CN112217437A - 一种永磁同步电机三矢量模型预测电流控制电路和方法 - Google Patents

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CN112217437A CN202010982562.6A CN202010982562A CN112217437A CN 112217437 A CN112217437 A CN 112217437A CN 202010982562 A CN202010982562 A CN 202010982562A CN 112217437 A CN112217437 A CN 112217437A
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杨小亮
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刘胜
胡四全
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Abstract

本发明涉及一种永磁同步电机三矢量模型预测电流控制电路和方法，包括如下步骤：1、确定最优电压矢量所处扇区，令所述扇区相邻电压矢量作为模型预测控制的非零矢量电压；2、计算三矢量电压下的电流增量；3、根据电流增量和三矢量电压，以及当前采样电流值和给定电流指令值，计算出所需电压矢量作用的时间；4、所述电压矢量时间用以修正三相逆变器的开关信号占空比；5、对电流指令进行修正。本发明中逆变器输出电压矢量幅值、方向皆可调，大大减小了稳态误差，无需死区补偿，参数鲁棒性强。

Description

一种永磁同步电机三矢量模型预测电流控制电路和方法
技术领域
本发明属于电机控制技术领域，具体设计一种永磁同步电机三矢量模型预测电流控制电路和方法。
背景技术
传统的永磁同步电机有限控制集模型电流预测控制主要存在开关频率不固定、电压矢量幅值方向固定、参数依赖性强等问题。模型预测控制没有调制单元，逆变器直接执行滚动优化选出最优开关序列组合，因此逆变器开关动作不规律、频率不固定，从而三相电压电流频谱分散，滤波难度高；传统模型预测控制每个控制周期只能由逆变器发出一个电压矢量，由于一个控制周期内仅有单个电压矢量作用，系统产生的稳态误较大；电机运行过程中，一些参数会根据电机的运行状态发生变化，使得实际电机参数与模型参数不匹配，模型预测参数敏感性强从而导致系统性能差。
发明内容
为了减小传统电流预测控制系统下稳态误差大，计算负担重，参数依赖性强以及三相电压电流谐波分量高的缺点，本发明基于三矢量模型预测的控制原理提出的永磁同步电机三矢量模型预测电流控制电路和方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：确定最优电压矢量所处扇区，令所述扇区相邻电压矢量作为模型预测控制的非零矢量电压，并转换至dq坐标系下；
步骤2：两个所述相邻电压矢量作用于永磁同步电机，计算两个相邻电压矢量作用下的电流增量，和零矢量电压下的电流增量；
步骤3：根据步骤2中所述的电流增量和三矢量电压，以及当前采样电流值和给定电流指令值，计算出所需电压矢量作用的时间；
步骤4：所述电压矢量时间用以修正三相逆变器的开关信号占空比；
步骤5：对电流指令进行校正。
进一步的，所述步骤1中采用无差拍原理确定最优电压矢量uref，并判断其所处扇区，令该扇区相邻电压矢量即um、un作为模型预测控制的非零矢量；其中Uref在dq坐标系下电压分量为udref、uqref，
Figure BDA0002688079900000021
其中，k表示当前时刻；k+1表示下一时刻；Ts为采样周期；id(k)、iq(k)分别是当前时刻的d、q轴电流采样值；id(k+1)、iq(k+1)分别是下一时刻的d、q轴电流预测值；ud(k)、uq(k)分别是当前时刻的d、q轴电压采样值；ωe(k)是当前时刻的电角速度；
Figure BDA0002688079900000022
是永磁体磁链；Ld、Lq分别为d、q轴电感；Rs是定子电阻。
进一步的，所述步骤2中，所述相邻电压矢量um、un作用于永磁同步电机，产生电流增量Sdm、Sqm、Sdn、Sdn，零矢量u0产生的电流增量为Sd0、Sq0，
Figure BDA0002688079900000023
Figure BDA0002688079900000024
Figure BDA0002688079900000025
其中，id和iq分别是d、q轴电流值；udn、udm、uqn、uqm分别是电压矢量d、q轴的电压值；we是电角速度；
Figure BDA0002688079900000026
是永磁体磁链；Ld、Lq分别为d、q轴电感；Rs是定子电阻。
进一步的，所述步骤3中，根据当前电流值与给定电流指令值可确定所需电压矢量作用时间tm、tn和t0。由无差拍控制原理可知，
Figure BDA0002688079900000031
则，
Figure BDA0002688079900000032
Figure BDA0002688079900000033
其中，k表示当前时刻；k+1表示下一时刻；Ts为采样周期；id(k)、iq(k)分别是当前时刻的d、q轴电流采样值。进一步的，所述步骤3中计算得到的矢量电压的作用时间tm、tn进一步计算：
(1)若tm或者tn计算出为负值，则令其为0；若tm或者tn计算大于Ts，则令其为Ts；
(2)若tm、tn均在0-Ts范围内，但是tm+tn＞Ts，则令修正时间
Figure BDA0002688079900000034
零矢量电压工作时间为
t0＝Ts-t'm-t'n。
进一步的，所述步骤4中，电压矢量作用时间以占空比形式表示，
Figure BDA0002688079900000041
其中，dm、dn、d0是电压作用时间tm、tn、t0的占空比。
进一步的，所述步骤5中，电流指令
Figure BDA0002688079900000042
修改为
Figure BDA0002688079900000043
表达式为
Figure BDA0002688079900000044
其中，Kd是稳态误差系数；
通过比例系数Kq对q轴电流指令进行修正：
Figure BDA0002688079900000045
本发明还涉及一种永磁同步电机三矢量模型预测电流控制电路，包括模型计算环节、电流指令修正环节、调制环节，还包括延时补偿模块、Clark变换、Park变换、三相逆变器、三相逆变器开关信号的占空比修正模块和永磁同步电机，所述调制环节还包括占空比计算模块和依次连接的IPark模块、电流方向判断模块和占空比修正环节，调制环节输出三相逆变器的6个IGBT的控制信号，最终向永磁同步电机施加合适的三相电压；所述模型计算环节包括依次连接的逆变器电压矢量扇区分布、电流增量计算模块和电压矢量时间计算模块，其输出电压矢量作用时间给所述调制环节；电流指令修正环节根据当前采样电流、给定电流指令值和稳态误差系数计算出电流指令修正值，作为模型计算环节的输入。
本发明实现的技术效果：
1、本发明能够提前关断IGBT插入死区，通过二极管续流特性保持电压输出不变，使得系统控制频率固定且无需进行死区补偿；
2、本发明增加了电流指令校正环节，减小了系统对参数的依赖性；
3、仅判断一次uopt所在扇区，计算量小，逆变器输出电压矢量幅值、方向皆可调，大大减小了稳态误差，无需死区补偿，参数鲁棒性强。
附图说明
图1永磁同步电机三矢量模型预测电流控制流程图；
图2永磁同步电机三矢量模型预测电流控制系统框图；
图3扇区三相占空比。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细的说明。
永磁同步电机具有结构简单、噪声低、功率密度高等优点，被广泛地应用于航空航天、电动汽车、电梯等领域，因此该电机的控制方法成为国内外学者的研究热点。除了矢量控制和直接转矩控制之外，模型预测控制(Model PredictiveControl，MPC)也是主流控制方法之一。MPC根据控制是否连续主要划分有两种，一种是连续模型预测控制，另一种是有限控制集模型预测(FiniteControlSetModelPredictiveControl，FCS-MPC)。相比于连续预测控制，FCS-MPC将逆变器状态和预测模型相结合，充分考虑了控制的离散性，具有控制简单，响应速度快的优点，因此电机控制领域更多采用FCS-MPC。FCS-MPC主要用于电流预测，转矩预测和转速预测，本设计采用FCS-MPC的控制策略对PMSM的电流预测进行了研究。
永磁同步电机在dq坐标系下的数学模型公式为：
Figure BDA0002688079900000051
式中：ud、uq分别为d、q轴电压；id、iq分别为d、q轴电流；
Figure BDA0002688079900000052
是永磁体磁链；Ld、Lq分别为d、q轴电感；Rs是定子电阻。表贴式永磁同步电机，则Ld＝Lq＝Ls。采用一阶欧拉公式对(式1)式进行离散化展开可得：
Figure BDA0002688079900000053
Figure BDA0002688079900000054
式中：k表示当前时刻；k+1表示下一时刻；Ts为采样周期；id(k)、iq(k)分别是当前时刻的d、q轴电流采样值；id(k+1)、iq(k+1)分别是下一时刻的d、q轴电流预测值；ud(k)、uq(k)分别是当前时刻的d、q轴电压采样值；ωe(k)是当前时刻的电角速度。
经典的控制策略是将逆变器产生的6个有效非零电压矢量和2个零矢量共8个电压矢量分别代入(式2)式，得到8个矢量电压作用下的预测电流，然后再分别将预测电流代到价值函数(式4)中，选择使价值函数最小的预测电流值所对应的电压矢量作为最优电压矢量。
g＝|iq *-iq(k+1)|+|id *-id(k+1)| (5)
式中，
Figure BDA0002688079900000061
分别是转速环输出的电流给定值。
为了有效解决传统电流预测(Traditional Model Predictive CurrentControl，T-MPCC)稳态误差大，参数依赖性强，谐波分量高的问题，本发明提出了一种改进的三矢量模型电流预测(Novel Three-Vector Model Predictive Current Control，N3V-MPCC)控制电路和方法。
根据无差拍控制原理，计算出最优矢量电压uref并判断其所在扇区。选取uref所在扇区的两侧矢量电压作为两个非零电压矢量um，un，根据电流指令与预测电流计算出两矢量作用时间tm，tn。本设计提出了一种新型调制方式，即提前关断IGBT插入死区，通过二极管续流特性保持电压输出不变，使得系统控制频率固定且无需进行死区补偿。为减小系统对参数的依赖性，增加电流指令校正环节。根据广义奈氏判据，通过对负载子系统的阻抗扫描，经仿真结果证明系统稳定无谐振点。N3V-MPCC仅判断一次uopt所在扇区，计算量小，逆变器输出电压矢量幅值、方向皆可调，大大减小了稳态误差，无需死区补偿，参数鲁棒性强。
本发明提出的一种永磁同步电机三矢量模型电流预测(Novel Three-VectorModel Predictive Current Control，N3V-MPCC)控制电路，包括模型计算环节、电流指令修正环节、调制环节，还包括延时补偿模块、Clark变换、Park变换、三相逆变器、三相逆变器开关信号的的占空比修正模块和永磁同步电机，其中调制环节还包括IPark模块、电流方向判断模块和占空比修正环节，调制环节输出三相逆变器的6个IGBT的控制信号，最终向永磁同步电机施加合适的三相电压；模型计算环节包括逆变器电压矢量扇区分布、电流增量计算模块和电压矢量时间计算模块，其输出电压矢量作用时间给调制环节；电流指令修正环节根据当前采样电流、给定电流指令值和稳态误差系数计算出电流指令修正值，作为模型计算环节的输入。
本发明基于三矢量模型预测的控制原理提出的永磁同步电机三矢量模型预测电流控制电路和方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：确定最优电压矢量所处扇区，令所述扇区相邻电压矢量作为模型预测控制的非零矢量电压，并转换至dq坐标系下；
步骤2：两个所述相邻电压矢量作用于永磁同步电机，计算两个相邻电压矢量作用下的电流增量，和零矢量电压下的电流增量；
步骤3：根据步骤2中所述的电流增量和三矢量电压，以及当前采样电流值和给定电流指令值，计算出所需电压矢量作用的时间；
步骤4：所述电压矢量时间用以修正三相逆变器的开关信号占空比；
步骤5：对电流指令进行校正。
进一步的，所述步骤1中采用无差拍原理确定最优电压矢量uref，并判断其所处扇区，令该扇区相邻电压矢量即um、un作为模型预测控制的非零矢量；其中uref在dq坐标系下电压分量为udref、uqref，
Figure BDA0002688079900000071
其中，k表示当前时刻；k+1表示下一时刻；Ts为采样周期；id(k)、iq(k)分别是当前时刻的d、q轴电流采样值；id(k+1)、iq(k+1)分别是下一时刻的d、q轴电流预测值；ud(k)、uq(k)分别是当前时刻的d、q轴电压采样值；ωe(k)是当前时刻的电角速度；
Figure BDA0002688079900000072
是永磁体磁链；Ld、Lq分别为d、q轴电感；Rs是定子电阻。
进一步的，所述步骤2中，所述相邻电压矢量um、un作用于永磁同步电机，产生电流增量Sdm、Sqm、Sdn、Sdn，零矢量u0产生的电流增量为Sd0、Sq0，
Figure BDA0002688079900000081
Figure BDA0002688079900000082
Figure BDA0002688079900000083
其中，id和iq分别是d、q轴电流值；udn、udm、uqn、uqm分别是电压矢量d、q轴的电压值；we是电角速度；
Figure BDA0002688079900000085
是永磁体磁链；Ld、Lq分别为d、q轴电感；Rs是定子电阻。
进一步的，所述步骤3中，根据当前电流值与给定电流指令值可确定所需电压矢量作用时间tm、tn和t0。由无差拍控制原理可知，
Figure BDA0002688079900000084
则，
Figure BDA0002688079900000091
Figure BDA0002688079900000092
其中，k表示当前时刻；k+1表示下一时刻；Ts为采样周期；id(k)、iq(k)分别是当前时刻的d、q轴电流采样值。
进一步的，所述步骤3中计算得到的矢量电压的作用时间tm、tn进一步计算：
(1)若tm或者tn计算出为负值，则令其为0；若tm或者tn计算大于Ts，则令其为Ts；
(2)若tm、tn均在0-Ts范围内，但是tm+tn＞Ts，则令修正时间
Figure BDA0002688079900000093
零矢量电压工作时间为
t0＝Ts-t'm-t'n。
进一步的，所述步骤4中，电压矢量作用时间以占空比形式表示，
Figure BDA0002688079900000094
其中，dm、dn、d0是电压作用时间tm、tn、t0的占空比。
进一步的，所述步骤5中，电流指令
Figure BDA0002688079900000095
修改为
Figure BDA0002688079900000096
表达式为
Figure BDA0002688079900000101
其中，Kd是稳态误差系数；
通过比例系数Kq对q轴电流指令进行修正：
Figure BDA0002688079900000102
最后应该说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的技术人员阅读本申请后，参照上述实施例对本发明进行种种修改或变更的行为，均在本发明申请待批的权利申请要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种永磁同步电机三矢量模型预测电流控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：确定最优电压矢量所处扇区，令所述扇区相邻电压矢量作为模型预测控制的非零矢量电压，并转换至dq坐标系下；
步骤2：两个所述相邻电压矢量作用于永磁同步电机，计算两个相邻电压矢量作用下的电流增量，和零矢量电压下的电流增量；
步骤3：根据步骤2中所述的电流增量和三矢量电压，以及当前采样电流值和给定电流指令值，计算出所需电压矢量作用的时间；
步骤4：所述电压矢量时间用以修正三相逆变器的开关信号占空比；
步骤5：对电流指令进行修正。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述步骤1中采用无差拍原理确定最优电压矢量uref，并判断其所处扇区，令该扇区相邻电压矢量即um、un作为模型预测控制的非零矢量电压；其中uref在dq坐标系下电压分量为udref、uqref，
Figure FDA0002688079890000011
其中，k表示当前时刻；k+1表示下一时刻；Ts为采样周期；id(k)、iq(k)分别是当前时刻的d、q轴电流采样值；id(k+1)、iq(k+1)分别是下一时刻的d、q轴电流预测值；ud(k)、uq(k)分别是当前时刻的d、q轴电压采样值；ωe(k)是当前时刻的电角速度；
Figure FDA0002688079890000012
是永磁体磁链；Ld、Lq分别为d、q轴电感；Rs是定子电阻。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述步骤2中，所述相邻电压矢量um、un作用于永磁同步电机，产生电流增量Sdm、Sqm、Sdn、Sdn，零矢量u0产生的电流增量为Sd0、Sq0，
Figure FDA0002688079890000021
Figure FDA0002688079890000022
Figure FDA0002688079890000023
其中，id和iq分别是d、q轴电流值；udn、udm、uqn、uqm分别是电压矢量d、q轴的电压值；we是电角速度；
Figure FDA0002688079890000024
是永磁体磁链；Ld、Lq分别为d、q轴电感；Rs是定子电阻。
4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述步骤3中，根据当前电流值与给定电流指令值可确定所需电压矢量作用时间tm、tn和t0；由无差拍控制原理可知，电流给定值
Figure FDA0002688079890000025
分别是：
Figure FDA0002688079890000026
则，
Figure FDA0002688079890000027
Figure FDA0002688079890000031
其中，k表示当前时刻；k+1表示下一时刻；Ts为采样周期；id(k)、iq(k)分别是当前时刻的d、q轴电流采样值。
5.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述步骤3中计算得到的矢量电压的作用时间tm、tn进一步计算：
(1)若tm或者tn计算出为负值，则令其为0；若tm或者tn计算大于Ts，则令其为Ts；
(2)若tm、tn均在0-Ts范围内，但是tm+tn＞Ts，则令修正时间
Figure FDA0002688079890000032
零矢量电压工作时间为
t0＝Ts-t′m-t′n。
6.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述步骤4中，电压矢量作用时间以占空比形式表示，
Figure FDA0002688079890000033
其中，dm、dn、d0是电压作用时间tm、tn、t0的占空比。
7.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述步骤5中，电流指令
Figure FDA0002688079890000034
修正为
Figure FDA0002688079890000035
表达式为
Figure FDA0002688079890000041
其中，Kd是稳态误差系数；
通过比例系数Kq对q轴电流指令进行修正：
Figure FDA0002688079890000042
8.一种永磁同步电机三矢量模型预测电流控制电路，其特征在于，包括模型计算环节、电流指令修正环节、调制环节，还包括延时补偿模块、Clark变换、Park变换、三相逆变器、三相逆变器开关信号的占空比修正模块和永磁同步电机，所述调制环节还包括占空比计算模块和依次连接的IPark模块、电流方向判断模块和占空比修正环节，调制环节输出三相逆变器的控制信号；所述模型计算环节包括依次连接的逆变器电压矢量扇区分布、电流增量计算模块和电压矢量时间计算模块，其输出电压矢量作用时间给所述调制环节；电流指令修正环节根据当前采样电流、给定电流指令值和稳态误差系数计算出电流指令修正值，作为模型计算环节的输入。
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