CN113258834A - 基于离散空间矢量调制的无差拍模型预测转矩控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于离散空间矢量调制的无差拍模型预测转矩控制方法，属于电机控制领域，该方法利用离散空间矢量调制，选取两相邻有效矢量与零矢量合成大量虚拟电压矢量；还采用无差拍技术得到参考电压矢量，通过对参考电压矢量进行代数运算计算出候选电压矢量，避免枚举出所有的虚拟电压向量，使得该方法在增加可选电压矢量数量的同时减少了预测次数，降低了转矩脉动和计算量。

Description

基于离散空间矢量调制的无差拍模型预测转矩控制方法

技术领域

本发明属于电机控制领域，具体的说，涉及了一种基于离散空间矢量调制的无差拍模型预测转矩控制方法。

背景技术

永磁同步电机(PMSM)具有结构简单、功率密度高、效率高等优点，在高精度数控机床、机器人、航空航天等领域得到了广泛应用。模型预测转矩控制策略因其结构简单，动态响应速度快，系统鲁棒性强等优点，逐渐引起国内外专家、研究学者的关注。

传统模型预测转矩控制在一个采样周期内需要对电压矢量进行枚举、预测，所以存在着计算量大的问题。另外，由于可选电压矢量数量有限，选取的电压矢量可能并不能很好地对转矩和磁链进行跟踪，从而导致出现过调节、欠调节等现象造成转矩脉动较大。为了减小模型预测转矩控制方法的转矩脉动，通常采用以下两种方法：一是在一个控制周期内作用多个电压矢量，另一种方法是增加可选电压矢量，但是这两种方法都不可避免的增加了计算量。因此，如何在减小转矩脉动的同时降低模型预测转矩控制的计算量具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于离散空间矢量调制的无差拍模型预测转矩控制方法。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

本发明提供一种基于离散空间矢量调制的无差拍模型预测转矩控制方法，包括以下步骤：

步骤1，将给定转子角速度ω^*和反馈转子角速度ω的偏差输入到PI控制器，输出转矩给定值

步骤2，采集三相静止abc坐标系下的相电流，经Clark变换得到两相静止αβ坐标系下的两相电流i_α和i_β，再将i_α和i_β通过Park变换得到两相旋转dq坐标系下的两相电流i_d和i_q；

步骤3，利用i_d和i_q进行电流预测和磁链观测，得到预测的d轴电流

q轴电流

和磁链

步骤4，以转矩给定值

磁链给定值ψ^*、d轴电流

q轴电流

和磁链

作为输入，根据转矩、磁链无差拍原理，获得参考电压u_d和u_q；

将电压u_d和u_q通过逆Park变换得到两相静止αβ坐标系下的两相电压u_α和u_β，计算得到参考电压矢量角度θ_ref，根据θ_ref确定参考电压u_ref所在扇区；

步骤5，根据参考电压u_ref，通过运算从虚拟电压矢量中得到候选电压矢量；其中，利用离散空间矢量调制方法将一个控制周期T等分为N个时间段，在每个时间段施加相应扇区内相邻的两个非零电压矢量和零电压矢量，合成离散虚拟电压矢量；

虚拟电压矢量u_vir表示为：

其中，

电压矢量u_j∈{u₀,u₁,……,u₇}；

步骤6，通过代价函数对候选电压矢量进行筛选，选择使代价函数最小的电压矢量作为最优电压矢量并作用于电机。

基于上述，步骤4所述的根据θ_ref确定参考电压u_ref所在扇区的方法是：

将参考电压矢量从dq坐标系下转换到αβ坐标系，求出参考电压矢量角度θ_ref，根据角度判断u_ref所在扇区及包含的有效电压矢量和零电压矢量，其中：

扇区Ⅰ：θ_ref∈[0，π/3]，(u₁，u₂，u₀)；

扇区Ⅱ：θ_ref∈[π/3，2π/3]，(u₂，u₃，u₀)；

扇区Ⅲ：θ_ref∈[2π/3，π]，(u₃，u₄，u₀)；

扇区Ⅳ：θ_ref∈[π，4π/3]，(u₄，u₅，u₀)；

扇区Ⅴ：θ_ref∈[4π/3，5π/3]，(u₅，u₆，u₀)；

扇区Ⅵ：θ_ref∈[5π/3，2π]，(u₆，u₁，u₀)。

基于上述，步骤5所述的通过运算从虚拟电压矢量中得到候选电压矢量的方法是：

假设u_ref在扇区Ⅰ内，与其对应的基本电压矢量分别为u₁，u₂，则u_ref表示为：

u_ref＝d_au₁+d_bu₂+d₀u₀

＝Nd_av₁+Nd_bv₂+Nd₀v₀

＝D_av₁+D_bv₂

其中，u₁、u₂表示参与虚拟电压矢量合成的非零电压矢量，u₀表示零电压矢量，v₁，v₂，v₀表示相应基本电压矢量被N等分后的电压矢量，d_a、d_b、d₀为对应电压矢量的占空比，其值由下式计算得到：

d₀＝1-d_a-d_b

将参考电压u_ref表示为u_ref＝(D_a,D₀)，分别对D_a，D₀进行向上、向下取整得到以下四个候选电压矢量：

其中，

表示向上取整，

表示向下取整，选取以上表示的四个电压矢量作为候选电压矢量。

基于上述，步骤6所述的代价函数为：

其中，

表示系统在第i个基本电压矢量作用下k+2时刻的转矩和磁链在线预测结果，

代表给定转矩和磁链，λ为权重因子。

本发明第二方面提供一种基于离散空间矢量调制的无差拍模型预测转矩控制系统，该系统包括：

转速感测器，用于测量电机转子的角速度ω_k；

PI控制器，用于根据给定的转子角速度ω^*和转速感测器测量到的转子角速度ω_k的偏差输出转矩给定值

电力感测装置，用于感测电机的定子三相绕组的相电流；

坐标变换模块，用于将电机的定子三相绕组相电流，经Clark变换得到两相静止αβ坐标系下的两相电流i_α和i_β，再将i_α和i_β通过Park变换得到两相旋转dq坐标系下的两相电流i_d和i_q；

转矩和磁链预测模块，用于利用i_d和i_q进行电流预测和磁链观测，得到预测的d轴电流

q轴电流

和磁链

参考电压矢量预测与扇区选择模块，用于以转矩给定值

磁链给定值ψ^*、d轴电流

q轴电流

和磁链

作为输入，根据转矩、磁链无差拍原理，获得参考电压u_d和u_q；还用于根据两相电压u_α和u_β计算得到参考电压矢量角度θ_ref，根据θ_ref确定参考电压u_ref所在扇区；

逆Park变换器，用于将电压u_d和u_q通过逆Park变换得到两相静止αβ坐标系下的两相电压u_α和u_β；

候选电压矢量计算模块，用于根据参考电压u_ref，通过运算从虚拟电压矢量中得到候选电压矢量；其中，利用离散空间矢量调制方法将一个控制周期T等分为N个时间段，在每个时间段施加相应扇区内相邻的两个非零电压矢量和零电压矢量，合成离散虚拟电压矢量；

虚拟电压矢量u_vir表示为：

其中，

电压矢量u_j∈{u₀,u₁,……,u₇}；

代价函数模块，用于通过代价函数对候选电压矢量进行筛选，选择使代价函数最小的电压矢量作为最优电压矢量；

输出控制模块，使用最优电压矢量进行调制后控制电机。

本发明相对现有技术具有实质性特点和进步，具体的说：本发明利用离散空间矢量调制合成大量虚拟电压矢量，通过无差拍技术计算得到参考电压矢量；通过对参考电压矢量进行代数运算计算出三个候选电压矢量，避免了枚举出所有的虚拟电压矢量，使得该方法在增加可选电压矢量的同时减少了预测次数。因此，该方法能同时降低模型预测转矩控制中的转矩脉动和计算量。

附图说明

图1为本发明系统的控制框图。

图2为本发明方法矢量选择的流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

实施例1

如图1和图2所示，本实施例提供一种基于离散空间矢量调制的无差拍模型预测转矩控制方法，包括以下步骤：

步骤1，将给定转子角速度ω^*和反馈转子角速度ω的偏差输入到PI控制器，输出转矩给定值

步骤2，采集三相静止abc坐标系下的相电流，经Clark变换得到两相静止αβ坐标系下的两相电流i_α和i_β，再将i_α和i_β通过Park变换得到两相旋转dq坐标系下的两相电流i_d和i_q；

步骤3，利用i_d和i_q进行电流预测和磁链观测，得到预测的d轴电流

q轴电流

和磁链

步骤4，以转矩给定值

磁链给定值ψ^*、d轴电流

q轴电流

和磁链

作为输入，根据转矩、磁链无差拍原理，获得参考电压u_d和u_q；

将电压u_d和u_q通过逆Park变换得到两相静止αβ坐标系下的两相电压u_α和u_β，计算得到参考电压矢量角度θ_ref，根据θ_ref确定参考电压u_ref所在扇区；

步骤5，根据参考电压u_ref，通过运算从虚拟电压矢量中得到候选电压矢量；其中，利用离散空间矢量调制方法将一个控制周期T等分为N个时间段，在每个时间段施加相应扇区内相邻的两个非零电压矢量和零电压矢量，合成离散虚拟电压矢量；因此，可选电压矢量的数量等于增加的离散虚拟电压矢量的数量与原有的基本电压矢量数量之和；对于一个两电平电压源逆变器来说，如果一个控制周期被平均分成N个部分，则虚拟电压矢量u_vir表示为：

其中，

电压矢量u_j∈{u₀,u₁,……,u₇}；

步骤6，通过代价函数对候选电压矢量进行筛选，选择使代价函数最小的电压矢量作为最优电压矢量并作用于电机。

具体的，根据θ_ref确定参考电压u_ref所在扇区的方法是：

将参考电压矢量从dq坐标系下转换到αβ坐标系，求出参考电压矢量角度θ_ref，根据角度判断u_ref所在扇区及包含的有效电压矢量和零电压矢量，其中：

扇区Ⅰ：θ_ref∈[0，π/3]，(u₁，u₂，u₀)；

扇区Ⅱ：θ_ref∈[π/3，2π/3]，(u₂，u₃，u₀)；

扇区Ⅲ：θ_ref∈[2π/3，π]，(u₃，u₄，u₀)；

扇区Ⅳ：θ_ref∈[π，4π/3]，(u₄，u₅，u₀)；

扇区Ⅴ：θ_ref∈[4π/3，5π/3]，(u₅，u₆，u₀)；

扇区Ⅵ：θ_ref∈[5π/3，2π]，(u₆，u₁，u₀)。

基于离散空间矢量调制的电压矢量选取方法如下：

假设u_ref在扇区Ⅰ内，与其对应的基本电压矢量分别为u₁，u₂，则u_ref表示为：

u_ref＝d_au₁+d_bu₂+d₀u₀

＝Nd_av₁+Nd_bv₂+Nd₀v₀

＝D_av₁+D_bv₂

其中，u₁、u₂表示参与虚拟电压矢量合成的非零电压矢量，u₀表示零电压矢量，v₁，v₂，v₀表示相应基本电压矢量被N等分后的电压矢量，d_a、d_b、d₀为对应电压矢量的占空比，其值由下式计算得到：

d₀＝1-d_a-d_b

将参考电压u_ref表示为u_ref＝(D_a,D₀)，分别对D_a，D₀进行向上、向下取整得到以下四个候选电压矢量：

其中，

表示向上取整，

表示向下取整，选取以上表示的四个电压矢量作为候选电压矢量。

通过代价函数进行进一步筛选，其中代价函数为：

其中，

表示系统在第i个基本电压矢量作用下k+2时刻的转矩和磁链在线预测结果，

代表给定转矩和磁链，λ为权重因子。代价函数用来平衡转矩和磁链两个不同变量的控制性能，选择使代价函数最小的电压矢量作为最优电压矢量并作用于电机。

实施例2

本实施例提供了一种基于离散空间矢量调制的无差拍模型预测转矩控制系统，该系统包括：

转速感测器，用于测量电机转子的角速度ω_k；

PI控制器，用于根据给定的转子角速度ω^*和转速感测器测量到的转子角速度ω_k的偏差输出转矩给定值

电力感测装置，用于感测电机的定子三相绕组的相电流；

坐标变换模块，用于将电机的定子三相绕组相电流，经Clark变换得到两相静止αβ坐标系下的两相电流i_α和i_β，再将i_α和i_β通过Park变换得到两相旋转dq坐标系下的两相电流i_d和i_q；

转矩和磁链预测模块，用于利用i_d和i_q进行电流预测和磁链观测，得到预测的d轴电流

q轴电流

和磁链

参考电压矢量预测与扇区选择模块，用于以转矩给定值

磁链给定值ψ^*、d轴电流

q轴电流

和磁链

作为输入，根据转矩、磁链无差拍原理，获得参考电压u_d和u_q；还用于根据两相电压u_α和u_β计算得到参考电压矢量角度θ_ref，根据θ_ref确定参考电压u_ref所在扇区；

逆Park变换器，用于将电压u_d和u_q通过逆Park变换得到两相静止αβ坐标系下的两相电压u_α和u_β；

候选电压矢量计算模块，用于根据参考电压u_ref，通过运算从虚拟电压矢量中得到候选电压矢量；其中，利用离散空间矢量调制方法将一个控制周期T等分为N个时间段，在每个时间段施加相应扇区内相邻的两个非零电压矢量和零电压矢量，合成离散虚拟电压矢量；

虚拟电压矢量u_vir表示为：

其中，

电压矢量u_j∈{u₀,u₁,……,u₇}；

代价函数模块，用于通过代价函数对候选电压矢量进行筛选，选择使代价函数最小的电压矢量作为最优电压矢量；

输出控制模块，使用最优电压矢量进行调制后控制电机。

需要说明的是，为描述的方便和简洁，上述描述的基于离散空间矢量调制的无差拍模型预测转矩控制系统的具体工作原理，可以参考上述实施例1描述的方法的对应过程，在此不再赘述。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (8)

1.一种基于离散空间矢量调制的无差拍模型预测转矩控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将给定转子角速度ω^*和反馈转子角速度ω的偏差输入到PI控制器，输出转矩给定值

步骤2，采集三相静止abc坐标系下的相电流，经Clark变换得到两相静止αβ坐标系下的两相电流i_α和i_β，再将i_α和i_β通过Park变换得到两相旋转dq坐标系下的两相电流i_d和i_q；

步骤3，利用i_d和i_q进行转矩和磁链预测，得到预测的d轴磁链

q轴磁链

和转矩

步骤4，以转矩给定值

磁链给定值ψ^*、d轴磁链

q轴磁链

和转矩

作为输入，根据转矩、磁链无差拍原理，获得参考电压u_d和u_q；

将电压u_d和u_q通过逆Park变换得到两相静止αβ坐标系下的两相电压u_α和u_β，计算得到参考电压矢量角度θ_ref，根据θ_ref确定参考电压u_ref所在扇区；

步骤5，根据参考电压u_ref，通过运算从虚拟电压矢量中得到候选电压矢量；其中，利用离散空间矢量调制方法将一个控制周期T等分为N个时间段，在每个时间段施加相应扇区内相邻的两个非零电压矢量和零电压矢量，合成离散虚拟电压矢量；

虚拟电压矢量u_vir表示为：

其中，

电压矢量u_j∈{u₀，u₁，......，u₇}；

步骤6，通过代价函数对候选电压矢量进行筛选，选择使代价函数最小的电压矢量作为最优电压矢量并作用于电机。

2.根据权利要求1所述的基于离散空间矢量调制的无差拍模型预测转矩控制方法，其特征在于，步骤4所述的根据θ_ref确定参考电压u_ref所在扇区的方法是：

将参考电压矢量从dq坐标系下转换到αβ坐标系，求出参考电压矢量角度θ_ref，根据角度判断u_ref所在扇区及包含的有效电压矢量和零电压矢量，其中：

扇区I：θ_ref∈[0，π/3]，(u₁，u₂，u₀)；

扇区II：θ_ref∈[π/3，2π/3]，(u₂，u₃，u₀)；

扇区III：θ_ref∈[2π/3，π]，(u₃，u₄，u₀)；

扇区IV：θ_ref∈[π，4π/3]，(u₄，u₅，u₀)；

扇区V：θ_ref∈[4π/3，5π/3]，(u₅，u₆，u₀)；

扇区VI：θ_ref∈[5π/3，2π]，(u₆，u₁，u₀)。

3.根据权利要求2所述的基于离散空间矢量调制的无差拍模型预测转矩控制方法，其特征在于，步骤5所述的通过运算从虚拟电压矢量中得到候选电压矢量的方法是：

假设u_ref在扇区I内，与其对应的基本电压矢量分别为u₁，u₂，则u_ref表示为：

u_ref＝d_au₁+d_bu₂+d₀u₀

＝Nd_av₁+Nd_bv₂+Nd₀v₀

＝D_av₁+D_bv₂

其中，u₁、u₂表示参与虚拟电压矢量合成的非零电压矢量，u₀表示零电压矢量，v₁，v₂，v₀表示相应基本电压矢量被N等分后的电压矢量，d_a、d_b、d₀为对应电压矢量的占空比，其值由下式计算得到：

d₀＝1-d_a-d_b

将参考电压u_ref表示为u_ref＝(D_a，D₀)，分别对D_a，D₀进行向上、向下取整得到以下四个候选电压矢量：

其中，

表示向上取整，

表示向下取整，选取以上表示的四个电压矢量作为候选电压矢量。

4.根据权利要求3所述的基于离散空间矢量调制的无差拍模型预测转矩控制方法，其特征在于，步骤6所述的代价函数为：

其中，

表示系统在第i个基本电压矢量作用下k+2时刻的转矩和磁链在线预测结果，

代表给定转矩和磁链，λ为权重因子。

5.一种基于离散空间矢量调制的无差拍模型预测转矩控制系统，其特征在于，该系统包括：

转速感测器，用于测量电机转子的角速度ω_k；

PI控制器，用于根据给定的转子角速度ω^*和转速感测器测量到的转子角速度ω_k的偏差输出转矩给定值

电力感测装置，用于感测电机的定子三相绕组的相电流；

坐标变换模块，用于将电机的定子三相绕组相电流，经Clark变换得到两相静止αβ坐标系下的两相电流i_α和i_β，再将i_α和i_β通过Park变换得到两相旋转dq坐标系下的两相电流i_d和i_q；

转矩和磁链预测模块，用于利用i_d和i_q进行电流预测和磁链观测，得到预测的d轴电流

q轴电流

和磁链

参考电压矢量预测与扇区选择模块，用于以转矩给定值

磁链给定值ψ^*、d轴电流

q轴电流

和磁链

作为输入，根据转矩、磁链无差拍原理，获得参考电压u_d和u_q；还用于根据两相电压u_α和u_β计算得到参考电压矢量角度θ_ref，根据θ_ref确定参考电压u_ref所在扇区；

逆Park变换器，用于将电压u_d和u_q通过逆Park变换得到两相静止αβ坐标系下的两相电压u_α和u_β；

候选电压矢量计算模块，用于根据参考电压u_ref，通过运算从虚拟电压矢量中得到候选电压矢量；其中，利用离散空间矢量调制方法将一个控制周期T等分为N个时间段，在每个时间段施加相应扇区内相邻的两个非零电压矢量和零电压矢量，合成离散虚拟电压矢量；

虚拟电压矢量u_vir表示为：

其中，

电压矢量u_j∈{u₀，u₁，......，u₇}；

代价函数模块，用于通过代价函数对候选电压矢量进行筛选，选择使代价函数最小的电压矢量作为最优电压矢量；

输出控制模块，使用最优电压矢量进行调制后控制电机。

6.根据权利要求5所述的基于离散空间矢量调制的无差拍模型预测转矩控制系统，其特征在于，所述的根据θ_ref确定参考电压u_ref所在扇区的方法是：

将参考电压矢量从dq坐标系下转换到αβ坐标系，求出参考电压矢量角度θ_ref，根据角度判断u_ref所在扇区及包含的有效电压矢量和零电压矢量，其中：

扇区I：θ_ref∈[0，π/3]，(u₁，u₂，u₀)；

扇区II：θ_ref∈[π/3，2π/3]，(u₂，u₃，u₀)；

扇区III：θ_ref∈[2π/3，π]，(u₃，u₄，u₀)；

扇区IV：θ_ref∈[π，4π/3]，(u₄，u₅，u₀)；

扇区V：θ_ref∈[4π/3，5π/3]，(u₅，u₆，u₀)；

扇区VI：θ_ref∈[5π/3，2π]，(u₆，u₁，u₀)。

7.根据权利要求6所述的基于离散空间矢量调制的无差拍模型预测转矩控制系统，其特征在于，所述的通过运算从虚拟电压矢量中得到候选电压矢量的方法是：

假设u_ref在扇区I内，与其对应的基本电压矢量分别为u₁，u₂，则u_ref表示为：

u_ref＝d_au₁+d_bu₂+d₀u₀

＝Nd_av₁+Nd_bv₂+Nd₀v₀

＝D_av₁+D_bv₂

其中，u₁、u₂表示参与虚拟电压矢量合成的非零电压矢量，u₀表示零电压矢量，v₁，v₂，v₀表示相应基本电压矢量被N等分后的电压矢量，d_a、d₆、d₀为对应电压矢量的占空比，其值由下式计算得到：

d₀＝1-d_a-d_b

将参考电压u_ref表示为u_ref＝(D_a，D₀)，分别对D_a，D₀进行向上、向下取整得到以下四个候选电压矢量：

其中，

表示向上取整，

表示向下取整，选取以上表示的四个电压矢量作为候选电压矢量。

8.根据权利要求7所述的基于离散空间矢量调制的无差拍模型预测转矩控制系统，其特征在于，所述的代价函数为：

其中，

表示系统在第i个基本电压矢量作用下k+2时刻的转矩和磁链在线预测结果，

代表给定转矩和磁链，λ为权重因子。

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