CN113179065B - 一种永磁同步电机模型预测脉冲序列控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机模型预测脉冲序列控制方法，具体为：对六个非零电压矢量进行电流预测和滚动寻优，选取使目标函数最小的矢量作为初始矢量；设计脉冲序列M及N，根据初始矢量及逆变器调制度选择备用脉冲序列；基于电流无差拍预测控制原则，计算备用序列中基本矢量的作用时间；结合所选序列和矢量作用时间，确定最优序列并作用于逆变器。本发明有效降低了逆变器共模电压幅值，简化了电流预测过程，有效降低了计算量，控制精度也得到了有效提高。

Description

一种永磁同步电机模型预测脉冲序列控制方法

技术领域

本发明属于电力电子与电力传动领域中交流电机控制系统领域，具体涉及一种具有低转矩脉动和共模电压的永磁同步电机模型预测脉冲序列控制方法。

背景技术

永磁同步电机具有体积小、重量轻、功率密度高等优点，已广泛应用于各种大功率交流传动系统中。目前，高性能永磁同步电机控制技术主要包括矢量控制与直接转矩控制。矢量控制以其较好的稳态控制性能在工业界得到了应用与推广，其控制性能依赖于内环PI控制器，而PI参数的调节与整定较为复杂。直接转矩控制具有结构简单、动态响应快、无需坐标变换等优点，但其转矩脉动较大。

随着现代控制理论及数字控制器的快速发展，模型预测控制以其动态响应快、控制简单灵活、便于处理非线性约束等优点，近年来受到广泛关注。在传统的模型预测控制中，零矢量的使用直接导致了共模电压的增大。而共模电压会产生较大的轴电压和电流，损坏电机绝缘和电机轴承，降低电机的使用寿命。此外，共模电压会产生严重的电磁干扰，影响周围电气设备的正常运行。因此，共模电压的抑制问题一直受到广泛关注。目前，共模电压的抑制策略主要分为被动抑制和主动抑制两类。被动抑制的方法主要有采用四桥臂逆变器拓扑、双桥逆变器拓扑、增加无源滤波器等，但这类方法会增加系统成本和体积。而主动抑制是通过优化控制及调制算法来降低共模电压，因为其成本低、实现简单、可移植性强的原因更加符合实际的应用需求。

在多电平及多相逆变器的模型预测控制算法中，由于其空间矢量数量较多，通常由产生较小CMV的电压矢量来构建虚拟矢量，以虚拟矢量集作为备选矢量进行模型预测控制。而在三相两电平逆变器中，一般采用弃用零矢量的方法来减小共模电压。现有的抑制共模电压的模型预测控制算法虽然可以有效降低逆变器的共模电压，但在每个控制周期内仅采用了两个非零电压矢量，故其合成矢量分布不连续，稳态控制精度较低。

发明内容

针对现有技术中的不足，为了在抑制共模电压的基础上，进一步降低转矩脉动，提高稳态控制精度。本发明提供一种永磁同步电机模型预测脉冲序列控制方法。

本发明的一种永磁同步电机模型预测脉冲序列控制方法，包括以下步骤：

S1、初始矢量选择。在三相两电平逆变器中，一共有8个电压矢量，包含六个非零矢量u₁～u₆和两个零矢量u₀与u₇。其中，六个非零矢量的幅值相同，在矢量空间平面以u₁相位角0°为参考，u₂～u₆的相位依次按照60°递增。

弃用零矢量u₀和u₇，计算六个非零矢量u₁～u₆作用下的dq轴电流预测值及目标函数值J，选取使目标函数值最小的非零矢量作为初始矢量；

弃用零矢量u₀和u₇，计算六个非零矢量u₁～u₆作用下的dq轴电流预测值及目标函数值J，选取使目标函数值最小的非零矢量作为初始矢量。

S2、脉冲序列的设计和备用序列的选择。

定义逆变器调制度m为

其中，|u_s|为合成矢量幅值，U_dc为逆变器直流侧电压。

设计脉冲序列如表1所示：

表1脉冲序列设计

当确定初始矢量且m＜0.61时，由表1选取对应的脉冲序列M，序列M中共有两个备用序列；当确定初始矢量且m≥0.61时，由表1可选取对应的脉冲序列N，序列N中仅有一个备用序列。

S3、基本矢量作用时间计算：确定备选序列后，根据电流无差拍控制思想，令k+2时刻电流预测值等于参考值，计算序列中各基本矢量的作用时间。

S4、确定最优序列：当确定初始矢量且m＜0.61时，共有两个备选序列，结合基本矢量作用时间，计算两个序列对应的目标函数值，选取使目标函数值最小的序列为最优序列；当确定初始矢量且m≥0.61时，仅有一个备选序列，则所选序列即为最优序列。

本发明的有益技术效果为：

(1)在设计脉冲序列时弃用了零矢量，有效降低了逆变器共模电压幅值；

(2)所设计的脉冲序列中包含三个非零矢量，其合成矢量在矢量空间中分布连续，控制精度得到了有效提高。

(3)通过表1选取备用脉冲序列，仅需计算备选序列所对应的电流预测值，简化了电流预测过程，有效降低了计算量。

附图说明

图1为三相两电平逆变器及永磁同步电机拓扑图。

图2为空间电压矢量分布图。

图3为脉冲序列作用下合成矢量分布图。

图4为本发明方法流程框图。

图5为稳态情况下，电机转速、负载转矩、a相电流、共模电压的实验波形。

图6为负载转矩突变时，电机转速、负载转矩、a相电流、共模电压的实验波形。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方法对版本发明做进一步详细说明。

本发明以三相两电平逆变器及永磁同步电机为研究对象，其拓扑如图1所示。在三相两电平逆变器中，一共有8个电压矢量，各电压矢量在空间上的分布如图2所示。三相逆变器及永磁同步电机系统中共模电压(common-mode voltage，CMV)为负载星形连接中点与直流母线中点之间的电压，可以表示为

其中，U_dc为直流侧电压值，S_i(i＝a,b,c)依次表示逆变器三相桥臂的开关信号，当S_i＝1时上桥臂导通；当S_i＝0时下桥臂导通。零矢量u₀和u₇产生的共模电压最大，分别为-U_dc/2和U_dc/2，其余矢量产生的共模电压为±U_dc/6。

本发明方案的具体实施步骤如图4所示，具体为：

首先，选择初始矢量。考虑一拍延时补偿，k+1时刻的电流预测值为

其中，u_d、u_q、i_d、i_q分别为d、q轴定子电压、电流；L_d、L_q为定子电感；R为定子电阻；ω_e为转子电角速度；ψ_f为永磁体磁链；T_s为控制周期。以k+1时刻的电流预测值作为为初始值进一步预测k+2时刻的电流，从而实现一拍延迟误差的补偿。

那么，k+2时刻的电流预测值为

以u₁～u₆作为备选矢量进行第一次电流预测，并计算对应的目标函数值，选取使目标函数值最小的电压矢量作为初始矢量u_x。其中，目标函数为

其次，进行脉冲序列的设计和备用序列的选择。脉冲序列的设计如表1所示，由脉冲序列构成的合成矢量分布如图3(a)所示。定义逆变器调制度为

其中，|u_s|为合成矢量幅值，在本发明中利用上一控制周期作用的合成矢量来计算调制度，调制度范围为[0,1]，线性调制区调制度为[0,0.907]。由三角形重心定理可得图3(b)中内环虚线处调制度为0.61。当确定初始矢量且m＜0.61时，由表1可选取对应的脉冲序列M，序列M中共有两个备用序列；当确定初始矢量且m≥0.61时，由表1可选取对应的脉冲序列N，序列N中仅有一个备用序列。这样的序列设计方法可以在保证稳态性能的前提下尽可能减小逆变器开关频率。

然后，计算备用序列中基本矢量的作用时间。备选脉冲序列由三个非零矢量u_x、u_y、u_z构成。则k+2时刻的电流预测值可以表示为

其中，t_x、t_y、t_z为矢量u_x、u_y、u_z的作用时间；s_dx、s_qx、s_dy、s_qy、s_dz、s_qz为矢量u_x、u_y、u_z作用下d、q轴电流变化率，其值可以表示为

根据无差拍预测控制思想，令k+2时刻的电流预测值等于参考值，则有

计算出备选序列中各矢量作用时间后，将其值限制在0～T_s内。

最后，确定最优序列。若调制度m＜0.61，由表1选取的脉冲序列M中包含两个备用序列，计算两个序列对应的k+2时刻的电流预测值及目标函数值，选取使目标函数值最小的脉冲序列为最优序列并作用于逆变器。若调制度m≥0.61，由表1选取的脉冲序列N中仅有一个备选序列，计算并修正其作用时间后直接作用于逆变器即可。

图5为稳态情况下，电机转速、负载转矩、a相电流、共模电压的实验波形。

图6为负载转矩突变时，电机转速、负载转矩、a相电流、共模电压的实验波形。

Claims (1)

1.一种永磁同步电机模型预测脉冲序列控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、初始矢量选择：在三相两电平逆变器中，一共有8个电压矢量，包含六个非零矢量u₁～u₆和两个零矢量u₀与u₇；其中，六个非零矢量的幅值相同，在矢量空间平面以u₁相位角0°为参考，u₂～u₆的相位依次按照60°递增；

弃用零矢量u₀和u₇，计算六个非零矢量u₁～u₆作用下的dq轴电流预测值及目标函数值J，选取使目标函数值最小的非零矢量作为初始矢量；

S2、脉冲序列的设计和备用序列的选择：

定义逆变器调制度m为

其中，|u_s|为合成矢量幅值，U_dc为逆变器直流侧电压；

设计脉冲序列如表1所示：

表1脉冲序列设计

当确定初始矢量且m＜0.61时，由表1选取对应的脉冲序列M，序列M中共有两个备用序列；当确定初始矢量且m≥0.61时，由表1可选取对应的脉冲序列N，序列N中仅有一个备用序列；

S3、基本矢量作用时间计算：确定备选序列后，根据电流无差拍控制思想，令k+2时刻电流预测值等于参考值，计算序列中各基本矢量的作用时间；

S4、确定最优序列：当确定初始矢量且m＜0.61时，共有两个备选序列，结合基本矢量作用时间，计算两个序列对应的目标函数值，选取使目标函数值最小的序列为最优序列；当确定初始矢量且m≥0.61时，仅有一个备选序列，则所选序列即为最优序列。

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