CN114765445A - 基于三电压矢量的无模型预测电流控制方法及控制系统 - Google Patents

基于三电压矢量的无模型预测电流控制方法及控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明适用永磁同步电机控制技术领域，提供了一种基于三电压矢量的无模型预测电流控制方法及控制系统。本发明通过将超局部模型引入电流预测模型中，实现永磁同步电机的无模型预测电流控制，并通过选择三电压矢量和计算其最优作用时间，优化施加至逆变器的电压矢量。在保证电流环控制器摆脱参数依赖的同时，减小电流的波动和稳态误差，提高电流环的跟踪精度。

Description

基于三电压矢量的无模型预测电流控制方法及控制系统
技术领域
本发明属于永磁同步电机控制技术领域，尤其涉及一种基于三电压矢量的无模型预测电流控制方法及控制系统。
背景技术
现有技术在无模型预测电流控制中，依据逆变器的八个电压矢量对应的电流变化量对未来电流进行预测，从而摆脱对参数的依赖，提高电流环控制器的鲁棒性。然而，在传统无模型预测电流控制中，由于每个控制周期只对逆变器施加一种电压矢量，从而使得电流的稳态误差和纹波电流增大，进而影响系统输出转矩的稳定性和永磁同步电机控制系统的控制性能。现有技术存在不足。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于三电压矢量的无模型预测电流控制方法及控制系统，旨在解决需要在保证电流环控制器摆脱参数依赖的同时，对逆变器施加的电压矢量进行优化，减小纹波电流，提高电流环的跟踪精度和控制性能，实现永磁同步电机的电流环高性能控制的问题之一。
一方面，本发明提供了一种基于三电压矢量的无模型预测电流控制方法，包括以下步骤：建立基于超局部模型的电流预测模型；所述方法还包括下述步骤：
s1.基于所述超局部模型的电流预测模型对下一周期输出的期望电压进行估计；
s2.选择所述期望矢量的相位角所对应的扇区；
s3.根据所述扇区所包括的三个矢量电压所对应的电流进行电流斜率计算；
s4.依据代价函数的Hessian矩阵，对三个电压矢量的最优作用时间进行计算，从而合成最优电压矢量。
另一方面，本发明还提供了一种采用如上述任一项所述方法的永磁同步电机控制系统，所述系统包括依次连接的：角度输入模块，接收所述角度输入模块输出的角度值的速度环控制器，接收所述速度环控制器输出参考电流的无模型预测电流控制模块，接收所述无模型预测电流控制模块输出的最优作用时间的空间矢量脉宽调制模块，接收所述空间矢量脉宽调制模块输出的最优电压矢量的三相逆变器，接收所述三相逆变器输出的三相交流电压的编码器，以及与所述编码器连接的位置和角度检测模块；所述位置和角度检测模块将检测到的角度返回角度输入模块构成闭环；
所述编码器与所述无模型预测电流控制模块之间还设置有Clark变换模块和Park变换模块。
本发明通过将超局部模型引入电流预测模型中，实现永磁同步电机的无模型预测电流控制，并通过选择三电压矢量和计算其最优作用时间，优化施加至逆变器的电压矢量。在保证电流环控制器摆脱参数依赖的同时，减小电流的波动和稳态误差，提高电流环的跟踪精度。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的基于三电压矢量的无模型预测电流控制方法的实现流程图；
图2是本发明实施例二提供的基于三电压矢量的无模型预测电流控制的永磁同步电机控制系统示意框图；
图3是本发明实施例三提供的期望电压角度与扇区选择关系以及扇区与电压矢量关系示意图；
图4是本发明实施例三提供的扇区选择与最优作用时间关系示意图；
图5是本发明实施例四电机运行在100rpm，负载为2N·m的工况下的q轴稳态电流对比图；
图6是本发明实施例四电机运行在100rpm，负载为2N·m的工况下的q轴稳态电流误差对比图；
图7是本发明实施例四电机运行在100rpm，负载为2N·m的工况下的三相电流对比图；
图8是本发明实施例四提供的三相电流的FFT分析结果对比图。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：
实施例一：
图1示出了本发明实施例一提供的一种基于三电压矢量的无模型预测电流控制方法，包括以下步骤：建立基于超局部模型的电流预测模型；所述方法还包括下述步骤：
s1.基于所述超局部模型的电流预测模型对下一周期输出的期望电压进行估计；
s2.选择所述期望矢量的相位角所对应的扇区；
s3.根据所述扇区所包括的三个矢量电压所对应的电流进行电流斜率计算；
s4.依据代价函数的Hessian矩阵，对三个电压矢量的最优作用时间进行计算，从而合成最优电压矢量。
上述方案基于超局部模型来避免系统对电机参数的依赖，同时，为了优化输出电压矢量的相位和幅值，通过三电压矢量最优作用时间，合成最优电压矢量，从而减小电流纹波和稳态误差，提高电流环控制器的控制性能。通过代价函数的Hessian矩阵，对三电压矢量的最优作用时间进行计算。降低电流的谐波成分和畸变程度，使得系统能够输出更稳定的转矩。
进一步的，所述步骤s1中，所述超局部模型结合超螺旋滑模观测器观测到的d轴参数和q轴参数对下一周期输出的期望电压进行估计。简化了控制步骤的同时保证在参数不匹配时电流预测的准确度，提高了电流环控制器的鲁棒性。
进一步的，对所述扇区为将所述相位角的0°至360°的区间进行六等分后的其中之一；所述扇区包括两条边的矢量电压和原点上的矢量电压。减小电流的波动和稳态误差。
进一步的，所述最优作用时间的个数与所述扇区所包括的矢量电压数目相对应。
进一步的，所述步骤s4中还包括以下步骤：
通过上一周期计算的电流变化量结果来对下一周期电流进行修正；将修正后的下一周期电流替代本周期电流进行下一周期电压的估计，进一步保证计算最优作用时间的准确性。
实施例二：
图2示出了本发明实施例二提供的一种基于三电压矢量的无模型预测电流控制的永磁同步电机控制系统，所述系统包括依次连接的：角度输入模块，接收所述角度输入模块输出的角度值的速度环控制器，接收所述速度环控制器输出参考电流的无模型预测电流控制模块，接收所述无模型预测电流控制模块输出的最优作用时间的空间矢量脉宽调制模块，接收所述空间矢量脉宽调制模块输出的最优电压矢量的三相逆变器，接收所述三相逆变器输出的三相交流电压的编码器，以及与所述编码器连接的位置和角度检测模块；所述位置和角度检测模块将检测到的角度返回角度输入模块构成闭环；
所述编码器与所述无模型预测电流控制模块之间还设置有Clark变换模块和Park变换模块。
进一步的，所述无模型预测电流控制模块接收的q轴参考电流由所述速度环控制器输出，d轴参考电流设置为0，从而保证电磁转矩和磁链转矩解耦。
进一步的，所述空间矢量脉宽调制模块采用时间比较法合成最优电压矢量，有效提高了永磁同步电机控制系统电流环的控制性能。
进一步的，所述无模型预测电流控制模块基于传统的空间矢量变换策略和逆变器空间电压矢量来预测电流，输出电压矢量的最优作用时间，实现更小的稳态电流误差。
实施例三：
在具体实施时，首先建立基于超局部模型的永磁同步电机模型。
单输入单输出系统的一阶超局部模型的表达式如下：
Figure BDA0003623118980000051
其中，Y(t)为t时刻系统的输出；U(t)为t时刻系统的输入；α为超局部模型的可设计比例因子；F(t)为t时刻系统的参数集总值。基于上述超局部模型，永磁同步电机模型可表示为：
Figure BDA0003623118980000052
其中，Fd为d轴的参数集总值；Fq为q轴的参数集总值；
Figure BDA0003623118980000053
其中，id和iq分别为d、q轴的电流值；ud和uq分别为d、q轴的输入电压值；Rs为永磁同步电机的电阻；Ls为永磁同步电机的电感；ωr为永磁同步电机的电角速度；
Figure BDA0003623118980000054
为永磁同步电机的磁链。
为了保证超局部模型摆脱参数的依赖和获得准确的电流预测值，实现参数Fd和Fq的准确估计，在本发明中，采用超螺旋滑模观测器对参数Fd和Fq进行观测。
本发明中设计的超螺旋滑模观测器表达式为：
Figure BDA0003623118980000061
其中，
Figure BDA0003623118980000062
为d、q轴电流的估计值；
Figure BDA0003623118980000063
为d、q轴超局部模型参数Fd和Fq的估计值；u0为趋近律；δ为趋近律的增益系数。
滑模面设计为：
Figure BDA0003623118980000064
其中，ei为d、q轴电流的实际值与超螺旋滑模观测器的观测值之间的误差。
趋近律设计为：
Figure BDA0003623118980000065
其中，sign(·)为符号函数，λ和为增益系数，uM为u0的极限值。
根据Lyapunov函数和稳定性条件，在保证观测器稳定性的前提下，对参数δ和λ以及β进行选择，从而实现超局部模型参数Fd和Fq的估计。在本发明中，使用超螺旋滑模观测器来对参数集进行估计，有效简化了控制步骤的同时保证在参数不匹配时电流预测的准确度。
在其他实施例中，还可采用状态观测器、参数辨识等方式实现超局部模型参数集的估计。
依据d、q轴的参考电流，基于超局部模型，对期望电压进行估计如下：
Figure BDA0003623118980000071
其中，
Figure BDA0003623118980000072
和
Figure BDA0003623118980000073
分别为d、q轴的参考电流；id(k)和iq(k)分别为d、q轴的当前采样周期的电流；
Figure BDA0003623118980000074
和
Figure BDA0003623118980000075
分别为d、q轴的当前采样周期的期望输出电压；ts为电流环的采样周期。
基于(6)和反Park变换，计算两相静止坐标系α-β的期望输出电压为：
Figure BDA0003623118980000076
其中，
Figure BDA0003623118980000077
和
Figure BDA0003623118980000078
分别为α、β轴的当前采样周期的期望输出电压；γ为当前采样周期电机的电角度。
基于(7)，利用α、β轴的当前采样周期的期望输出电压，计算期望矢量电压的相位角。
Figure BDA0003623118980000079
其中，θref为期望输出电压的相位角。
基于(8)计算的期望电压角度，确定期望电压所处的扇区N，并根据所处的扇区判定三电压矢量的选择。期望电压角度与扇区选择的关系以及扇区与电压矢量的选择如图3所示。如图3的(a)部分所示的期望电压，图中Ⅰ-Ⅵ区域分别为电压的不同扇区，进而对应不同的矢量电压相位角。图3的(b)部分表示不同的电压扇区对应的可选择电压矢量。通过(8)，可计算出期望输出电压的相位角θref，经过角度判定，选择对应的扇区Ⅰ。通过图3的(b)部分的对应表格，可以确定，在图3的a部分，扇区Ⅰ对应的三个电压矢量分别是U4,U6,U0，此时，第一个最优电压为U4，第二个最优电压为U6。由于在电流预测时，电压矢量U0(000)与电压矢量U7(111)在d、q轴中产生的电流变化量相同。因此，为了降低逆变器开关的切换频率，在本发明专利中，只使用电压矢量U0(000)，即电压矢量U0(000)-U6(110)，并未使用U7(111)进行预测。基于计算的扇区，可确定逆变器的开关状态Sa、Sb和Sc。
为了优化输出电压矢量的相位和幅值，通过三电压矢量最优作用时间，合成最优电压矢量，从而减小电流纹波和稳态误差，提高电流环控制器的控制性能。通过代价函数的Hessian矩阵，对三电压矢量的最优作用时间进行计算。
在有限集三电压矢量无模型预测电流控制中，(k+2)时刻的电流计算如下：
Figure BDA0003623118980000081
式中，
Figure BDA0003623118980000082
和
Figure BDA0003623118980000083
分别为d、q轴(k+2)采样周期的预测电流；
Figure BDA0003623118980000084
和
Figure BDA0003623118980000085
分别为d、q轴(k+1)采样周期的估计电流；
Figure BDA0003623118980000086
和
Figure BDA0003623118980000087
分别为第一个电压矢量在d、q轴的电流斜率；
Figure BDA0003623118980000088
和
Figure BDA0003623118980000089
分别为第二个电压矢量在d、q轴的电流斜率；
Figure BDA00036231189800000810
和
Figure BDA00036231189800000811
分别为零电压矢量在d、q轴的电流斜率；t1和t2分别为第一个电压矢量和第二个电压矢量的最优作用时间。
代价函数(Cost Function)如下：
Figure BDA00036231189800000812
基于(9)和(10)，将t1和t2设为自变量，求解代价函数的Hessian矩阵如下：
Figure BDA0003623118980000091
式中，H(f)为代价函数f的Hessian矩阵。
依据多元函数极值的判定条件如下：
Figure BDA0003623118980000092
将(9)和(10)代入(12)中，可实现(k+2)时刻最优作用时间t1和t2的求解。
Figure BDA0003623118980000093
在(13)中，为了完成t1和t2，三个电压矢量相对应的电流斜率
Figure BDA0003623118980000094
和
Figure BDA0003623118980000095
需要依据超局部模型进行计算，保证最优作用时间求解的准确性。
Figure BDA0003623118980000096
式中，
Figure BDA0003623118980000097
和
Figure BDA0003623118980000098
分别为三电压矢量中第一个电压矢量、第二个电压矢量和零电压矢量。
由于在硬件系统实现该算法时，采样时间的限制，当最优作用时间t1和t2过大时，即超出了控制系统电流环的采样时间，为了保证施加电压的有效性，需要对最优作用时间t1和t2进行修正。
当t1+t2＞ts时，
Figure BDA0003623118980000101
基于(15)，第一个最优电压的作用时间
Figure BDA0003623118980000102
第二个最优电压的作用时间
Figure BDA0003623118980000103
零电压最优作用时间
Figure BDA0003623118980000104
在(6)和(13)中，为了保证最优作用时间t1和t2计算结果的准确性，需要对(k+1)时刻的电流进行补偿修正，将修正后的电流
Figure BDA0003623118980000105
代替
Figure BDA0003623118980000106
进行(k+1)时刻电压的估计。在本发明中，通过上一周期(k-1)计算的电流变化量结果来对下一周期(k+1)电流进行修正。将修正后的下一周期(k+1)电流替代本周期(k)电流进行下一周期(k+1)电压的估计。
基于(k-1)时刻即前一周期计算的最优电压作用时间和电流斜率，在(k)时刻产生的影响，来预测(k+1)时刻采样时的数值。因此，利用电流斜率则可对电流变化量进行估计。
Figure BDA0003623118980000107
式中，
Figure BDA0003623118980000108
和
Figure BDA0003623118980000109
分别为d、q轴第(k)时刻的电流变化量；
Figure BDA00036231189800001010
Figure BDA00036231189800001011
和
Figure BDA00036231189800001012
分别为d、q轴(k)时刻第一个电压矢量、第二个电压矢量和零电压矢量相对应的电流斜率；t1_old和t2_old分别为(k)时刻第一个电压矢量和第二个电压矢量的最优作用时间。
基于公式(16)，(k+1)时刻的电流表示为：
Figure BDA0003623118980000111
将(17)代入(6)和(13)中，即可完成对(k+1)时刻的电流的补偿修正，从而保证最优电压矢量作用时间的准确性。
为了降低电流的稳态误差和谐波失真，需要依据最优作用时间和三电压矢量合成最优电压矢量。在硬件实现上，基于时间比较法，输出相应的逆变器的开关状态，依据电压矢量和作用时间，等效为最优电压矢量。如图4所示，PWMPRD为周期寄存器的设定值，CMPR1、CMPR2和CMPR3分别为比较寄存器的设定值，与PWMPRD进行比较。当扇区选择为第1扇区时，最优作用时间
Figure BDA0003623118980000112
和三电压矢量u4、u6、u0的生成方式，从而合成此时的最优电压矢量，保证电流环的跟踪精度。
通过设计基于超局部模型的有限集三电压矢量无模型预测电流控制方法，相较于传统的有限集模型预测电流控制方法，本发明提出的有限集预测电流控制方法的优点是：
(1)简化定子电流的估计和预测的方程，摆脱对电机参数的依赖。通过建立基于超局部模型的定子电流估计和预测方程，利用观测的参数来对电流进行估计和预测的方式，相较于传统的无模型预测电流控制中电流的估计，简化了计算的步骤，提高了预测的精准度。同时，利用超螺旋滑模观测器对参数进行观测，摆脱对电机参数的依赖，保证在参数不匹配时电流预测的准确度，提高了电流环控制器的鲁棒性。
(2)修正最优电压矢量，减小电流的纹波和稳态误差。
相较于传统的有限集无模型预测电流控制在每一个控制周期施加一种逆变器开关状态的控制方式，本发明通过在每一个控制周期施加三种电压矢量，通过计算其各自的最优作用时间，实现最优电压矢量的合成。相比较传统的单一电压矢量，经过合成后的最优电压矢量可以提高定子电流的预测精度，从而减小定子电流的稳态误差，提高电流环的控制性能。
实施例四：
为了验证本发明所提出的基于超局部模型的有限集三电压矢量无模型预测电流控制方法的效果，本发明提出的方法与传统的有限集无模型预测电流控制相对比，从而对本发明所提出的算法的有效性进行仿真验证，仿真验证如图5～8所示。
图5为电机运行在100rpm，负载为2N·m的工况下的q轴稳态电流图。图5的(1)部分为基于传统有限集无模型预测电流方法的q轴稳态电流；图5的(2)部分为基于本发明提出的三电压矢量有限集无模型预测电流方法的q轴稳态电流。在q轴稳态电流图(1)和(2)中，横坐标为时间，纵坐标为q轴电流，深色线条为q轴电流的参考值，浅色线条为q轴电流的实际值。从图(2)可知，本发明提出的控制策略的浅色线条波动更小，这说明q轴电流的实际值的波动更小，波动越小，q轴电流的跟踪性能越好。通过仿真结果对比，不同于传统的控制方法，在本发明中，通过三电压矢量合成最优电压矢量来代替传统的单电压矢量作用，并结合三电压矢量及其最优作用时间，提高电流预测的精准度和施加电压的有效性，从而实现降低稳态电流误差，提高电流跟踪性能，输出更加稳定的转矩的目标。
图6为电机运行在100rpm，负载为2N·m的工况下的q轴稳态电流误差图。图6的(1)部分为基于传统有限集无模型预测电流方法的q轴稳态电流误差；图6的(2)部分为基于本发明提出的三电压矢量有限集无模型预测电流方法的q轴稳态电流误差。在q轴稳态电流误差图(1)和(2)中，横坐标为时间，纵坐标为q轴电流误差。从图(2)可知，本发明提出的控制策略的稳态电流跟踪误差相比较(1)更小，q轴电流的稳态误差小，说明q轴电流的跟踪性能越好。通过仿真结果对比，基于三电压矢量及其最优作用时间的控制方法在不依赖电机参数的基础上，实现更小的稳态电流误差，提高了永磁同步电机控制系统电流环的控制性能。
图7为电机运行在100rpm，负载为2N·m的工况下的三相电流图。图7的(1)部分为基于传统有限集无模型预测电流方法的三相电流电流；图7的(2)部分为基于本发明提出的三电压矢量有限集无模型预测电流方法的三相电流。在三相电流图7的(1)部分和(2)部分中，横坐标为时间，纵坐标为三相电流Ia、Ib和Ic，线条色度由浅到深依次代表Ia、Ib、Ic。从图(2)可知，本发明提出的控制策略的三相电流的粗细更细，这说明三相电流具有更小的谐波含量，能够输出更加稳定的电流。通过仿真结果对比，相较于传统的控制方法，本发明提出的电流环控制方法产生的三相电流中，三相电流的谐波含量更少，畸变程度更低，输出转矩更加稳定，电机的控制效果也相对更好。
图8为三相电流的FFT分析结果对比图。为了更直观地分析本发明提出的三电压矢量有限集无模型预测电流方法的有效性，从频域的角度出发，对稳态三相电流进行FFT分析，横坐标为三相电流谐波的阶次，纵坐标为相应阶次的幅值相对基频幅值的百分比，其中，深色柱状图代表传统的单向量有限集无模型预测电流控制的FFT分析结果，浅色柱状图代表本发明提出的三向量有限集无模型预测电流控制的FFT分析结果。通过图中数据可以分析，相较于传统的基于单向量的有限集无模型预测电流控制的FFT分析，本发明提出的预测电流方法的输出三相电流的5阶，7阶，11阶和13阶谐波电流含量均得到降低，同时，传统控制方法的总谐波失真(THD)为12.18％，本发明提出的控制方法的总谐波失真(THD)为3.71％，降低了68.54％，从而实现电流谐波成分的降低，提高电流环的控制性能。
通过仿真对比验证，本发明提出的基于超局部模型的有限集三电压矢量无模型预测电流控制方法不仅能够摆脱有限集预测电流控制对电机系统参数的依赖，避免参数不匹配时系统性能的降低，而且能够降低电流的谐波成分和畸变程度，使得系统能够输出更稳定的转矩，同时能够降低稳态电流跟踪误差，提高永磁同步电机控制系统电流环的性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于三电压矢量的无模型预测电流控制方法，包括以下步骤：建立基于超局部模型的电流预测模型；其特征在于，所述方法还包括下述步骤：
s1.基于所述超局部模型的电流预测模型对下一周期输出的期望电压进行估计；
s2.选择所述期望矢量的相位角所对应的扇区；
s3.根据所述扇区所包括的三个矢量电压所对应的电流进行电流斜率计算；
s4.依据代价函数的Hessian矩阵，对三个电压矢量的最优作用时间进行计算，从而合成最优电压矢量。
2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述步骤s1中，所述超局部模型结合超螺旋滑模观测器观测到的d轴参数和q轴参数对下一周期输出的期望电压进行估计。
3.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述扇区为将所述相位角的0°至360°的区间进行六等分后的其中之一；所述扇区包括两条边的矢量电压和原点上的矢量电压。
4.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述最优作用时间的个数与所述扇区所包括的矢量电压数目相对应。
5.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述步骤s4中还包括以下步骤：
通过上一周期计算的电流变化量结果来对下一周期电流进行修正；将修正后的下一周期电流替代本周期电流进行下一周期电压的估计。
6.一种采用如权利要求1至5任一项所述控制方法的永磁同步电机控制系统，其特征在于，所述控制系统包括依次连接的：角度输入模块，接收所述角度输入模块输出的角度值的速度环控制器，接收所述速度环控制器输出参考电流的无模型预测电流控制模块，接收所述无模型预测电流控制模块输出的最优作用时间的空间矢量脉宽调制模块，接收所述空间矢量脉宽调制模块输出的最优电压矢量的三相逆变器，接收所述三相逆变器输出的三相交流电压的编码器，以及与所述编码器连接的位置和角度检测模块；所述位置和角度检测模块将检测到的角度返回角度输入模块构成闭环；
所述编码器与所述无模型预测电流控制模块之间还设置有Clark变换模块和Park变换模块。
7.如权利要求6所述的控制系统，其特征在于，所述无模型预测电流控制模块接收的q轴参考电流由所述速度环控制器输出，d轴参考电流设置为0。
8.如权利要求6所述的控制系统，其特征在于，所述空间矢量脉宽调制模块采用时间比较法合成最优电压矢量。
9.如权利要求6所述的控制系统，其特征在于，所述无模型预测电流控制模块基于传统的空间矢量变换策略和逆变器空间电压矢量来预测电流，输出电压矢量的最优作用时间。
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