CN113037167A - 一种提高电压利用率的五相pmsm模型预测控制方法 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本发明属于多相电机控制系统设计与制造技术领域,具体涉及一种提高电压利用率的五相PMSM模型预测控制方法。
背景技术
随着电力电子技术的发展,电机摆脱了相数的限制,多相电机驱动受到了广泛关注。与传统三相电机相比,多相电机具有以下优势:1)可靠性高;2)低压大功率;3)转矩脉动小;4)控制自由度多。近年来,多相电机驱动系统在电动汽车等领域得到广泛关注。
有限集模型预测控制(Finite Control Set Model Predictive Control,FCS-MPC)具有结构简单、动态响应快、易于处理非线性约束问题等优势。FCS-MPC利用逆变器的离散性,枚举所有电压矢量,根据评价函数选择最优矢量输出,控制结构简单。
与三相系统相比,五相电机驱动系统不仅需要控制基波电流,还需抑制三次谐波电流,一定程度上增加了控制复杂度。此外,五相电压源逆变器(Voltage SourceInverter, VSI)开关状态多,进一步增加了FCS-MPC的计算量。因此,三次谐波抑制和计算复杂度简化是五相驱动系统中需要关注的两个问题。现有五相FCS-MPC方法虽然可以有效抑制三次谐波、减少控制器计算量,但同时减小了直流电压利用率,导致调速范围受限。
发明内容
针对现有技术中控制复杂度较高,抑制三次谐波方法减小了直流电压利用率,导致调速范围受限的问题,本发明提供一种提高电压利用率的五相PMSM模型预测控制方法,其目的在于:在有效抑制五相电机中三次谐波的同时,提高直流电压利用率,简化计算复杂度。
本发明采用的技术方案如下:
一种提高电压利用率的五相PMSM模型预测控制方法,包括以下步骤:
采用上述方案,在步骤S1中,通过对评价函数偏导计算输出矢量的最优幅值,在保证直流电压充分利用的同时减少电流跟踪误差;通过将大矢量、中矢量、零矢量按一定比例合成,可有效抑制五相电机中的三次谐波,其中滞环比较器的使用可限定的范围,避免两种合成方式的频繁切换,增强了稳定性。
优选的,所述步骤S3中,在稳态定子电压计算式中加入q轴电流反馈项。
优选的,所述步骤S1具体为:
其中,表示第个采样周期时刻;、表示基波旋转坐标系d1-q1下的定子电压;、表示d1-q1坐标系下的定子电流;、表示d1-q1坐标系下的定子电流参考值;表示定子相电阻;、表示直轴电感和交轴电感;表示永磁体磁链;表示转子电角速度;表示采样周期;表示直流母线电压;、、、表示计算幅值时的中间变量。
优选的,所述步骤S2具体为:
优选的,所述步骤S3具体为:
其中,和分别为滞环比较器的上阈值和下阈值;和分别为限定的最小值和最大值;、表示基波旋转坐标系d1-q1下的定子电压;表示第个采样周期时刻;表示定子相电阻;、表示d1-q1坐标系下的定子电流;表示转子电角速度;、表示直轴电感和交轴电感;表示永磁体磁链;表示幅值与大矢量幅值之比。
优选的,所述稳态定子电压计算式中加入q轴电流反馈项具体步骤为:
其中,表示电流反馈比例系数,表示第个采样周期时刻;、表示基波旋转坐标系d1-q1下的定子电压;表示定子相电阻;、表示d1-q1坐标系下的定子电流;表示转子电角速度;、表示直轴电感和交轴电感;表示永磁体磁链;表示d1-q1坐标系下的定子电流参考值。
采用上述方案,有效提高了直流电压利用率,具有更宽的电机调速范围,提高了动态响应速度
综上所述,由于采用了上述技术方案,本发明的有益效果是:
1.在步骤S1中,通过对评价函数偏导计算输出矢量的最优幅值,在保证直流电压充分利用的同时减少电流跟踪误差;通过将大矢量、中矢量、零矢量按一定比例合成,可有效抑制五相电机中的三次谐波,其中滞环比较器的使用可限定的范围,避免两种合成方式的频繁切换,增强了稳定性。
2.有效提高了直流电压利用率,具有更宽的电机调速范围,提高了动态响应速度。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明,其中:
图1为本发明的提高电压利用率的五相PMSM模型预测控制方法流程示意图;
图2为本发明实施例中五相永磁同步电机驱动系统拓扑图;
图3为本发明实施例中五相两电平逆变器α 1 -β 1 基波子空间的电压矢量分布图;
图4为本发明实施例中五相两电平逆变器α 3 -β 3 谐波子空间的电压矢量分布图;
图5为本发明实施例中的滞环比较器示意图;
图6为传统FCS-MPC方法的最大转速测试实验波形图;
图7为本发明方法的最大转速测试实验波形图;
图8为传统FCS-MPC方法300r/min时的相电流实验波形图;
图9为本发明方法300r/min时的相电流实验波形图;
图10为本发明方法700r/min时的相电流实验波形图;
图11为传统FCS-MPC方法的电流动态响应实验波形图;
图12为本发明方法的电流动态响应实验波形图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征,或公开的所有方法或过程中的步骤,除了互相排斥的特征和/或步骤以外,均可以以任何方式组合。
下面结合图1-图12对本发明作详细说明。
一种提高电压利用率的五相PMSM模型预测控制方法流程图如图1所示,包括以下步骤:
本发明针对的对象为五相永磁同步电机驱动系统,参考图2,星形连接的五相系统可分解为1个二维基波子空间与1个二维谐波子空间,其中基波和(10k±1)次谐波映射到α1-β1子空间,(10k±3)次谐波映射到α3-β3子空间(k=1,2, …)。五相系统基波子空间和谐波子空间的电压矢量分布如图3和图4所示。根据α 1-β 1子空间电压矢量的幅值大小可将32个电压矢量分为4类:大矢量,幅值为0.6472;中矢量,幅值为0.4;小矢量,幅值为0.2472;零矢量,幅值为0。
延时补偿后的电流预测模型和评价函数为:
其中,表示第个采样周期时刻;、表示基波旋转坐标系d1-q1下的定子电压;、表示d1-q1坐标系下的定子电流;、表示d1-q1坐标系下的定子电流参考值;表示定子相电阻;、表示直轴电感和交轴电感;表示永磁体磁链;表示转子电角速度;表示采样周期;表示评价值。
稳态定子电压计算式为:
其中,在稳态定子电压计算式中加入q轴电流反馈项。
根据定子电压方程,可得到q轴电流变化率表达式:
图6和图7示出了传统FSC-MPC方法和本发明提出方法的最大转速测试实验结果,其中表示转速参考值,n表示转速实际值,表示q轴电流参考值,表示q轴电流实际值。可见传统方法的最大转速为670r/min,本发明方法的最大转速为790r/min。本发明有效提高了直流电压利用率,具有更宽的电机调速范围。
图8和图9示出了传统FSC-MPCC方法和本发明提出方法在300r/min时的相电流实验结果,其中表示a相电流。本发明方法的电流THD(5.53%)与传统方法(5.69%)相近,可见本发明方法不会降低中低速区的稳态性能;图10示出了本发明提出方法在700r/min时的相电流实验结果,而传统方法无法达到700r/min。本发明提出方法的电流THD为17.79%,相电流仅产生较小畸变,可见本发明方法在提高直流电压利用率的同时仍能一定程度上抑制三次谐波。
图11和图12示出了传统FSC-MPCC方法和本发明提出方法电流动态响应实验结果。本发明方法的q轴电流动态响应时间(1.61us)快于传统方法(1.86us),可见本发明方法能够有效提高系统动态响应速度。
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本申请技术方案构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本申请的保护范围。
Claims (6)
2.根据权利要求1所述的一种提高电压利用率的五相PMSM模型预测控制方法,其特征在于,所述步骤S3中,在稳态定子电压计算式中加入q轴电流反馈项。
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