vj(j∈{0,1,2,3,4,5,6,7})作用下的dq轴定子电流差δix|Vj分为零矢量电流差Δix|V0和非零矢量的强制响应δix|Vj两部分，如公式(6)所示，其中，δix|V0＝δix|V7＝0；然后将两电平逆变器的非零基本电压矢量分为3个集合CVS(1)＝{V1,V6}，CVS(2)＝{V2,V5}，CVS(3)＝{V3,V4}并判断V(k)所对应的电压矢量Vj的下标j，然后根据公式(7)计算与Vj在同一集合的另一个电压矢量所对应的电流差Δix|Vm，其中m+j＝7，Δix|V0为储存在电流差查找表中的值；最后将Δix|Vj和Δix|Vm送入电流差查找表去替换原先值，完成电流差查找表的更新；
Figure FDA0002660304900000031
Figure FDA0002660304900000032
其中，x∈{d,q}。
6.根据权利要求1所述的一种多电流差更新的永磁同步电机无模型预测电流控制方法，其特征在于，所述步骤5中，强制输出零矢量作为驱动逆变器的基本电压矢量的方法为：首先设定零矢量的最小更新周期数n0_period，然后判断在n0_period个采样周期内是否输出过零矢量作为控制逆变器的电压矢量，如果是，则不强制输出零矢量；否则，直接输出零矢量作为控制逆变器的电压矢量。
7.根据权利要求1所述的一种多电流差更新的永磁同步电机无模型预测电流控制方法，其特征在于，所述步骤6中，通过价值函数的滚动优化来获取满足最小化价值函数的基本电压矢量作为控制逆变器的电压矢量方法为：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)|Vj和iq(k+1)|Vj；然后通过公式(9)计算价值函数的输出gj(j∈{0,1,2,3,4,5,6,7})；最后通过公式(10)获得最小的价值函数输出gmin，则Vmin即为作用于逆变器的基本电压矢量；
Figure FDA0002660304900000033
Figure FDA0002660304900000034
gmin＝min{g0,g1,g2,g3,g4,g5,g6,g7} (10)
其中，δix|Vj为矢量Vj(j∈{0,1,2,3,4,5,6,7})作用下的dq轴定子电流差，x∈{d,q}。
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Application publication date: 20201120

Assignee: Nantong Mizhu Intelligent Technology Co.,Ltd.

Assignor: NANTONG University

Contract record no.: X2023980052245

Denomination of invention: Model free predictive current control method for permanent magnet synchronous motor with multiple current difference updates

Granted publication date: 20210730

License type: Common License

Record date: 20231214