CN114039523A - 一种永磁同步轮毂电机模型预测控制方法及系统 - Google Patents

一种永磁同步轮毂电机模型预测控制方法及系统 Download PDF

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CN114039523A CN202210019114.5A CN202210019114A CN114039523A CN 114039523 A CN114039523 A CN 114039523A CN 202210019114 A CN202210019114 A CN 202210019114A CN 114039523 A CN114039523 A CN 114039523A
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Abstract

本发明公开了一种永磁同步轮毂电机模型预测控制方法，包括：组成轮毂电机系统；合成虚拟矢量，形成混合电压矢量空间；在静止坐标系下建立轮毂电机系统模型；根据当前时刻参考电流及当前时刻的电压、电流，预测下一个时刻的最佳电压矢量及其占空比并输出判断条件；根据判断条件开放不同的通道，将最佳电压矢量及其占空比作为基本电压脉冲模块或虚拟电压脉冲模块的输入，将基本电压脉冲模块或虚拟电压脉冲模块输出的电压脉冲信号输入给轮毂电机系统。通过增加一个控制周期内选择、施加电压矢量的个数来提高稳态性能，并减少了计算负担。

Description

一种永磁同步轮毂电机模型预测控制方法及系统
技术领域
本发明属于电动汽车驱动控制技术领域，尤其是涉及一种永磁同步轮毂电机模型预测控制方法及系统。
背景技术
轮毂电机是电动汽车研究的热点，采用轮毂电机的优势在于其外转子直接与轮胎中的轮毂相配合，省掉了齿轮等传动机构，减轻了汽车重量，提高了传动效率，相比其它形式的电动汽车更优越。
轮毂电机驱动系统影响着车辆的动力性和经济性，决定着整车控制性能的好坏。相较于传统的矢量控制、直接转矩控制，模型预测控制消除了矢量控制的电流调节器和PWM模块，通过最小化成本函数而不是直接转矩控制中的启发式开关表来选择电压矢量。此外模型预测控制可以轻松处理多变量控制并考虑各种非线性约束，具有较高的灵活性。但它也存在下述缺点：由于在一个控制周期内仅施加一个电压矢量，它会产生较高的稳态纹波，并且电流谐波会分布在较宽的频率范围内。此外，针对每个逆变器电压矢量评估成本函数，对硬件造成了高计算负担。
申请号为201811035493.7的发明专利公开了一种基于模型预测控制的永磁同步电机直接转矩控制方法，首先利用扩展卡尔曼原理，完成电机驱动系统估计器设计，其次将估计器得到的转矩和磁链值作为反馈值，连同参考给定值传递给电机控制系统控制器，最后通过求解目标函数对应的最优控制问题，完成系统对电机转矩和磁链快速准确的跟踪控制。但是，由于该专利使用了传统的模型预测转矩控制，同样有着上述模型预测控制的缺点。这导致整个轮毂电机系统的稳态性能下降，有着高计算负担。
发明内容
本发明的目的
针对模型预测控制的缺陷，提出了一种永磁同步轮毂电机模型预测控制方法及系统，是改进的模型预测控制方法，通过增加一个控制周期内选择、施加电压矢量的个数来提高稳态性能，并减少了计算负担。
本发明所采用的技术方案
一种永磁同步轮毂电机模型预测控制方法，包括以下步骤：
S01：将多个模块整合组成轮毂电机系统，所述轮毂电机系统输入为电压脉冲信号pulse，输出为当前时刻的电压u s (k)、电流i s (k)、转速ω和角度θ；
S02：合成虚拟矢量，形成混合电压矢量空间；
S03：在静止坐标系下建立轮毂电机系统模型；
S04：计算当前时刻参考电流i s * (k)；
S05：根据当前时刻参考电流i s * (k)及轮毂电机系统输出的当前时刻的电压u s (k)、电流i s (k)，利用模型预测控制器预测下一个时刻的最佳电压矢量及其最佳占空比并输出判断条件；
S06：根据模型预测控制器输出的判断条件开放pulse1通道或者pulse2通道；若开放pulse2通道，则将模型预测控制器输出的最佳电压矢量u opt 及其最佳占空比t opt 作为基本电压脉冲模块的输入，将基本电压脉冲模块输出的电压脉冲信号pulse2输入给轮毂电机系统；若开放pulse1通道，则将模型预测控制器输出的最佳电压矢量u opt 及其最佳占空比t opt 作为虚拟电压脉冲模块的输入，将虚拟电压脉冲模块输出的电压脉冲信号pulse1输入给轮毂电机系统。
优选的技术方案中，所述步骤S01包括，将开关信号模块、逆变器、轮毂电机、3s/2s坐标变换模块作为一个整体组成轮毂电机系统；所述开关信号模块的输入为电压脉冲信号pulse，其输出为开关脉冲信号集U=[S a， S b， S c ]，开关脉冲信号S a， S b， S c 的值为0和1，该开关脉冲信号集作为逆变器的输入，输出驱动轮毂电机的三相电流i a 、i b 、i c ，轮毂电机的输出为转速ω、角度θ、以及三相电压u a 、u b 、u c ；将三相电流i a 、i b 、i c 以及三相电压u a 、u b 、u c 作为3s/2s坐标变换模块的输入，输出为静止旋转坐标系下的电流值i α 、i β 和电压值u α 、u β ；当前时刻电流向量i s (k)=i α +ji β ，当前时刻电压向量u s (k)=u α +ju β ，其中j是虚数单位。
优选的技术方案中，所述步骤S02中运用三相两电平电压源型逆变器的八个基本电压矢量合成虚拟电压矢量。
优选的技术方案中，所述步骤S03中建立的轮毂电机系统模型如下：
Figure 449766DEST_PATH_IMAGE001
(1)
Figure 454195DEST_PATH_IMAGE002
(2)
Figure 138510DEST_PATH_IMAGE003
(3)
Figure 60066DEST_PATH_IMAGE004
(4)
Figure 106388DEST_PATH_IMAGE005
(5)
其中，u s 、i s 、ψ s 、ψ x 、E x 、R s 、ψ f 、L s 分别代表定子电压、电流、磁链、等效有效磁链、反电动势、电阻、永磁体磁链以及电感，T e 、T l 、θ e 、ω、P n 、θ分别代表电磁转矩、负载转矩、电角度、转速、极对数以及机械角度，J为转动惯量，t为时间，B为阻尼系数；其中θ、ω以及u s 、i s 的当前值u s (k)、i s (k)为轮毂电机系统的输出；u s 的下一时刻的值u s (k+1)将作为最佳电压矢量u opt 与零矢量在一个控制周期T c 内形成的占空比组合作为电压脉冲信号输入给轮毂电机系统。
优选的技术方案中，所述步骤S04中通过参考电流计算模块计算当前时刻参考电流i s * (k)，所述参考电流计算模块包括减法器、转速PI模块及2r/2s坐标变换模块，将轮毂电机系统输出的转速ω及参考转速ω * 经过减法器得到转速差Δω=ω * -ω，并经由转速PI模块输出参考q轴电流i q * ，将d轴参考电流i d * 与参考q轴电流i q * 经过2r/2s坐标变换模块输出为静止坐标系下的当前时刻参考电流i s * (k)=i α * +ji β * ，i α * 和i β * 分别是静止坐标系下的α及β轴的参考电流。
优选的技术方案中，所述步骤S05的模型预测控制器包括反电动势计算模块、参考电压计算模块、扇区划分模块、输出电压矢量计算模块、占空比计算模块和第二判断模块；
所述反电动势计算模块，根据轮毂电机系统上一个时刻电压u s (k-1)、电流i s (k-1)以及当前时刻电流i s (k)计算得到当前时刻的反电动势E x (k)；
所述参考电压计算模块，计算下一时刻参考电压u s ref (k+1)，计算公式如下：
Figure 26809DEST_PATH_IMAGE006
(7)
Figure 642379DEST_PATH_IMAGE007
(8)
其中，i s ref (k+1)为用当前电压u s (k)预测的预测电流，k代表当前时刻，k+1代表下一时刻，将得到的u s ref (k+1)输入给扇区划分模块；
所述扇区划分模块用于输出扇区S，所述扇区划分模块的规则如下，定义变量u i ref ，变量A i (i=1,2,3)，满足关系u i ref >0则对应的A i =1，否则A i =0，令变量N=A 1 +2A 2 +4A 3 ，相应的扇区S对应为：
Figure 26962DEST_PATH_IMAGE008
(9)
Figure 244185DEST_PATH_IMAGE009
(10)
其中，u s ref (k+1)=u α ref (k+1)+ju β ref (k+1)，u α ref (k+1)、u β ref (k+1)分别为其静止坐标系下的α、β轴分量；
所述输出电压矢量计算模块，将扇区S内包含的4个电压矢量u(i)代入公式(11)获得补偿预测电流i s c (k+1)，再通过公式(12)得到每个电压矢量对应的下一个时刻的预测电流i s k+1 (i)，定义成本函数P，将使得P最小的那个u(i)作为输出电压矢量u(opt)；
Figure 646042DEST_PATH_IMAGE010
(11)
Figure 715236DEST_PATH_IMAGE011
(12)
Figure 661982DEST_PATH_IMAGE012
(13)
所述占空比计算模块，根据下一时刻参考电压u s ref (k+1)和输出电压矢量u(opt)计算输出占空比t(opt)：
Figure 987790DEST_PATH_IMAGE013
(14)
其中，T s 代表采样周期，mod表示如果计算结果小于0则令其为0，若大于6则令其为6，并将结果取最接近的整数，t(opt)∈{0，1，2，3，4，5，6}；
所述第二判断模块连接输出电压矢量计算模块和占空比计算模块，用于进行判断：如果u(opt)是基本电压矢量，则输出u opt =u(opt)，判断条件flag=1，t opt =t(opt)；
如果u(opt)是虚拟电压矢量，若其对应的t(opt)是3的倍数，则输出u opt =u(opt)，flag=0，t opt = t(opt)；
如果u(opt)是虚拟电压矢量，若其对应的t(opt)不是3的倍数，则取距离最近的基本电压矢量作为u(opt)，重新计算t(opt)，输出u opt =u(opt)，flag=1，t opt =t(opt)。
本发明还公开了一种永磁同步轮毂电机模型预测控制系统，包括：
轮毂电机系统，由多个模块整合而成，所述轮毂电机系统输入为电压脉冲信号pulse，输出为当前时刻的电压u s (k)、电流i s (k)、转速ω和角度θ；合成虚拟矢量，形成混合电压矢量空间；在静止坐标系下建立轮毂电机系统模型；
参考电流计算模块，计算当前时刻参考电流i s * (k)；
模型预测控制器，根据当前时刻参考电流i s * (k)及轮毂电机系统输出的当前时刻的电压u s (k)、电流i s (k)，利用模型预测控制器预测下一个时刻的最佳电压矢量及其最佳占空比并输出判断条件；
第一判断模块，根据模型预测控制器输出的判断条件来开放pulse1通道或者pulse2通道；
若开放pulse2通道，则将模型预测控制器输出的最佳电压矢量u opt 及其最佳占空比t opt 作为基本电压脉冲模块的输入，将基本电压脉冲模块输出的电压脉冲信号pulse2输入给轮毂电机系统；
若开放pulse1通道，则将模型预测控制器输出的最佳电压矢量u opt 及其最佳占空比t opt 作为虚拟电压脉冲模块的输入，将虚拟电压脉冲模块输出的电压脉冲信号pulse1输入给轮毂电机系统。
优选的技术方案中，所述轮毂电机系统模型如下：
Figure 24465DEST_PATH_IMAGE014
(1)
Figure 27843DEST_PATH_IMAGE015
(2)
Figure 823236DEST_PATH_IMAGE016
(3)
Figure 438720DEST_PATH_IMAGE017
(4)
Figure 70296DEST_PATH_IMAGE018
(5)
其中，u s 、i s 、ψ s 、ψ x 、E x 、R s 、ψ f 、L s 分别代表定子电压、电流、磁链、等效有效磁链、反电动势、电阻、永磁体磁链以及电感，T e 、T l 、θ e 、ω、P n 、θ分别代表电磁转矩、负载转矩、电角度、转速、极对数以及机械角度，J为转动惯量，t为时间，B为阻尼系数；其中θ、ω以及u s 、i s 的当前值u s (k)、i s (k)为轮毂电机系统的输出；u s 的下一时刻的值u s (k+1)将作为最佳电压矢量u opt 与零矢量在一个控制周期T c 内形成的占空比组合作为电压脉冲信号输入给轮毂电机系统。
优选的技术方案中，所述参考电流计算模块包括减法器、转速PI模块及2r/2s坐标变换模块，将轮毂电机系统输出的转速ω及参考转速ω * 经过减法器得到转速差Δω=ω * -ω，并经由转速PI模块输出参考q轴电流i q * ，将d轴参考电流i d * 与参考q轴电流i q * 经过2r/2s坐标变换模块输出为静止坐标系下的当前时刻参考电流i s * (k)=i α * +ji β * ，i α * 和i β * 分别是静止坐标系下的α及β轴的参考电流。
优选的技术方案中，所述模型预测控制器包括反电动势计算模块、参考电压计算模块、扇区划分模块、输出电压矢量计算模块、占空比计算模块和第二判断模块；
所述反电动势计算模块，根据轮毂电机系统上一个时刻电压u s (k-1)、电流i s (k-1)以及当前时刻电流i s (k)计算得到当前时刻的反电动势E x (k)；
所述参考电压计算模块，计算下一时刻参考电压u s ref (k+1)，计算公式如下：
Figure 316513DEST_PATH_IMAGE019
(7)
Figure 717145DEST_PATH_IMAGE020
(8)
其中，i s ref (k+1)为用当前电压u s (k)预测的预测电流，k代表当前时刻，k+1代表下一时刻，将得到的u s ref (k+1)输入给扇区划分模块；
所述扇区划分模块用于输出扇区S，所述扇区划分模块的规则如下，定义变量u i ref ，变量A i (i=1,2,3)，满足关系u i ref >0则对应的A i =1，否则A i =0，令变量N=A 1 +2A 2 +4A 3 ，相应的扇区S对应为：
Figure 571706DEST_PATH_IMAGE021
(9)
Figure 68676DEST_PATH_IMAGE022
(10)
其中，u s ref (k+1)=u α ref (k+1)+ju β ref (k+1)，u α ref (k+1)、u β ref (k+1)分别为其静止坐标系下的α、β轴分量；
所述输出电压矢量计算模块，将扇区S内包含的4个电压矢量u(i)代入公式(11)获得补偿预测电流i s c (k+1)，再通过公式(12)得到每个电压矢量对应的下一个时刻的预测电流i s k+1 (i)，定义成本函数P，将使得P最小的那个u(i)作为输出电压矢量u(opt)；
Figure 502937DEST_PATH_IMAGE023
(11)
Figure 633442DEST_PATH_IMAGE024
(12)
Figure 602447DEST_PATH_IMAGE012
(13)
所述占空比计算模块，根据下一时刻参考电压u s ref (k+1)和输出电压矢量u(opt)计算输出占空比t(opt)：
Figure 270932DEST_PATH_IMAGE025
(14)
其中，T s 代表采样周期，mod表示如果计算结果小于0则令其为0，若大于6则令其为6，并将结果取最接近的整数，t(opt)∈{0，1，2，3，4，5，6}；
所述第二判断模块连接输出电压矢量计算模块和占空比计算模块，用于进行判断：如果u(opt)是基本电压矢量，则输出u opt =u(opt)，判断条件flag=1，t opt =t(opt)；
如果u(opt)是虚拟电压矢量，若其对应的t(opt)是3的倍数，则输出u opt =u(opt)，flag=0，t opt = t(opt)；
如果u(opt)是虚拟电压矢量，若其对应的t(opt)不是3的倍数，则取距离最近的基本电压矢量作为u(opt)，重新计算t(opt)，输出u opt =u(opt)，flag=1，t opt =t(opt)。
本发明的有益效果
1、本发明是改进的模型预测控制方法，通过新增虚拟矢量来提高模型预测控制方案中选取最佳电压矢量的精确度。引入占空比，在一个控制周期内选取了一个非零最优矢量的情况下加入零矢量，提升了稳态性能。
2、本发明采用了一种新的电压矢量以及占空比计算方法，与传统基于枚举所有电压矢量方法相比，减少了计算负担。
附图说明
图1为本发明永磁同步轮毂电机模型预测控制方法的流程图；
图2为本发明永磁同步轮毂电机模型预测控制系统的原理框图；
图3为本发明等效轮毂电机系统的原理框图；
图4为本实施例混合电压矢量空间图；
图5为本实施例最佳电压矢量形成的脉冲示意图；
图6为本实施例参考电流计算模块的原理框图；
图7为本实施例模型预测控制器的原理框图。
具体实施方式
下面结合本发明实例中的附图，对本发明实例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
下面将结合附图对本发明实例作进一步地详细描述。
实施例1
如图1所示，一种永磁同步轮毂电机模型预测控制方法，包括以下步骤：
S01：将多个模块整合组成轮毂电机系统，所述轮毂电机系统输入为电压脉冲信号pulse，输出为当前时刻的电压u s (k)、电流i s (k)、转速ω和角度θ；
S02：合成虚拟矢量，形成混合电压矢量空间；
S03：在静止坐标系下建立轮毂电机系统模型；
S04：计算当前时刻参考电流i s * (k)；
S05：根据当前时刻参考电流i s * (k)及轮毂电机系统输出的当前时刻的电压u s (k)、电流i s (k)，利用模型预测控制器预测下一个时刻的最佳电压矢量及其最佳占空比并输出判断条件；
S06：根据模型预测控制器输出的判断条件开放pulse1通道或者pulse2通道；若开放pulse2通道，则将模型预测控制器输出的最佳电压矢量u opt 及其最佳占空比t opt 作为基本电压脉冲模块的输入，将基本电压脉冲模块输出的电压脉冲信号pulse2输入给轮毂电机系统；若开放pulse1通道，则将模型预测控制器输出的最佳电压矢量u opt 及其最佳占空比t opt 作为虚拟电压脉冲模块的输入，将虚拟电压脉冲模块输出的电压脉冲信号pulse1输入给轮毂电机系统。
一较佳的实施例中，步骤S01中，将开关信号模块、逆变器、轮毂电机、3s/2s坐标变换模块作为一个整体组成轮毂电机系统；所述开关信号模块的输入为电压脉冲信号pulse，其输出为开关脉冲信号集U=[S a， S b， S c ]，开关脉冲信号S a， S b， S c 的值为0和1，该开关脉冲信号集作为逆变器的输入，输出驱动轮毂电机的三相电流i a 、i b 、i c ，轮毂电机的输出为转速ω、角度θ、以及三相电压u a 、u b 、u c ；将三相电流i a 、i b 、i c 以及三相电压u a 、u b 、u c 作为3s/2s坐标变换模块的输入，输出为静止旋转坐标系下的电流值i α 、i β 和电压值u α 、u β ；当前时刻电流向量i s (k)=i α +ji β ，当前时刻电压向量u s (k)=u α +ju β ，其中j是虚数单位。
一较佳的实施例中，步骤S02中运用三相两电平电压源型逆变器的八个基本电压矢量合成虚拟电压矢量。
一较佳的实施例中，为了减少复杂的坐标变化，有效降低了模型的复杂度。步骤S03中建立的轮毂电机系统模型如下：
Figure 34184DEST_PATH_IMAGE026
(1)
Figure 143829DEST_PATH_IMAGE027
(2)
Figure 549314DEST_PATH_IMAGE028
(3)
Figure 252566DEST_PATH_IMAGE029
(4)
Figure 372838DEST_PATH_IMAGE030
(5)
其中，u s 、i s 、ψ s 、ψ x 、E x 、R s 、ψ f 、L s 分别代表定子电压、电流、磁链、等效有效磁链、反电动势、电阻、永磁体磁链以及电感，T e 、T l 、θ e 、ω、P n 、θ分别代表电磁转矩、负载转矩、电角度、转速、极对数以及机械角度，J为转动惯量，t为时间，B为阻尼系数；其中θ、ω以及u s 、i s 的当前值u s (k)、i s (k)为轮毂电机系统的输出；u s 的下一时刻的值u s (k+1)将作为最佳电压矢量u opt 与零矢量（u 0 或者u 7 ）在一个控制周期T c 内形成的占空比组合作为电压脉冲信号输入给轮毂电机系统。
一较佳的实施例中，步骤S04中通过参考电流计算模块计算当前时刻参考电流i s * (k)，所述参考电流计算模块包括减法器、转速PI模块及2r/2s坐标变换模块，将轮毂电机系统输出的转速ω及参考转速ω * 经过减法器得到转速差Δω=ω * -ω，并经由转速PI模块输出参考q轴电流i q * ，将d轴参考电流i d * 与参考q轴电流i q * 经过2r/2s坐标变换模块输出为静止坐标系下的当前时刻参考电流i s * (k)=i α * +ji β * ，i α * 和i β * 分别是静止坐标系下的α及β轴的参考电流。
一较佳的实施例中，步骤S05的模型预测控制器包括反电动势计算模块、参考电压计算模块、扇区划分模块、输出电压矢量计算模块、占空比计算模块和第二判断模块；
所述反电动势计算模块，根据轮毂电机系统上一个时刻电压u s (k-1)、电流i s (k-1)以及当前时刻电流i s (k)计算得到当前时刻的反电动势E x (k)；
所述参考电压计算模块，计算下一时刻参考电压u s ref (k+1)，计算公式如下：
Figure 308562DEST_PATH_IMAGE031
(7)
Figure 3723DEST_PATH_IMAGE032
(8)
其中，i s ref (k+1)为用当前电压u s (k)预测的预测电流，k代表当前时刻，k+1代表下一时刻，将得到的u s ref (k+1)输入给扇区划分模块；
所述扇区划分模块用于输出扇区S，所述扇区划分模块的规则如下，定义变量u i ref ，变量A i (i=1,2,3)，满足关系u i ref >0则对应的A i =1，否则A i =0，令变量N=A 1 +2A 2 +4A 3 ，相应的扇区S对应为：
Figure 866375DEST_PATH_IMAGE033
(9)
Figure 248727DEST_PATH_IMAGE034
(10)
其中，u s ref (k+1)=u α ref (k+1)+ju β ref (k+1)，u α ref (k+1)、u β ref (k+1)分别为其静止坐标系下的α、β轴分量；
所述输出电压矢量计算模块，将扇区S内包含的4个电压矢量u(i)代入公式(11)获得补偿预测电流i s c (k+1)，再通过公式(12)得到每个电压矢量对应的下一个时刻的预测电流i s k+1 (i)，定义成本函数P，将使得P最小的那个u(i)作为输出电压矢量u(opt)；
Figure 270647DEST_PATH_IMAGE035
(11)
Figure 684180DEST_PATH_IMAGE036
(12)
Figure 480798DEST_PATH_IMAGE012
(13)
所述占空比计算模块，根据下一时刻参考电压u s ref (k+1)和输出电压矢量u(opt)计算输出占空比t(opt)：
Figure 588212DEST_PATH_IMAGE037
(14)
其中，T s 代表采样周期，mod表示如果计算结果小于0则令其为0，若大于6则令其为6，并将结果取最接近的整数，t(opt)∈{0，1，2，3，4，5，6}；
所述第二判断模块连接输出电压矢量计算模块和占空比计算模块，用于进行判断：如果u(opt)是基本电压矢量，则输出u opt =u(opt)，判断条件flag=1，t opt =t(opt)；
如果u(opt)是虚拟电压矢量，若其对应的t(opt)是3的倍数，则输出u opt =u(opt)，flag=0，t opt = t(opt)；
如果u(opt)是虚拟电压矢量，若其对应的t(opt)不是3的倍数，则取距离最近的基本电压矢量作为u(opt)，重新计算t(opt)，输出u opt =u(opt)，flag=1，t opt =t(opt)。
如图2所示，本发明还公开了一种永磁同步轮毂电机模型预测控制系统，包括：
轮毂电机系统1，由多个模块整合而成，所述轮毂电机系统输入为电压脉冲信号pulse，输出为当前时刻的电压u s (k)、电流i s (k)、转速ω和角度θ；合成虚拟矢量，形成混合电压矢量空间；在静止坐标系下建立轮毂电机系统模型；
参考电流计算模块23，计算当前时刻参考电流i s * (k)；
模型预测控制器24，根据当前时刻参考电流i s * (k)及轮毂电机系统1输出的当前时刻的电压u s (k)、电流i s (k)，预测下一个时刻的最佳电压矢量及其占空比并输出判断条件；
第一判断模块28，根据模型预测控制器输出的判断条件来开放pulse1通道或者pulse2通道；
若开放pulse2通道，则将模型预测控制器24输出的最佳电压矢量u opt 及其占空比t opt 作为基本电压脉冲模块25的输入，将基本电压脉冲模块25输出的电压脉冲信号pulse2输入给轮毂电机系统1；
若开放pulse1通道，则将模型预测控制器24输出的最佳电压矢量u opt 及其占空比t opt 作为虚拟电压脉冲模块26的输入，将虚拟电压脉冲模块26输出的电压脉冲信号pulse1输入给轮毂电机系统1。
较佳的，参考电流计算模块23连接电流给定模块22和转速给定模块21，电流给定模块22输入的d轴参考电流i d * 以及转速给定模块21输入的参考转速ω * 。
较佳的，虚拟电压脉冲模块26连接转化模块27，用于转化成基本矢量的脉冲形式。
下面结合具体的实例进行详细说明永磁同步轮毂电机模型预测控制系统的工作流程：
1、形成轮毂电机系统1，如图3所示。本实施例将开关信号模块11、逆变器12、轮毂电机13、3s/2s坐标变换模块14作为一个整体组成轮毂电机系统1。该轮毂电机系统1以电压矢量脉冲pulse为输入，以转速ω、角度θ、当前时刻电流向量i s (k)以及当前时刻电压向量u s (k)为输出。其中k代表当前时刻。开关信号模块11的输入为pulse，其输出为开关脉冲信号集U=[S a , S b , S c ]，开关脉冲信号S a , S b , S c 的值为0和1（0代表关闭，1为开通）。该开关脉冲信号集作为逆变器12的输入，输出驱动轮毂电机13的三相电流i a 、i b 、i c 。轮毂电机13的输出为转速ω、角度θ、以及三相电压u a 、u b 、u c 。将三相电流i a 、i b 、i c 以及三相电压u a 、u b 、u c 作为3s/2s坐标变换模块14的输入，输出为静止旋转坐标系下的电流值i α 、i β 和电压值u α 、u β 。当前时刻电流向量i s (k)=i α +ji β， 当前时刻电压向量u s (k)=u α +ju β ，其中j是虚数单位。
2、运用三相两电平电压源型逆变器的八个基本电压矢量合成虚拟电压矢量，形成混合电压矢量空间。如图4所示，例如u 112 是由2/3单位的u 1 和1/3单位的u 2 形成的，u 221 是由2/3单位的u 2 和1/3单位的u 1 形成的。以此类推，形成混合电压矢量空间。
其中u i (i=0,…,7)为基本电压矢量，是由逆变器12本身决定的，例如图4所示其中u 1 (100)代表S a =1，S b =0，S c =0其开关状态是逆变器本身存在的，其余的合成虚拟矢量在被选择为下一个时刻的最佳电压矢量时还需要通过图2中的转化模块27转变成基本电压矢量的表达形式最终输入给逆变器12。
因为引入了占空比，为了便于分析，本实施例将模型预测控制器24的控制周期设置为T c =6T s ，T s 代表采样周期，所以形成的最佳电压矢量u opt 的占空比t opt 将如图5所示。这里的占空比t opt 定义为一个控制周期最佳电压矢量u opt 占据的比例，其值为0，1，2，3，4，5，6中的一个。图5分别展示了基本电压矢量形成的脉冲pulse2、虚拟电压矢量形成的脉冲pluse0以及其经过转化模块27形成的pulse1。
3、在静止坐标系下建立永磁同步轮毂电机的模型，减少了复杂的坐标变化，有效降低了模型的复杂度。
Figure 277688DEST_PATH_IMAGE038
(1)
Figure 252335DEST_PATH_IMAGE039
(2)
Figure 44840DEST_PATH_IMAGE040
(3)
Figure 700818DEST_PATH_IMAGE041
(4)
Figure 448063DEST_PATH_IMAGE042
(5)
其中u s 、i s 、ψ s 、ψ x 、E x 、R s 、ψ f 、L s 分别代表定子电压、电流、磁链、等效有效磁链、反电动势、电阻、永磁体磁链以及电感,T e 、T l 、θ e 、ω、P n 、θ分别代表电磁转矩、负载转矩、电角度、转速、极对数以及机械角度，J为转动惯量，t为时间，B为阻尼系数。其中θ、ω以及u s 、i s 的当前值u s (k)、i s (k)为轮毂电机系统1的输出。u s 的下一刻时刻的值u s (k+1)将作为最佳电压矢量u opt 与零矢量（u 0 或者u 7 ）在一个控制周期T c 内的形成占空比组合最终作为pulse输入给轮毂电机系统。
4、通过参考电流计算模块23计算当前时刻参考电流i s * (k)。参考电流计算模块23的输入一部分为轮毂电机系统1输出的角度θ、转速ω。另一部分是电流给定模块22输入的d轴参考电流i d * 以及转速给定模块21输入的参考转速ω * 。如图6所示，将Δω=ω * -ω经由转速PI模块31输出参考q轴电流i q * 。将电流给定模块22输入的d轴参考电流i d * 与参考q轴电流i q * 经过2r/2s坐标变化模块41输出为静止坐标系下的当前时刻参考电流i s * (k)=i α * +ji β * 。i α * 和i β * 分别是静止坐标系下的α及β轴的参考电流。
具体的，转速PI模块31的比例系数K p =0.3，积分系数K i =12。
5、通过模型预测控制器24计算用于下一个时刻控制的最佳电压矢量u opt 及其占空比t opt ，并输出判断条件flag（0或1）。模型预测控制器24的输入一部分为参考电流计算模块23输出的i s * (k)，另一部分为轮毂电机系统1输出的当前时刻电压、电流u s (k)和i s (k)。
如图7所示，模型预测控制器由反电动势计算模块32、参考电压计算模块42、扇区划分模块52、输出电压矢量计算模块62、占空比计算模块72和第二判断模块82组成。
如图7所示，反电动势计算模块32的输入为轮毂电机系统1输出的当前时刻电压、电流u s (k)和i s (k)经过延迟模块产生的上一个时刻的u s (k-1)和i s (k-1)以及i s (k)。其输出为当前时刻的反电动势E x (k),计算公式如(6)所示：
Figure 786422DEST_PATH_IMAGE043
(6)
参考电压计算模块42的输入一部分为参考电流计算模块23输出的i s * (k)以及轮毂电机系统1输出的i s (k)，另一部分是反电动势计算模块输出的E x (k)。输出为下一时刻参考电压u s ref (k+1)，推导如下如(7)-(8)所示：
Figure 189590DEST_PATH_IMAGE044
(7)
Figure 383680DEST_PATH_IMAGE045
(8)
其中，i s ref (k+1)为用当前电压u s (k)预测的预测电流。k代表当前时刻，k+1代表下一时刻。将得到的u s ref (k+1)（u s ref (k+1)=u α ref (k+1)+ju β ref (k+1)，u α ref (k+1)、u β ref (k+1)分别为其静止坐标系下的α、β轴分量）输入给扇区划分模块52，扇区划分模块52的输出为扇区S。
扇区划分模块52的规则如下，定义变量u i ref ，变量A i (i=1,2,3)。满足关系u i ref >0则对应的A i =1，否则A i =0。令变量N=A 1 +2A 2 +4A 3 ，相应的扇区S对应为：
Figure 923114DEST_PATH_IMAGE046
(9)
Figure 968125DEST_PATH_IMAGE047
(10)
如图7所示，S将作为输出电压矢量计算模块62的输入，输出电压矢量计算模块62其余的输入部分为轮毂电机系统1输出的i s (k)、参考电流计算模块23输出的i s * (k)、反电动势计算模块32输出的E x (k)。输出电压矢量计算模块62的输出为预测得到的下一个时刻最佳电压u(opt)。推导过程如下：
经过扇区划分模块52获得扇区S后，将扇区S内包含的4个电压矢量u(i)代入公式(11)获得补偿预测电流i s c (k+1)，再通过公式(12)得到每个电压矢量对应的下一个时刻的预测电流i s k+1 (i)，定义成本函数P，将使得P最小的那个u(i)记下作为u(opt)。
Figure 655328DEST_PATH_IMAGE048
（11）
Figure 715425DEST_PATH_IMAGE049
(12)
Figure 254508DEST_PATH_IMAGE012
(13)
占空比计算模块72的输入为参考电压计算模块42输出的u s ref (k+1)和输出电压矢量计算模块62输出的u(opt)。其输出为t(opt):
Figure 617225DEST_PATH_IMAGE050
(14)
其中，mod表示如果计算内容小于0则令其为0，若大于6则令其为6，并将结果取最接近的整数。所以最终t(opt)∈{0，1，2，3，4，5，6}。
将输出电压矢量计算模块62以及占空比计算模块72的输出u(opt)、t(opt)输入给第二判断模块82，第二判断模块82的过程如下：
如果u(opt)是基本电压矢量，则输出u opt =u(opt)，flag=1,t opt =t(opt)。如果u(opt)是虚拟电压矢量，若其对应的t(opt)是3的倍数，则输出u opt =u(opt)，flag=0，t opt =t(opt)。如果u(opt)是虚拟电压矢量，其对应的t(opt)不是3的倍数，则取距离最近的基本电压矢量作为u(opt)，重新计算t(opt)，输出u opt =u(opt)，flag=1，t opt =t(opt)。
6、形成轮毂电机系统1的输入pulse。如图7所示，当模型预测控制器24输出的flag=1时，代表u opt 是基本电压矢量，第一判断模块28仅开放pulse2通道，模型预测控制器24输出的u opt 、t opt 作为基本电压脉冲模块25的输入，基本电压脉冲模块25根据u opt 、t opt 来形成脉冲pulse2，例如图5所示（此时t opt =3），令pulse=pulse2作为第一判断模块28的输出。同理，当模型预测控制器24输出的flag=0时，代表u opt 是虚拟矢量，第一判断模块28仅开放pulse1通道，模型预测控制器24输出的u opt 、t opt 作为虚拟电压脉冲模块26的输入，虚拟电压脉冲模块26根据u opt 、t opt 输出pulse0。pulse0经过转化模块27转化成基本矢量的脉冲形式pulse1，例如图5所示（此时t opt =3），此时令pulse=pulse2作为第一判断模块28的输出。
如图2、7所示，转速给定模块21、电流给定模块22并联再与参考电流计算模块23串联输出的参考电流i s * (k)以及轮毂电机系统1的输出u s (k)、i s (k)作为模型预测控制器24的输入，u opt 、t opt 、flag作为模型预测控制器24的输出。该模型预测控制器24用参考电压计算模块42来划分扇区，这缩短了电压矢量的选择范围固定到扇区中的4个，再通过输出电压矢量计算模块62来计算4个电压矢量确定最优电压矢量。所提出的方法只需计算5次就可以确定最优电压矢量，比起传统方法基于8次枚举的计算方法减少了计算量。此外，虚拟矢量的使用使得模型预测控制方法可选择的电压矢量从8个上升到了20个，这提高了选取电压矢量的精确性，提高了控制性能。引入占空比，控制周期加入了零矢量，可以消除传统模型预测控制电压幅值不可调的缺点，可以更准确的调节电流，减少电流谐波。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种永磁同步轮毂电机模型预测控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01：将多个模块整合组成轮毂电机系统，所述轮毂电机系统输入为电压脉冲信号pulse，输出为当前时刻的电压u s (k)、电流i s (k)、转速ω和角度θ；
S02：合成虚拟矢量，形成混合电压矢量空间；
S03：在静止坐标系下建立轮毂电机系统模型；
S04：计算当前时刻参考电流i s * (k)；
S05：根据当前时刻参考电流i s * (k)及轮毂电机系统输出的当前时刻的电压u s (k)、电流i s (k)，利用模型预测控制器预测下一个时刻的最佳电压矢量及其最佳占空比并输出判断条件；
S06：根据模型预测控制器输出的判断条件开放pulse1通道或者pulse2通道；若开放pulse2通道，则将模型预测控制器输出的最佳电压矢量u opt 及其最佳占空比t opt 作为基本电压脉冲模块的输入，将基本电压脉冲模块输出的电压脉冲信号pulse2输入给轮毂电机系统；若开放pulse1通道，则将模型预测控制器输出的最佳电压矢量u opt 及其最佳占空比t opt 作为虚拟电压脉冲模块的输入，将虚拟电压脉冲模块输出的电压脉冲信号pulse1输入给轮毂电机系统。
2.根据权利要求1所述的永磁同步轮毂电机模型预测控制方法，其特征在于，所述步骤S01包括，将开关信号模块、逆变器、轮毂电机、3s/2s坐标变换模块作为一个整体组成轮毂电机系统；所述开关信号模块的输入为电压脉冲信号pulse，其输出为开关脉冲信号集U=[S a， S b， S c ]，开关脉冲信号S a， S b， S c 的值为0和1，该开关脉冲信号集作为逆变器的输入，输出驱动轮毂电机的三相电流i a 、i b 、i c ，轮毂电机的输出为转速ω、角度θ、以及三相电压u a 、u b 、u c ；将三相电流i a 、i b 、i c 以及三相电压u a 、u b 、u c 作为3s/2s坐标变换模块的输入，输出为静止旋转坐标系下的电流值i α 、i β 和电压值u α 、u β ；当前时刻电流向量i s (k)=i α +ji β ，当前时刻电压向量u s (k)=u α +ju β ，其中j是虚数单位。
3.根据权利要求1所述的永磁同步轮毂电机模型预测控制方法，其特征在于，所述步骤S02中运用三相两电平电压源型逆变器的八个基本电压矢量合成虚拟电压矢量。
4.根据权利要求1所述的永磁同步轮毂电机模型预测控制方法，其特征在于，所述步骤S03中建立的轮毂电机系统模型如下：
Figure 661649DEST_PATH_IMAGE001
(1)
Figure 865972DEST_PATH_IMAGE002
(2)
Figure 575040DEST_PATH_IMAGE003
(3)
Figure 870673DEST_PATH_IMAGE004
(4)
Figure 940698DEST_PATH_IMAGE005
(5)
其中，u s 、i s 、ψ s 、ψ x 、E x 、R s 、ψ f 、L s 分别代表定子电压、电流、磁链、等效有效磁链、反电动势、电阻、永磁体磁链以及电感，T e 、T l 、θ e 、ω、P n 、θ分别代表电磁转矩、负载转矩、电角度、转速、极对数以及机械角度，J为转动惯量，t为时间，B为阻尼系数；其中θ、ω以及u s 、i s 的当前值u s (k)、i s (k)为轮毂电机系统的输出；u s 的下一时刻的值u s (k+1)将作为最佳电压矢量u opt 与零矢量在一个控制周期T c 内形成的占空比组合作为电压脉冲信号输入给轮毂电机系统。
5.根据权利要求1所述的永磁同步轮毂电机模型预测控制方法，其特征在于，所述步骤S04中通过参考电流计算模块计算当前时刻参考电流i s * (k)，所述参考电流计算模块包括减法器、转速PI模块及2r/2s坐标变换模块，将轮毂电机系统输出的转速ω及参考转速ω * 经过减法器得到转速差Δω=ω * -ω，并经由转速PI模块输出参考q轴电流i q * ，将d轴参考电流i d * 与参考q轴电流i q * 经过2r/2s坐标变换模块输出为静止坐标系下的当前时刻参考电流i s * (k)=i α * +ji β * ，i α * 和i β * 分别是静止坐标系下的α及β轴的参考电流。
6.根据权利要求1所述的永磁同步轮毂电机模型预测控制方法，其特征在于，所述步骤S05的模型预测控制器包括反电动势计算模块、参考电压计算模块、扇区划分模块、输出电压矢量计算模块、占空比计算模块和第二判断模块；
所述反电动势计算模块，根据轮毂电机系统上一个时刻电压u s (k-1)、电流i s (k-1)以及当前时刻电流i s (k)计算得到当前时刻的反电动势E x (k)；
所述参考电压计算模块，计算下一时刻参考电压u s ref (k+1)，计算公式如下：
Figure 628556DEST_PATH_IMAGE006
(7)
Figure 837687DEST_PATH_IMAGE007
(8)
其中，i s ref (k+1)为用当前电压u s (k)预测的预测电流，k代表当前时刻，k+1代表下一时刻，将得到的u s ref (k+1)输入给扇区划分模块；
所述扇区划分模块用于输出扇区S，所述扇区划分模块的规则如下，定义变量u i ref ，变量A i (i=1,2,3)，满足关系u i ref >0则对应的A i =1，否则A i =0，令变量N=A 1 +2A 2 +4A 3 ，相应的扇区S对应为：
Figure 427806DEST_PATH_IMAGE008
(9)
Figure 877023DEST_PATH_IMAGE009
(10)
其中，u s ref (k+1)=u α ref (k+1)+ju β ref (k+1)，u α ref (k+1)、u β ref (k+1)分别为其静止坐标系下的α、β轴分量；
所述输出电压矢量计算模块，将扇区S内包含的4个电压矢量u(i)代入公式(11)获得补偿预测电流i s c (k+1)，再通过公式(12)得到每个电压矢量对应的下一个时刻的预测电流i s k +1 (i)，定义成本函数P，将使得P最小的那个u(i)作为最佳电压矢量u(opt)；
Figure 478775DEST_PATH_IMAGE010
(11)
Figure 608274DEST_PATH_IMAGE011
(12)
Figure 912785DEST_PATH_IMAGE012
(13)
所述占空比计算模块，根据下一时刻参考电压u s ref (k+1)和输出电压矢量u(opt)计算输出占空比t(opt)：
Figure 523283DEST_PATH_IMAGE013
(14)
其中，T s 代表采样周期，mod表示如果计算结果小于0则令其为0，若大于6则令其为6，并将结果取最接近的整数，t(opt)∈{0，1，2，3，4，5，6}；
所述第二判断模块连接输出电压矢量计算模块和占空比计算模块，用于进行判断：如果u(opt)是基本电压矢量，则输出u opt =u(opt)，判断条件flag=1，t opt =t(opt)；
如果u(opt)是虚拟电压矢量，若其对应的t(opt)是3的倍数，则输出u opt =u(opt)，flag=0，t opt = t(opt)；
如果u(opt)是虚拟电压矢量，若其对应的t(opt)不是3的倍数，则取距离最近的基本电压矢量作为u(opt)，重新计算t(opt)，输出u opt =u(opt)，flag=1，t opt =t(opt)。
7.一种永磁同步轮毂电机模型预测控制系统，其特征在于，包括：
轮毂电机系统，由多个模块整合而成，所述轮毂电机系统输入为电压脉冲信号pulse，输出为当前时刻的电压u s (k)、电流i s (k)、转速ω和角度θ；合成虚拟矢量，形成混合电压矢量空间；在静止坐标系下建立轮毂电机系统模型；
参考电流计算模块，计算当前时刻参考电流i s * (k)；
模型预测控制器，根据当前时刻参考电流i s * (k)及轮毂电机系统输出的当前时刻的电压u s (k)、电流i s (k)，预测下一个时刻的最佳电压矢量及其最佳占空比并输出判断条件；
第一判断模块，根据模型预测控制器输出的判断条件来开放pulse1通道或者pulse2通道；
若开放pulse2通道，则将模型预测控制器输出的最佳电压矢量u opt 及其最佳占空比t opt 作为基本电压脉冲模块的输入，将基本电压脉冲模块输出的电压脉冲信号pulse2输入给轮毂电机系统；
若开放pulse1通道，则将模型预测控制器输出的最佳电压矢量u opt 及其最佳占空比t opt 作为虚拟电压脉冲模块的输入，将虚拟电压脉冲模块输出的电压脉冲信号pulse1输入给轮毂电机系统。
8.根据权利要求7所述的永磁同步轮毂电机模型预测控制系统，其特征在于，所述轮毂电机系统模型如下：
Figure 151446DEST_PATH_IMAGE014
(1)
Figure 983005DEST_PATH_IMAGE015
(2)
Figure 412630DEST_PATH_IMAGE016
(3)
Figure 338736DEST_PATH_IMAGE017
(4)
Figure 532389DEST_PATH_IMAGE018
(5)
其中，u s 、i s 、ψ s 、ψ x 、E x 、R s 、ψ f 、L s 分别代表定子电压、电流、磁链、等效有效磁链、反电动势、电阻、永磁体磁链以及电感，T e 、T l 、θ e 、ω、P n 、θ分别代表电磁转矩、负载转矩、电角度、转速、极对数以及机械角度，J为转动惯量，t为时间，B为阻尼系数；其中θ、ω以及u s 、i s 的当前值u s (k)、i s (k)为轮毂电机系统的输出；u s 的下一时刻的值u s (k+1)将作为最佳电压矢量u opt 与零矢量在一个控制周期T c 内形成的占空比组合作为电压脉冲信号输入给轮毂电机系统。
9.根据权利要求7所述的永磁同步轮毂电机模型预测控制系统，其特征在于，所述参考电流计算模块包括减法器、转速PI模块及2r/2s坐标变换模块，将轮毂电机系统输出的转速ω及参考转速ω * 经过减法器得到转速差Δω=ω * -ω，并经由转速PI模块输出参考q轴电流i q * ，将d轴参考电流i d * 与参考q轴电流i q * 经过2r/2s坐标变换模块输出为静止坐标系下的当前时刻参考电流i s * (k)=i α * +ji β * ，i α * 和i β * 分别是静止坐标系下的α及β轴的参考电流。
10.根据权利要求7所述的永磁同步轮毂电机模型预测控制系统，其特征在于，所述模型预测控制器包括反电动势计算模块、参考电压计算模块、扇区划分模块、输出电压矢量计算模块、占空比计算模块和第二判断模块；
所述反电动势计算模块，根据轮毂电机系统上一个时刻电压u s (k-1)、电流i s (k-1)以及当前时刻电流i s (k)计算得到当前时刻的反电动势E x (k)；
所述参考电压计算模块，计算下一时刻参考电压u s ref (k+1)，计算公式如下：
Figure 258817DEST_PATH_IMAGE019
(7)
Figure 982929DEST_PATH_IMAGE020
(8)
其中，i s ref (k+1)为用当前电压u s (k)预测的预测电流，k代表当前时刻，k+1代表下一时刻，将得到的u s ref (k+1)输入给扇区划分模块；
所述扇区划分模块用于输出扇区S，所述扇区划分模块的规则如下，定义变量u i ref ，变量A i (i=1,2,3)，满足关系u i ref >0则对应的A i =1，否则A i =0，令变量N=A 1 +2A 2 +4A 3 ，相应的扇区S对应为：
Figure 261461DEST_PATH_IMAGE021
(9)
Figure 816945DEST_PATH_IMAGE022
(10)
其中，u s ref (k+1)=u α ref (k+1)+ju β ref (k+1)，u α ref (k+1)、u β ref (k+1)分别为其静止坐标系下的α、β轴分量；
所述输出电压矢量计算模块，将扇区S内包含的4个电压矢量u(i)代入公式(11)获得补偿预测电流i s c (k+1)，再通过公式(12)得到每个电压矢量对应的下一个时刻的预测电流i s k +1 (i)，定义成本函数P，将使得P最小的那个u(i)作为输出电压矢量u(opt)；
Figure 646099DEST_PATH_IMAGE023
(11)
Figure 50316DEST_PATH_IMAGE024
(12)
Figure 990328DEST_PATH_IMAGE012
(13)
所述占空比计算模块，根据下一时刻参考电压u s ref (k+1)和输出电压矢量u(opt)计算输出占空比t(opt)：
Figure 275685DEST_PATH_IMAGE025
(14)
其中，T s 代表采样周期，mod表示如果计算结果小于0则令其为0，若大于6则令其为6，并将结果取最接近的整数，t(opt)∈{0，1，2，3，4，5，6}；
所述第二判断模块连接输出电压矢量计算模块和占空比计算模块，用于进行判断：如果u(opt)是基本电压矢量，则输出u opt =u(opt)，判断条件flag=1，t opt =t(opt)；
如果u(opt)是虚拟电压矢量，若其对应的t(opt)是3的倍数，则输出u opt =u(opt)，flag=0，t opt = t(opt)；
如果u(opt)是虚拟电压矢量，若其对应的t(opt)不是3的倍数，则取距离最近的基本电压矢量作为u(opt)，重新计算t(opt)，输出u opt =u(opt)，flag=1，t opt =t(opt)。
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