CN112436772A - 一种用于开绕组五相永磁同步电机的模型预测分解控制方法及装置 - Google Patents

一种用于开绕组五相永磁同步电机的模型预测分解控制方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于开绕组五相永磁同步电机的模型预测分解控制方法及装置。方法包括在转子磁场定向下获得静止坐标系下的电压分量；根据电压源逆变器下的五相永磁同步电机矢量分布合成出能够抵消谐波空间电压的虚拟电压矢量；将五相永磁同步电机开绕组拓扑可等效为两个逆变器独立作用的叠加；将一个单独逆变器可以产生的电压矢量通过电机的数学模型进行预测获取预期的增量作为判断条件，决定开绕组系统是使用两个中的一个逆变器保持开绕组系统的正常运转；或者是第一个逆变器钳位，第二个逆变器产生剩下的增量。装置包括方法步骤所对应的程序单元。本发明能够有效地降低开绕组驱动系统的开关损耗，提高了控制系统的动态响应。

Description

一种用于开绕组五相永磁同步电机的模型预测分解控制方法 及装置
技术领域
本发明属于多相电机开绕组拓扑系统应用领域，尤其是涉及一种用与开绕组五相永磁同步电机的模型预测分解控制方法及装置。
背景技术
五相永磁同步电机具有高效率、高功率密度、宽调速范围、低转矩脉动和强容错能力等优点，在航空航天、电动汽车、舰船推进系统等领域得到广泛关注和应用。同时，开绕组电机拓扑系统具有输出功率高、供电模式和电压矢量调制方式多样、控制灵活、冗余性和容错性等优良特性。
国内外学者对开绕组拓扑下的五相永磁同步电机模型预测控制方法已经取得了一定的成果。中国发明专利《一种开绕组永磁同步电动机的模型预测电流控制方法》(专利号：CN201910583770.6)公开了一种针对开绕组永磁同步电机模型预测的控制方法，由于该方法使用单电源进行供电，虽然节省了成本，但势必会产生零序电流，同时没有充分利用开绕组系统的灵活性。中国发明专利《一种双逆变器开绕组感应电机的优化模型预测控制方法》(专利号：CN201910207446.4)公开了一种针对双逆变器开绕组感应电机模型预测进行优化的控制方法，由于该方法每个周期只作用一个电压矢量，易于实现但稳态性能差。因此，目前现有的开绕组模型预测方法大多采用与非开绕组拓扑系统相同的调制方式，没能够充分利用开绕组电机驱动系统的灵活性与多样电压矢量的优点。同时，随着电机相数的增加，特别是开绕组五相永磁同步电机拓扑系统，中性点打开后驱动系统的开关损耗翻倍、控制虽灵活但变得复杂。因此，在保持开绕组五相永磁同步电机系统灵活与自由的前提下，降低逆变器的开关损耗，并减少开绕组模型预测的计算是指的研究的课题。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题，提出了一种用于开绕组五相永磁同步电机的模型预测分解控制方法及装置，将开绕组拓扑系统的两个逆变器看作两个独立的单元，以逆变器1所能提供的电压矢量为起点，针对开绕组系统不同工况下的需求选择不同的逆变器开关序列，在保证有口性能的前提下，能够有效降低开绕组五相永磁同步电机控制系统的开关次数，降低逆变器的开关损耗。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种用于开绕组五相永磁同步电机的模型预测分解控制方法，包括以下步骤：
步骤1)获得开绕组五相永磁同步电机在旋转坐标系的基波空间交、直轴电流作为控制系统的给定；
步骤2)构建开绕组五相永磁同步电机静止坐标系下的虚拟电压矢量表，计算前一个控制周期作用虚拟电压矢量的标号，计算出静止坐标系下的电压并根据电机的数学模型求得电机的反电动势；
步骤3)采用欧拉前向差分的预测方程求出当前周期旋转坐标系下的交直轴电流；
步骤4)将逆变器1所产生的电压矢量作为当前采样周期的给定，代入预测模型与代价函数，求出符合控制系统给定的下个周期的旋转坐标系的交直轴电流，如果逆变器1提供的电压矢量能够满足驱动系统的需求，则逆变器2关闭；否则，逆变器1钳位至所提供的最大电压矢量，逆变器2提升剩余部分的增量；
步骤5)将所选择好的电压矢量与其对应的占空比信号输入到开绕组逆变器中，完成驱动系统的闭环控制。
进一步，步骤1)的具体步骤包括：实时计算给定转速n*与电机的实际转速n之间的转速误差，通过PI调节器，得到所需的交轴电流的参考值iq *，直轴电流参考值id *＝0。
进一步，步骤2)的具体步骤包括：
步骤2.1)构建开绕组五相永磁同步电机虚拟电压矢量表：
五相电压源逆变器在静止坐标系下所产生的电压矢量可表示为：
Figure BDA0002800336880000021
Figure BDA0002800336880000022
式中，Udc是直流母线电压；us是静止坐标系下的电压向量值；si(i＝a,b,c,d,e)是每个桥臂的开关函数；当上桥臂导通si＝1，下桥臂导通si＝0；
步骤2.2)由步骤1所得的电压矢量按照模长的大小分为大矢量uB、中矢量uM、小矢量uL和零矢量u0，根据使得谐波子空间等效为零的原则构建开绕组五相永磁同步虚拟电压矢量：
VVi(uB,uL)＝0.618×uM+(1-0.618)×uB
式中，0.618的比例因子可以使得两个电压矢量在五相永磁同步电机谐波子空间电压矢量等效为零；
步骤2.3)计算前一个采样周期(k-1)的电压矢量输出值：
Figure BDA0002800336880000031
Figure BDA0002800336880000032
并通过步骤1中计算出的iq *与电机的实际转速ω计算出开绕组五相永磁同步电机在此时旋转坐标系下的交、直轴反电动势瞬时值：
Figure BDA0002800336880000033
其中Ls是电机的交轴电感、
Figure BDA0002800336880000034
是电机的永磁磁链、iq*是旋转坐标系下的交轴电流参考值，id*为旋转坐标系下的交轴电流参考值。
进一步，步骤3)的具体步骤包括：
步骤3.1)五相永磁同步电机旋转坐标系下的电压方程为：
Figure BDA0002800336880000035
式中，Ls是电机的交轴电感、Rs为电机的定子电阻、ud是电机直轴上的电压、uq是电机交轴上的电压、id是电机直轴电流、iq是电机交轴上的电流、ωe是电机的电角度、
Figure BDA0002800336880000036
是电机的永磁磁链；
步骤3.2)采用欧拉前向差分的方式求出k+1时刻旋转坐标系下的交、直轴电流：
Figure BDA0002800336880000037
式中，ud(k)为k时刻电机直轴上的电压、uq(k)为k时刻电机交轴上的电压，id(k)是电机直轴电流、iq(k)是电机交轴上的电流、EMFd(k)为k时刻电机的直轴反电动势、EMFq(k)为k时刻电机的交轴反电动势。
进一步，步骤4)的具体步骤包括：
步骤4.1)根据开绕组五相永磁同步电机的数学模型，k+1时刻旋转坐标系下的交直轴电流可以表示为两个逆变器之和，即：
Figure BDA0002800336880000038
式中，
Figure BDA0002800336880000039
为k+1时刻逆变器1所提供旋转坐标系下直轴电压，
Figure BDA00028003368800000310
为k+1时刻逆变器1所提供旋转坐标系下交轴电压；
Figure BDA0002800336880000041
为k+1时刻逆变器2所提供旋转坐标系下直轴电压，
Figure BDA0002800336880000042
为k+1时刻逆变器2所提供旋转坐标系下交轴电压。
步骤4.2)定义逆变器1、逆变器2所能提供的电压矢量分别为：
Figure BDA0002800336880000043
Figure BDA0002800336880000044
式中，
Figure BDA0002800336880000045
和
Figure BDA0002800336880000046
是通过逆变器1所产生的旋转坐标系下交、直轴电流，Rs为电机绕组的相电阻，Ts是控制器的控制周期，Ls是电机的定子电感；EMFd(k+1)为k+1时刻电机的直轴反电动势、EMFq(k+1)为k+1时刻电机的交轴反电动势；步骤4.3)遍历逆变器1所产生的虚拟电压矢量，预测k+2时刻的五相永磁同步电机旋转坐标系下的交、直轴电流：
若
Figure BDA0002800336880000047
和
Figure BDA0002800336880000048
大于等于当前时刻所需要的增量
Figure BDA0002800336880000049
和
Figure BDA00028003368800000410
意味着逆变器1所提供的电压矢量已经可满足电机当前状态的需求，逆变器2关闭，通过在一个周期内作用多个电压矢量，在当前采样周期内产生的旋转坐标系下的电压矢量可表示为：
Figure BDA00028003368800000411
Figure BDA00028003368800000412
式中，
Figure BDA00028003368800000413
和
Figure BDA00028003368800000414
分别是逆变器1和逆变器2所选择电压矢量的实部和虚部，通过上标进行区分；
Figure BDA00028003368800000415
和
Figure BDA00028003368800000416
分别是逆变器1当前时刻待选虚拟电压矢量的实部和虚部；
Figure BDA00028003368800000417
和
Figure BDA00028003368800000418
分别是逆变器1当前时刻待选两个电压矢量的虚部和虚部；DR0INV1是逆变器1中有效电压矢量之和作用的比例因子，DRINV1是逆变器1中两个有效电压矢量之间的比例因子；当逆变器1所提供的增量满足当前需要时，逆变器1和逆变器2的比例因子满足：
Figure BDA0002800336880000051
Figure BDA0002800336880000052
电机在k+2时刻旋转坐标系下的交、直轴电流可以表示为：
Figure BDA0002800336880000053
其中
Figure BDA0002800336880000054
和
Figure BDA0002800336880000055
由是由逆变器1所提供的旋转坐标系下的交直轴电压；
若
Figure BDA0002800336880000056
和
Figure BDA0002800336880000057
小于当前时刻所需要的增量
Figure BDA0002800336880000058
和
Figure BDA0002800336880000059
意味着逆变器1所提供的电压矢量已经无法满足电机当前状态的需求，需要逆变器2额外输出剩余部分的增量来满足电机工况的需求，逆变器1在当前周期内输出其所能输出的最大的增量
Figure BDA00028003368800000510
和
Figure BDA00028003368800000511
逆变器2则在当前周期内作用多个电压矢量，在当前采样周期内产生的旋转坐标系下的电压矢量可以表示为：
Figure BDA00028003368800000512
Figure BDA00028003368800000513
式中，
Figure BDA00028003368800000514
和
Figure BDA00028003368800000515
分别是逆变器1和逆变器2所选择电压矢量的实部和虚部，通过上标进行区分；
Figure BDA00028003368800000516
和
Figure BDA00028003368800000517
分别是逆变器1当前时刻待选虚拟电压矢量的实部和虚部；
Figure BDA00028003368800000518
和
Figure BDA00028003368800000519
是逆变器2第1个待选电压矢量的实部和虚部；
Figure BDA00028003368800000520
和
Figure BDA00028003368800000521
分别是逆变器2第2个待选电压矢量的实部和虚部；DR0INV2是有效电压矢量之和作用的比例因子，DRINV2是两个有效电压矢量之间的比例因子；当逆变器1所提供的增量不满足当前需要时，逆变器1和逆变器2的比例因子满足：
Figure BDA0002800336880000061
Figure BDA0002800336880000062
电机在k+2时刻旋转坐标系下的交、直轴电流可以表示为：
Figure BDA0002800336880000063
步骤4.4)根据步骤4.3)中两种不同工况下求出的k+2时刻电机旋转坐标系下交直轴电流代入代价函数求出预期电压矢量：
Figure BDA0002800336880000064
进一步，步骤5)的具体步骤包括：
步骤5.1)根据步骤4)求出最优电压矢量的索引号i、逆变器1中的比例因子DR0INV1和DRINV1、逆变器2中的比例因子DR0INV2和DRINV2，结合步骤2中所构建的开绕组五相永磁同步电机虚拟电压矢量表，输出开绕组逆变器各相的占空比：
若
Figure BDA0002800336880000065
和
Figure BDA0002800336880000066
大于等于当前时刻所需要的增量
Figure BDA0002800336880000067
和
Figure BDA0002800336880000068
时：
Figure BDA0002800336880000069
Figure BDA00028003368800000610
式中，
Figure BDA00028003368800000611
是通过所提算法计算出来的数值，用于逆变器1产生相应占空比的波形。
Figure BDA00028003368800000612
用于逆变器2缠上相应占空比的波形，
Figure BDA00028003368800000613
是逆变器1所选的第1个虚拟电压矢量的开关函数，其中x＝a,b,c,d,e；
Figure BDA00028003368800000614
是逆变器1所选第2个虚拟电压矢量的开关函数，其中x＝a,b,c,d,e；
若
Figure BDA00028003368800000615
和
Figure BDA00028003368800000616
大于等于当前时刻所需要的增量
Figure BDA00028003368800000617
和
Figure BDA00028003368800000618
时：
Figure BDA00028003368800000619
Figure BDA00028003368800000620
式中，
Figure BDA00028003368800000621
是通过所提算法计算出来的数值，用于逆变器1产生响应占空比的波形，
Figure BDA00028003368800000622
用于逆变器2缠上相应占空比的波形，
Figure BDA00028003368800000623
是逆变器2所选虚拟电压矢量的开关函数，其中x＝a,b,c,d,e；
Figure BDA0002800336880000071
是逆变器2所选第1个虚拟电压矢量的开关函数，其中x＝a,b,c,d,e；
Figure BDA0002800336880000072
逆变器2所选第1个虚拟电压矢量的开关函数，其中x＝a,b,c,d,e；
步骤5.2)将步骤5.1)所求出的逆变器1占空比与逆变器2占空比经PWM脉宽调制单元输出值逆变器的驱动芯片，相应的电压经由IGBT输出至电机。
本发明装置的技术方案为：一种用于开绕组五相永磁同步电机的模型预测分解控制装置，主要包括：
数据采集单元，数据采集单元使用霍尔型电流传感器ACS758采样电机的相电流；使用相对位置型广电编码器获取电机的电角度和转速。使用DSP中的增强型捕获单元计算出开绕组五相永磁同步电机的电角速度ω、电角度θ；使用DSP中的ADC模块采样变换得到旋转坐标系下交、直轴电流id和iq。
指令电压输入单元，指令输入单元使用TI公司的TMS320F28377S作为控制器，给定电机转速后通过DSP中的程序计算获得旋转坐标系下的交、直轴电流参考值iq*和id*；
增量判断单元，用于判断当前逆变器1所提供的电压矢量是否额能够满足电机驱动系统当前的需求；
逆变器1单独作用单元，通过DSP内部的程序判断
Figure BDA0002800336880000073
和
Figure BDA0002800336880000074
是否大于当前的参考值。若逆变器1所提供的电压矢量
Figure BDA0002800336880000075
和
Figure BDA0002800336880000076
大于当前的参考值，逆变器1单独输出占空比
Figure BDA0002800336880000077
逆变器2则占空比为0；
叠加作用单元，通过DSP内部的程序判断
Figure BDA0002800336880000078
和
Figure BDA0002800336880000079
是否大于当前的参考值。若逆变器1所提供的电压矢量
Figure BDA00028003368800000710
和
Figure BDA00028003368800000711
大于当前的参考值，逆变器1单独输出占空比
Figure BDA00028003368800000712
逆变器2输出占空比
Figure BDA00028003368800000713
PWM输出单元，PWM输出单元使用电压源型逆变器，将逆变器1、逆变器2输出的占空比通过三角载波进行调制，输出为PWM波，经过1ED020F12型隔离驱动芯片后驱动IGBT，产生相应的电压。
数据采集单元作为系统的输入，将采样得到的数据通过DSP进行处理。DSP根据指令电压输入电源输入到的指令进行控制和数据采集单元获取的到的数据进行计算求出当前时刻的给定值。增量判断单元通过判断当前时刻的给定值，在逆变器1单独作用单元和叠加作用单元之间进行判断，选择适合当前状态的模式进行输出。PWM输出单元将上述单元运算后的PWM信号进行输出，作用在电机绕组上产生电流。再通过数据采集单元进采集计算，从而形成一个完整的硬件和软件的闭环控制系统。
本发明的有益效果：
1)本发明基于五相永磁同步电机电机模型预测控制方法，具有动态性能好，结构简单易于实现的优点。
2)通过对开绕组五相永磁同步电机系统进行分解，分解为两个独立逆变器的叠加，能够使得开绕组拓扑系统的灵活性大幅提升。
3)采用双逆变器分解控制这一方法，嫩巩固有效降低逆变器的开关次数，从而降低五相开绕永磁同步电机系统的整体开关损耗。
4)所提出的开绕组分解控制方法具有通用性，且易于实现，有利于新理论的工程化和实用化。
附图说明
图1开绕组拓扑结构及外围装置电路；
图2装置内部的实现流程；
图3单个逆变器所产生的空间电压矢量分布图；(a)为基波子空间的电压矢量分布；(b)为三次谐波子空间的电压矢量分布；
图4单逆变器虚拟电压矢量合成；
图5开绕组五相永磁同步电机虚拟空间电压矢量分布；
图6分解逆变器1和逆变器2的增量(以交轴为例)；
图7逆变器1单独作用；
图8逆变器1和逆变器2叠加作用；
图9逆变器1单独作用时双逆变器输出的开关序列；
图10逆变器1和逆变器2叠加作用时的开关波形；
图11逆变器1单独作用A相电流波形；
图12逆变器1单独作用输出转矩；
图13逆变器1单独作用转速；
图14逆变器1和逆变器2叠加作用A相电流；
图15逆变器1和逆变器2叠加作用输出转矩；
图16逆变器1和逆变器2叠加作用转速；
图17逆变器1、2单独作用A相占空比；(a)逆变器1单独作用A相占空比；(b)逆变器2单独作用A相占空比；
图18逆变器1和逆变器2叠加作用A相占空比；(a)逆变器1单独作用A相占空比；(b)逆变器2单独作用A相占空比；
图19工况切换下的A相占空比变化；(a)逆变器1单独作用A相占空比；(b)逆变器2单独作用A相占空比。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1和图2所示，本发明提出一种用于开绕组五相永磁同步电机的模型预测分解控制方法及装置。将开绕组拓扑系统的两个逆变器看作两个独立的单元，以逆变器1所能提供的电压矢量为起点，针对开绕组系统不同工况下的需求选择不同的逆变器开关序列，在保证有口性能的前提下，能够有效降低开绕组五相永磁同步电机控制系统的开关次数，降低逆变器的开关损耗。
其中，所采用的双电源开绕组拓扑结构以及装置外围的电路如图1所示。图2是所提模型预测分解控制装置内部的实现流程。
所提出的用于开绕组五相永磁同步电机的模型预测分解控制方法具体实施步骤包括：
步骤1)获得开绕组五相永磁同步电机在旋转坐标系的基波空间交、直轴电流作为控制系统的给定；
1.1)实时计算给定转速n*与电机的实际转速n之间的转速误差，通过PI调节器，得到所需的交轴电流的参考值iq *，直轴电流参考值id *＝0；
1.2)采样五相相电流，从五相自然坐标系ABCDE到两相旋转坐标系，再通过五相静止坐标系到两相旋转坐标系的坐标变换，得到交直轴电流id和iq。
五相自然坐标系ABCDE到两相旋转坐标系的变换矩阵表示为：
Figure BDA0002800336880000101
式中，α＝0.4π，θe为电机的电角度。
1.3)交直轴电压经过两相旋转坐标系到两相静止坐标系的坐标变换，得到静止坐标系下的电压分量iα和iβ。
两相旋转坐标系到两相静止坐标系的变换矩阵表示为：
Figure BDA0002800336880000102
步骤2)构建开绕组五相永磁同步电机静止坐标系下的虚拟电压矢量表，计算前一个控制周期作用虚拟电压矢量的标号计算出静止坐标系下的电压并根据电机的数学模型求得电机的反电动势。
步骤2.1)构建开绕组五相永磁同步电机虚拟电压矢量表：
五相电压源逆变器在静止坐标系下所产生的电压矢量可表示为：
Figure BDA0002800336880000103
Figure BDA0002800336880000104
式中，Udc是直流母线电压；us是静止坐标系下的电压向量值；si(i＝a,b,c,d,e)是每个桥臂的开关函数；当上桥臂导通si＝1，下桥臂导通si＝0。
五相开绕组系统单个逆变器空间电压矢量分布图如图3所示：
单个逆变器空间电压矢量分布表如表1所示：
表1单个逆变器空间电压矢量分布表
Figure BDA0002800336880000105
步骤2.2)根据三次谐波空间电压等效为0的原则，在基波子平面进行电压矢量的合成，合成原则如下：
VVi(uB,uL)＝0.618×uM+(1-0.618)×uB
式中，0.618的比例因子可以使得两个电压矢量在五相永磁同步电机谐波子空间电压矢量等效为零。
合成后的虚拟电压矢量如图4所示：
根据开绕组拓扑结构原理，开绕组五相永磁同步电机的空间电压矢量分布如图5所示，图中电压矢量是由逆变器1与逆变器2所提供的虚拟电压矢量相减后的到电压矢量，如3-9’的含义为：逆变器1的3号虚拟电压矢量与逆变器2的9号虚拟电压矢量相减后得到的开绕组拓扑下的虚拟电压矢量。
开绕组五相永磁同步电机所有的虚拟空间电压矢量分布如表2所示：
表2开绕组五相永磁同步电机虚拟电压矢量表
Figure BDA0002800336880000111
Figure BDA0002800336880000121
Figure BDA0002800336880000131
Figure BDA0002800336880000141
步骤2.3)计算前一个采样周期的电压矢量输出值。
Figure BDA0002800336880000142
Figure BDA0002800336880000143
并通过步骤1中计算出的iq *与电机的实际转速ω计算出开绕组五相永磁同步电机在此时旋转坐标系下的交、直轴反电动势瞬时值。
Figure BDA0002800336880000144
其中Ls是电机的交轴电感，
Figure BDA0002800336880000145
是电机的永磁磁链，iq*是旋转坐标系下的交轴电流参考值，id*为旋转坐标系下的交轴电流参考值。
步骤3)采用欧拉前向差分的预测方程求出当前周期旋转坐标系下的交直轴电流。
步骤3.1)根据五相永磁同步电机旋转坐标系下的电压方程：
Figure BDA0002800336880000146
式中，Ls是电机的交轴电感、Rs为电机的定子电阻、ud是电机直轴上的电压、uq是电机交轴上的电压、id是电机直轴电流、iq是电机交轴上的电流、ωe是电机的电角度、
Figure BDA0002800336880000147
是电机的永磁磁链。
步骤3.2)采用欧拉前向差分的方式求出k+1时刻旋转坐标系下的交、直轴电流：
Figure BDA0002800336880000151
式中，ud(k)为步骤2.3)中计算出的上个周期作用再逆变器上的交直轴电压，将步骤2.3)中的us通过静止到旋转的变化获得。
步骤4)将逆变器1所产生的电压矢量作为当前采样周期的给定，代入预测模型与代价函数，求出符合控制系统给定的下个周期的旋转坐标系的交直轴电流。如果逆变器1提供的电压矢量能够满足驱动系统的需求，则逆变器2关闭；否则，逆变器1钳位至所提供的最大电压矢量，逆变器2提供剩余部分的增量。具体步骤可分为：
步骤4.1)根据开绕组五相永磁同步电机的数学模型，k+1时刻旋转坐标系下的交直轴电流可以表示为两个逆变器之和即：
Figure BDA0002800336880000152
步骤4.2)定义逆变器1、逆变器2所能提供的电压矢量：
Figure BDA0002800336880000153
Figure BDA0002800336880000154
式中，
Figure BDA0002800336880000155
和
Figure BDA0002800336880000156
是通过逆变器1所产生的旋转坐标系下交、直轴电流。Rs为电机绕组的相电阻，Ts是控制器的控制周期，Ls是电机的定子电感。
如图6所示，采用旋转坐标系下交轴电流无差拍的原则，k+1时刻的交轴电流与交轴的参考电流的差值记为：
Figure BDA0002800336880000157
步骤4.3)遍历逆变器1所产生的虚拟电压矢量，预测k+2时刻的五相永磁同步电机旋转坐标系下的交、直轴电流：
若
Figure BDA0002800336880000161
和
Figure BDA0002800336880000162
大于等于当前时刻所需要的增量
Figure BDA0002800336880000163
和
Figure BDA0002800336880000164
意味着逆变器1所提供的电压矢量已经可满足电机当前状态的需求，逆变器2关闭。通过在一个周期内作用多个电压矢量，在当前采样周期内产生的旋转坐标系下的电压矢量可表示为：
Figure BDA0002800336880000165
Figure BDA0002800336880000166
式中，
Figure BDA0002800336880000167
和
Figure BDA0002800336880000168
分别是逆变器1和逆变器2所选择电压矢量的实部和虚部，通过上标进行区分；
Figure BDA0002800336880000169
和
Figure BDA00028003368800001610
分别是逆变器1当前时刻待选虚拟电压矢量的实部和虚部；
Figure BDA00028003368800001611
和
Figure BDA00028003368800001612
分别是逆变器1当前时刻待选两个电压矢量的虚部和虚部；DR0INV1是逆变器1中有效电压矢量之和作用的比例因子，DRINV1是逆变器1中两个有效电压矢量之间的比例因子；当逆变器1所提供的增量满足当前需要时，逆变器1和逆变器2的比例因子满足：
Figure BDA00028003368800001613
Figure BDA00028003368800001614
电机在k+2时刻旋转坐标系下的交、直轴电流可以表示为：
Figure BDA00028003368800001615
其中
Figure BDA00028003368800001616
和
Figure BDA00028003368800001617
由是由逆变器1所提供的旋转坐标系下的交直轴电压。
如图7所示，逆变器所提供的虚拟电压矢量已经能够满足电机在当前时刻的状态，逆变器2就会及进行关闭，从而降低系统的损耗。
若
Figure BDA00028003368800001618
和
Figure BDA00028003368800001619
小于当前时刻所需要的增量
Figure BDA00028003368800001620
和
Figure BDA00028003368800001621
意味着逆变器1所提供的电压矢量已经无法满足电机当前状态的需求，需要逆变器2额外输出剩余部分的增量来满足电机工况的需求。逆变器1在当前周期内输出其所能输出的最大的增量
Figure BDA0002800336880000171
和
Figure BDA0002800336880000172
逆变器2则在当前周期内作用多个电压矢量，在当前采样周期内产生的旋转坐标系下的电压矢量可以表示为：
Figure BDA0002800336880000173
Figure BDA0002800336880000174
式中，
Figure BDA0002800336880000175
和
Figure BDA0002800336880000176
分别是逆变器1和逆变器2所选择电压矢量的实部和虚部，通过上标进行区分；
Figure BDA0002800336880000177
和
Figure BDA0002800336880000178
分别是逆变器1当前时刻待选虚拟电压矢量的实部和虚部；
Figure BDA0002800336880000179
和
Figure BDA00028003368800001710
是逆变器2第1个待选电压矢量的实部和虚部；
Figure BDA00028003368800001711
和
Figure BDA00028003368800001712
分别是逆变器2第2个待选电压矢量的实部和虚部；DR0INV2是有效电压矢量之和作用的比例因子，DRINV2是两个有效电压矢量之间的比例因子；当逆变器1所提供的增量不满足当前需要时，逆变器1和逆变器2的比例因子满足：
Figure BDA00028003368800001713
Figure BDA00028003368800001714
电机在k+2时刻旋转坐标系下的交、直轴电流可以表示为：
Figure BDA00028003368800001715
如图8所示，逆变器1所提供的虚拟电压矢量已经无法满足电机在当前时刻的状态，逆变器1输出所提供的最大电压矢量，逆变器2补充剩下部分的电流增量，从而达到预期的给定值。
步骤4.4)根据步骤4.3)中两种不同工况下求出的k+2时刻电机旋转坐标系下交直轴电流代入代价函数求出预期电压矢量：
Figure BDA00028003368800001716
步骤5)将所选择好的电压矢量与其对应的占空比信号输入到开绕组逆变器中，完成驱动系统的闭环控制。
步骤5.1)根据步骤4)求出最优电压矢量的索引号i、逆变器1中的比例因子DR0INV1和DRINV1、逆变器2中的比例因子DR0INV1和DRINV1。结合步骤2中所构建的开绕组五相永磁同步电机虚拟电压矢量表，输出开绕组逆变器各相的占空比：
若
Figure BDA0002800336880000181
和
Figure BDA0002800336880000182
大于等于当前时刻所需要的增量
Figure BDA0002800336880000183
和
Figure BDA0002800336880000184
时：
Figure BDA0002800336880000185
Figure BDA0002800336880000186
式中，
Figure BDA0002800336880000187
是通过所提算法计算出来的数值，用于逆变器1产生相应占空比的波形。
Figure BDA0002800336880000188
用于逆变器2缠上相应占空比的波形。
Figure BDA0002800336880000189
是逆变器1所选的第1个虚拟电压矢量的开关函数，其中x＝a,b,c,d,e；
Figure BDA00028003368800001810
是逆变器1所选第2个虚拟电压矢量的开关函数，其中x＝a,b,c,d,e；
如图9所示，左侧的开关序列是逆变器1的开关序列，右侧是逆变器2的开关序列。在当前工况下，逆变器1正常输出，逆变器2的开关输出低电平，以降低驱动系统整体的开关损耗。
若
Figure BDA00028003368800001811
和
Figure BDA00028003368800001812
大于等于当前时刻所需要的增量
Figure BDA00028003368800001813
和
Figure BDA00028003368800001814
时：
Figure BDA00028003368800001815
Figure BDA00028003368800001816
式中，
Figure BDA00028003368800001817
是通过所提算法计算出来的数值，用于逆变器1产生响应占空比的波形。
Figure BDA00028003368800001818
用于逆变器2缠上相应占空比的波形。
Figure BDA00028003368800001819
是逆变器2所选虚拟电压矢量的开关函数，其中x＝a,b,c,d,e；
Figure BDA00028003368800001820
是逆变器2所选第1个虚拟电压矢量的开关函数，其中x＝a,b,c,d,e；
Figure BDA00028003368800001821
逆变器2所选第1个虚拟电压矢量的开关函数，其中x＝a,b,c,d,e；
如图10所示，左侧的开关序列是逆变器1的开关序列，右侧是逆变器2的开关序列。在当前工况下，逆变器1输出最大电压矢量，每个控制周期只进行两次开关，逆变器2正常输出开关波形，从而使得驱动系统整体的开关损耗得到降低。
步骤5.2)将步骤5.1)所求出的逆变器1占空比与逆变器2占空比经PWM脉宽调制单元输出值逆变器的驱动芯片，相应的电压经由IGBT输出至电机。
图11～13分别给出了逆变器1单独作用时的A相电流、输出转矩、转速的仿真波形。
图14～16分别给出了逆变器1和逆变器2叠加作用时的A相电流、输出转矩、转速的仿真波形。
图17、图18分别给出了逆变器1单独作用时和逆变器1和逆变器2叠加作用时逆变器1的A相占空比变化。
图19给出了开绕组五相永磁同步电机从逆变器1单独作用切换到逆变器1和逆变器2叠加作用时逆变器1的A相占空比变化。
从上述仿真波形可以看出，本发明所提出的一种用于开绕组五相永磁同步电机的模型预测分解控制方法及装置具有降低系统损耗；最大化开绕组驱动系统的灵活性；同时将144次的矢量遍历降低为24次，减小了计算量。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种用于开绕组五相永磁同步电机的模型预测分解控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)获得开绕组五相永磁同步电机在旋转坐标系的基波空间交、直轴电流作为控制系统的给定；
步骤2)构建开绕组五相永磁同步电机静止坐标系下的虚拟电压矢量表，计算前一个控制周期作用虚拟电压矢量的标号，计算出静止坐标系下的电压并根据电机的数学模型求得电机的反电动势；
步骤3)采用欧拉前向差分的预测方程求出当前周期旋转坐标系下的交直轴电流；
步骤4)将逆变器1所产生的电压矢量作为当前采样周期的给定，代入预测模型与代价函数，求出符合控制系统给定的下个周期的旋转坐标系的交直轴电流，如果逆变器1提供的电压矢量能够满足驱动系统的需求，则逆变器2关闭；否则，逆变器1钳位至所提供的最大电压矢量，逆变器2提升剩余部分的增量；
步骤5)将所选择好的电压矢量与其对应的占空比信号输入到开绕组逆变器中，完成驱动系统的闭环控制。
2.根据权利要求1所述的用于开绕组五相永磁同步电机的模型预测分解控制方法，其特征在于，步骤1)的具体步骤包括：实时计算给定转速n*与电机的实际转速n之间的转速误差，通过PI调节器，得到所需的交轴电流的参考值iq *，直轴电流参考值id *＝0。
3.根据权利要求1所述的用于开绕组五相永磁同步电机的模型预测分解控制方法，其特征在于，步骤2)的具体步骤包括：
步骤2.1)构建开绕组五相永磁同步电机虚拟电压矢量表：
五相电压源逆变器在静止坐标系下所产生的电压矢量可表示为：
Figure FDA0002800336870000011
Figure FDA0002800336870000012
式中，Udc是直流母线电压；us是静止坐标系下的电压向量值；si(i＝a,b,c,d,e)是每个桥臂的开关函数；当上桥臂导通si＝1，下桥臂导通si＝0；
步骤2.2)由步骤1所得的电压矢量按照模长的大小分为大矢量uB、中矢量uM、小矢量uL和零矢量u0，根据使得谐波子空间等效为零的原则构建开绕组五相永磁同步虚拟电压矢量：
VVi(uB,uL)＝0.618×uM+(1-0.618)×uB
式中，0.618的比例因子可以使得两个电压矢量在五相永磁同步电机谐波子空间电压矢量等效为零；
步骤2.3)计算前一个采样周期(k-1)的电压矢量输出值：
Figure FDA0002800336870000021
Figure FDA0002800336870000022
并通过步骤1中计算出的iq *与电机的实际转速ω计算出开绕组五相永磁同步电机在此时旋转坐标系下的交、直轴反电动势瞬时值：
Figure FDA0002800336870000023
其中Ls是电机的交轴电感、
Figure FDA0002800336870000024
是电机的永磁磁链、iq*是旋转坐标系下的交轴电流参考值，id*为旋转坐标系下的交轴电流参考值。
4.根据权利要求1所述的用于开绕组五相永磁同步电机的模型预测分解控制方法，其特征在于，步骤3)的具体步骤包括：
步骤3.1)五相永磁同步电机旋转坐标系下的电压方程为：
Figure FDA0002800336870000025
式中，Ls是电机的交轴电感、Rs为电机的定子电阻、ud是电机直轴上的电压、uq是电机交轴上的电压、id是电机直轴电流、iq是电机交轴上的电流、ωe是电机的电角度、
Figure FDA0002800336870000026
是电机的永磁磁链；
步骤3.2)采用欧拉前向差分的方式求出k+1时刻旋转坐标系下的交、直轴电流：
Figure FDA0002800336870000027
式中，ud(k)为k时刻电机直轴上的电压、uq(k)为k时刻电机交轴上的电压，id(k)是电机直轴电流、iq(k)是电机交轴上的电流、EMFd(k)为k时刻电机的直轴反电动势、EMFq(k)为k时刻电机的交轴反电动势。
5.根据权利要求1所述的用于开绕组五相永磁同步电机的模型预测分解控制方法，其特征在于，步骤4)的具体步骤包括：
步骤4.1)根据开绕组五相永磁同步电机的数学模型，k+1时刻旋转坐标系下的交直轴电流可以表示为两个逆变器之和，即：
Figure FDA0002800336870000031
式中，
Figure FDA0002800336870000032
为k+1时刻逆变器1所提供旋转坐标系下直轴电压，
Figure FDA0002800336870000033
为k+1时刻逆变器1所提供旋转坐标系下交轴电压；
Figure FDA0002800336870000034
为k+1时刻逆变器2所提供旋转坐标系下直轴电压，
Figure FDA0002800336870000035
为k+1时刻逆变器2所提供旋转坐标系下交轴电压。
步骤4.2)定义逆变器1、逆变器2所能提供的电压矢量分别为：
Figure FDA0002800336870000036
Figure FDA0002800336870000037
式中，
Figure FDA0002800336870000038
和
Figure FDA0002800336870000039
是通过逆变器1所产生的旋转坐标系下交、直轴电流，Rs为电机绕组的相电阻，Ts是控制器的控制周期，Ls是电机的定子电感；EMFd(k+1)为k+1时刻电机的直轴反电动势、EMFq(k+1)为k+1时刻电机的交轴反电动势；步骤4.3)遍历逆变器1所产生的虚拟电压矢量，预测k+2时刻的五相永磁同步电机旋转坐标系下的交、直轴电流：
若
Figure FDA00028003368700000310
和
Figure FDA00028003368700000311
大于等于当前时刻所需要的增量
Figure FDA00028003368700000312
和
Figure FDA00028003368700000313
意味着逆变器1所提供的电压矢量已经可满足电机当前状态的需求，逆变器2关闭，通过在一个周期内作用多个电压矢量，在当前采样周期内产生的旋转坐标系下的电压矢量可表示为：
Figure FDA00028003368700000314
Figure FDA00028003368700000315
式中，
Figure FDA0002800336870000041
和
Figure FDA0002800336870000042
分别是逆变器1和逆变器2所选择电压矢量的实部和虚部，通过上标进行区分；real(VVi INV1)和imag(VVi INV1)分别是逆变器1当前时刻待选虚拟电压矢量的实部和虚部；
Figure FDA0002800336870000043
和
Figure FDA0002800336870000044
分别是逆变器1当前时刻待选两个电压矢量的虚部和虚部；DR0INV1是逆变器1中有效电压矢量之和作用的比例因子，DRINV1是逆变器1中两个有效电压矢量之间的比例因子；当逆变器1所提供的增量满足当前需要时，逆变器1和逆变器2的比例因子满足：
Figure FDA0002800336870000045
Figure FDA0002800336870000046
电机在k+2时刻旋转坐标系下的交、直轴电流可以表示为：
Figure FDA0002800336870000047
其中
Figure FDA0002800336870000048
和
Figure FDA0002800336870000049
由是由逆变器1所提供的旋转坐标系下的交直轴电压；
若
Figure FDA00028003368700000410
和
Figure FDA00028003368700000411
小于当前时刻所需要的增量
Figure FDA00028003368700000412
和
Figure FDA00028003368700000413
意味着逆变器1所提供的电压矢量已经无法满足电机当前状态的需求，需要逆变器2额外输出剩余部分的增量来满足电机工况的需求，逆变器1在当前周期内输出其所能输出的最大的增量
Figure FDA00028003368700000414
和
Figure FDA00028003368700000415
逆变器2则在当前周期内作用多个电压矢量，在当前采样周期内产生的旋转坐标系下的电压矢量可以表示为：
Figure FDA00028003368700000416
Figure FDA00028003368700000417
式中，
Figure FDA00028003368700000418
和
Figure FDA00028003368700000419
分别是逆变器1和逆变器2所选择电压矢量的实部和虚部，通过上标进行区分；real(VVi INV1)和imag(VVi INV1)分别是逆变器1当前时刻待选虚拟电压矢量的实部和虚部；
Figure FDA00028003368700000420
和
Figure FDA00028003368700000421
是逆变器2第1个待选电压矢量的实部和虚部；
Figure FDA0002800336870000051
和
Figure FDA0002800336870000052
分别是逆变器2第2个待选电压矢量的实部和虚部；DR0INV2是有效电压矢量之和作用的比例因子，DRINV2是两个有效电压矢量之间的比例因子；当逆变器1所提供的增量不满足当前需要时，逆变器1和逆变器2的比例因子满足：
Figure FDA0002800336870000053
Figure FDA0002800336870000054
电机在k+2时刻旋转坐标系下的交、直轴电流可以表示为：
Figure FDA0002800336870000055
步骤4.4)根据步骤4.3)中两种不同工况下求出的k+2时刻电机旋转坐标系下交直轴电流代入代价函数求出预期电压矢量：
Figure FDA0002800336870000056
6.根据权利要求1所述的用于开绕组五相永磁同步电机的模型预测分解控制方法，其特征在于，步骤5)的具体步骤包括：
步骤5.1)根据步骤4)求出最优电压矢量的索引号i、逆变器1中的比例因子DR0INV1和DRINV1、逆变器2中的比例因子DR0INV2和DRINV2，结合步骤2中所构建的开绕组五相永磁同步电机虚拟电压矢量表，输出开绕组逆变器各相的占空比：
若
Figure FDA0002800336870000057
和
Figure FDA0002800336870000058
大于等于当前时刻所需要的增量
Figure FDA0002800336870000059
和
Figure FDA00028003368700000510
时：
Figure FDA00028003368700000511
Figure FDA00028003368700000512
式中，
Figure FDA00028003368700000513
是通过所提算法计算出来的数值，用于逆变器1产生相应占空比的波形,
Figure FDA00028003368700000514
用于逆变器2缠上相应占空比的波形，
Figure FDA00028003368700000515
是逆变器1所选的第1个虚拟电压矢量的开关函数，其中x＝a,b,c,d,e；
Figure FDA00028003368700000516
是逆变器1所选第2个虚拟电压矢量的开关函数，其中x＝a,b,c,d,e；
若
Figure FDA0002800336870000061
和
Figure FDA0002800336870000062
大于等于当前时刻所需要的增量
Figure FDA0002800336870000063
和
Figure FDA0002800336870000064
时：
Figure FDA0002800336870000065
Figure FDA0002800336870000066
式中，
Figure FDA0002800336870000067
是通过所提算法计算出来的数值，用于逆变器1产生响应占空比的波形，
Figure FDA0002800336870000068
用于逆变器2缠上相应占空比的波形，
Figure FDA0002800336870000069
是逆变器2所选虚拟电压矢量的开关函数，其中x＝a,b,c,d,e；
Figure FDA00028003368700000610
是逆变器2所选第1个虚拟电压矢量的开关函数，其中x＝a,b,c,d,e；
Figure FDA00028003368700000611
逆变器2所选第1个虚拟电压矢量的开关函数，其中x＝a,b,c,d,e；
步骤5.2)将步骤5.1)所求出的逆变器1占空比与逆变器2占空比经PWM脉宽调制单元输出值逆变器的驱动芯片，相应的电压经由IGBT输出至电机。
7.一种用于开绕组五相永磁同步电机的模型预测分解控制装置，其特征在于，主要包括：
数据采集单元，使用相对位置型广电编码器获取电机的电角度和转速，使用DSP中的增强型捕获单元计算出开绕组五相永磁同步电机的电角速度ω、电角度θ；使用DSP中的ADC模块采样变换得到旋转坐标系下交、直轴电流id和iq；
指令电压输入单元，给定电机转速后通过DSP中的程序计算获得旋转坐标系下的交、直轴电流参考值iq*和id*；
增量判断单元，用于判断当前逆变器1所提供的电压矢量是否额能够满足电机驱动系统当前的需求；
逆变器1单独作用单元，通过DSP内部的程序判断
Figure FDA00028003368700000612
和
Figure FDA00028003368700000613
是否大于当前的参考值，若逆变器1所提供的电压矢量
Figure FDA00028003368700000614
和
Figure FDA00028003368700000615
大于当前的参考值，逆变器1单独输出占空比
Figure FDA00028003368700000616
逆变器2则占空比为0；
叠加作用单元，通过DSP内部的程序判断
Figure FDA00028003368700000617
和
Figure FDA00028003368700000618
是否大于当前的参考值，若逆变器1所提供的电压矢量
Figure FDA00028003368700000619
和
Figure FDA00028003368700000620
大于当前的参考值，逆变器1单独输出占空比
Figure FDA00028003368700000621
逆变器2输出占空比
Figure FDA00028003368700000622
PWM输出单元，PWM输出单元使用电压源型逆变器，将逆变器1、逆变器2输出的占空比通过三角载波进行调制，输出为PWM波，经过1ED020F12型隔离驱动芯片后驱动IGBT，产生相应的电压；
数据采集单元作为系统的输入，将采样得到的数据通过DSP进行处理，DSP根据指令电压输入电源输入到的指令进行控制和数据采集单元获取的到的数据进行计算求出当前时刻的给定值，增量判断单元通过判断当前时刻的给定值，在逆变器1单独作用单元和叠加作用单元之间进行判断，选择适合当前状态的模式进行输出，PWM输出单元将上述单元运算后的PWM信号进行输出，作用在电机绕组上产生电流，再通过数据采集单元进采集计算，从而形成一个完整的硬件和软件的闭环控制系统。
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