CN115514267A - 具有共模电压抑制能力的pmsm混合模型预测控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开具有共模电压抑制能力的PMSM混合模型预测控制方法，属于发电、变电或配电的技术领域。根据参考电磁转矩和参考定子磁链计算参考电压矢量，当参考电压矢量幅值大于切换阈值时，采用基于非零矢量合成的虚拟矢量法产生逆变器开关驱动信号；当参考电压矢量幅值小于切换阈值时，采用基于等效零矢量的多矢量合成法产生逆变器开关驱动信号。本发明的混合模型预测控制在全工况范围内能够用较低的平均开关频率实现共模电压抑制，保证良好的转矩动、静态控制性能，通过切换阈值实现开关频率和转矩脉动的灵活折中。

Description

具有共模电压抑制能力的PMSM混合模型预测控制方法
技术领域
本发明公开具有共模电压抑制能力的PMSM混合模型预测控制方法，特别涉及用于两电平三相电压源逆变器驱动的永磁同步电机的混合模型预测控制方法，涉及电机控制技术，属于发电、变电或配电的技术领域。
背景技术
永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)具有功率密度高、效率高、可靠性高等优点，在航空航天、电动汽车、精密伺服等领域广泛应用。对永磁同步电机实现高性能转矩控制在多种工业应用场合具有重要意义。
模型预测控制具有动态响应快、抗扰动能力强的优点，且能处理带约束的多目标优化控制问题，近年来在永磁同步电机驱动领域获得了快速发展。常规的模型预测控制由于使用了零电压矢量而存在幅值为Vdc/2的较大共模电压，可能引起电机轴电流，造成电机轴承和绕组绝缘损坏，此外还会产生电磁干扰，影响附近电子设备正常运行，尤其在航空、汽车等领域中，电磁干扰可能造成较严重的安全问题，共模电压抑制是永磁同步电机驱动系统设计需要考虑的重要问题。
现有的具有共模电压抑制能力的永磁同步电机模型预测控制技术主要分为以下三类，第一类是摒弃零矢量只使用6个非零基本矢量的模型预测控制技术，但相比常规模型预测控制，其电流和转矩波动有所增加；第二类是加入非零矢量合成的虚拟矢量作为控制集的模型预测控制技术，相比前者减小了电流和转矩波动，但改善较为有限；第三类是采用等效零矢量的矢量合成法模型预测控制技术，采用两个方向相反的有效矢量作为等效零矢量，通过多矢量合成作用矢量，可很好地抑制电流和转矩脉动，但逆变器开关频率高，导致损耗大、散热困难。
综上所述，现有具备共模电压抑制能力的永磁同步电机模型预测控制技术难以兼顾开关频率和转矩性能两个重要指标。本发明旨在提出一种具有共模电压抑制能力的PMSM混合模型预测控制方法以克服上述缺陷。
发明内容
本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供具有共模电压抑制能力的PMSM混合模型预测控制方法，解决现有具有共模电压抑制能力的永磁同步电机模型预测控制技术难以同时兼顾开关频率和转矩性能的技术问题，实现在有效抑制零电压矢量引起的较大的共模电压的同时兼顾较低开关频率和良好转矩性能的发明目的。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
具有共模电压抑制能力的永磁同步电机混合模型预测控制方法，根据参考电磁转矩和参考定子磁链，计算参考电压矢量。两电平三相电压源逆变器驱动的永磁同步电机在αβ坐标系下的定子电压化方程为：
Figure BDA0003854184380000021
式(1)中，uα、uβ为定子电压us的α轴分量、β轴分量，iα、iβ为定子电流is的α轴分量、β轴分量，R为定子电阻，ψα、ψβ为定子磁链ψs的α轴分量、β轴分量。
永磁同步电机在αβ坐标系下的定子磁链表达式为：
Figure BDA0003854184380000022
式(2)中，θs为定子磁链位置角，定子磁链位置角θs、电机转子位置角θr和转矩角δ之间满足如下关系：
θs＝θr+δ
定子电压us在αβ坐标系的离散方程为：
Figure BDA0003854184380000023
式(3)中，k代表当前时刻，k+1代表下一时刻，Ts为控制周期，ψs为定子磁链。
电磁转矩Te、定子磁链幅值|ψs和转矩角δ之间满足关系：
Figure BDA0003854184380000024
式(4)中，ψr为转子磁链，Ls为定子电感，p为电机极对数。
将参考电磁转矩
Figure BDA0003854184380000031
和参考定子磁链
Figure BDA0003854184380000032
作为下一时刻的预测值，得到参考定子电压矢量
Figure BDA0003854184380000033
Figure BDA0003854184380000034
根据式(4)的关系，可得式(5)中给定转矩角δref为：
Figure BDA0003854184380000035
设定电压矢量生成方式的切换阈值Vsh，判断参考定子电压矢量的幅值是否大于阈值，若大于阈值，则采用基于非零矢量合成的虚拟矢量法产生逆变器开关驱动信号。采用除零电压矢量以外的六个非零基本电压矢量合成虚拟矢量。在每个扇区中，选择各扇区的两个边界电压矢量并各作用一半的控制周期，合成六个虚拟矢量，以六个非零基本电压矢量和合成的六个虚拟矢量作为控制集。根据参考定子电压矢量
Figure BDA0003854184380000038
所处的扇区，将该扇区的3个电压矢量作为预选集进行最优矢量筛选，计算对应的电磁转矩和定子磁链的预测值，代入价值函数，选择使价值函数值最小的电压矢量作为作用矢量。
价值函数构建过程如下：对永磁同步电机定子磁链导数进行离散化，整理可得：
Figure BDA0003854184380000036
根据定子磁链和定子电流的关系，可得定子电流的预测值：
Figure BDA0003854184380000037
根据电磁转矩、定子电流和定子磁链的关系，得到电机定子磁链和电磁转矩的预测值：
Figure BDA0003854184380000041
构建电磁转矩和定子磁链参考值与预测值误差项形式的价值函数：
Figure BDA0003854184380000042
式(10)中，λ表示参考定子磁链幅值
Figure BDA0003854184380000043
的权重。
若参考定子电压矢量幅值小于切换阈值Vsh，可供选择的虚拟电压矢量均与参考电压矢量相差较大，虚拟矢量法将差生较大的转矩脉动，已不宜使用，此时以较高的平均开关频率为代价，采用基于等效零矢量的多矢量合成法产生逆变器开关驱动信号，保证较低的转矩脉动。首先判断参考定子电压矢量所处的扇区，选择与参考电压矢量相邻的两个非零基本电压矢量，考虑到减小控制周期内逆变器的开关频率，降低开关损耗，遵循每次改变开关状态时，只改变一相的开关状态这一原则，选择与参考定子电压所在扇区相邻的两个方向相反的非零基本电压矢量作为等效零矢量，采用参考定子电压所在扇区的两个边界电压矢量与选择的两个等效零矢量合成参考定子电压矢量，计算四个电压矢量各自的作用时间，以参考定子电压矢量处于扇区Ⅰ为例，选择与其相邻的两个非零基本电压矢量为V1和V2，选择非零基本电压矢量V6和V3为等效零矢量，矢量V1和V2的作用时间为T1和T2,矢量V6和V3的占空比为T3和T4，各作用时间表达式如下：
Figure BDA0003854184380000044
式(11)中，Vdc为逆变器直流母线电压，θ为参考电压矢量和α轴间的夹角，
Figure BDA0003854184380000045
为参考定子电压矢量幅值。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
(1)本发明结合虚拟矢量法和多矢量合成法的优点，根据参考定子电压矢量切换不同的电压矢量生成方法，当参考定子电压矢量幅值大于预设的切换阈值时，采用基于非零矢量合成的虚拟矢量法，保证较低的开关频率，当参考定子电压矢量幅值小于阈值时，切换为多矢量合成法，以较高的开关频率为代价获得较好的转矩控制性能；从全工况范围来看，相比现有的共模电压抑制技术，本发明能够保证较低的平均开关频率与良好的转矩动静态性能。
(2)本发明还可通过改变电压矢量生成方式的切换条件，实现开关频率和转矩脉动的灵活折中。
附图说明
图1是本发明永磁同步电机混合模型预测控制的系统框图。
图2是本发明中包含虚拟矢量的矢量控制集的示意图。
图3是本发明对应的共模电压的仿真波形图。
图4是本发明在10Hz正弦转速的情况下的转矩响应仿真结果图。
图5是本发明在10Hz正弦转速的情况下的平均开关频率仿真结果图。
图6是本发明不同切换阈值下转矩脉动和开关频率的变化规律图。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。
本发明永磁同步电机混合模型控制系统如图1所示，将参考转速nref和电机转速n作为转速环PI控制器的输入，PI控制器输出参考电磁转矩
Figure BDA0003854184380000051
根据参考电磁转矩
Figure BDA0003854184380000052
和参考定子磁链
Figure BDA0003854184380000053
计算参考定子电压矢量
Figure BDA0003854184380000054
判断参考定子电压矢量
Figure BDA0003854184380000055
的幅值是否大于设定的切换阈值Vsh，若参考定子电压矢量幅值大于切换阈值，则使用基于非零矢量合成的虚拟矢量法，并计算电磁转矩预测值Te(k+1)和定子磁链预测值ψs(k+1)，将电磁转矩预测值和定子磁链预测值代入价值函数寻优得到作用矢量；若参考定子电压矢量幅值小于切换阈值，则使用基于等效零矢量的多矢量合成法，判断参考定子电压矢量所处扇区，选择四个非零电压矢量，计算各自的作用时间合成作用矢量，从而得到逆变器开关信号控制电机。具体过程为：
两电平三相电压源逆变器驱动的永磁同步电机在αβ坐标系下的定子电压方程为：
Figure BDA0003854184380000056
永磁同步电机在αβ坐标系下的定子磁链表达式为：
Figure BDA0003854184380000061
式(13)中，θs为定子磁链位置角，定子磁链位置角θs、电机转子位置角θr和转矩角δ之间满足如下关系：
θs＝θr+δ (14)
定子电压us在αβ坐标系的离散方程为：
Figure BDA0003854184380000062
式(15)中，k代表当前时刻，k+1代表下一时刻，ψs为定子磁链。
电磁转矩、定子磁链幅值和转矩角δ之间满足关系：
Figure BDA0003854184380000063
式(16)中，p为电机极对数，Ls为电机相电感。将参考电磁转矩和参考定子磁链参考值作为下一时刻的预测值，得到参考电压矢量：
Figure BDA0003854184380000064
式(17)中，给定转矩角为：
Figure BDA0003854184380000065
设定电压矢量生成方式的切换阈值Vsh，判断参考电压矢量的幅值是否大于阈值，若大于切换阈值，采用基于非零矢量合成的虚拟矢量法产生逆变器开关驱动信号。使用除零电压矢量以外的六个非零基本电压矢量合成虚拟矢量，在每个扇区中，选择各扇区的两个边界电压矢量，各作用一半的控制周期，合成虚拟矢量，以六个非零基本电压矢量和合成的六个虚拟矢量作为控制集。
本发明中包含虚拟矢量的矢量控制集图如图2所示，矢量V1～V6为六个非零基本电压矢量，矢量V12、V23、V34、V45、V56、V61为六个虚拟矢量。根据参考定子电压矢量
Figure BDA0003854184380000071
所处的扇区，将该扇区的3个电压矢量作为预选集进行最优矢量筛选。
计算预选集中矢量对应的电磁转矩和定子磁链的预测值，计算的过程如下：对永磁同步电机定子磁链导数进行离散化，整理可得：
Figure BDA0003854184380000072
根据定子磁链和定子电流的关系，可得定子电流的预测值：
Figure BDA0003854184380000073
根据电磁转矩、定子电流和定子磁链的关系，得到电机定子磁链和电磁转矩的预测值：
Figure BDA0003854184380000074
构建电磁转矩和定子磁链参考值与预测值误差项形式的价值函数：
Figure BDA0003854184380000075
将各电压矢量对应的电磁转矩和定子磁链的预测值代入价值函数，选择使价值函数值最小的电压矢量作为作用矢量。
若参考定子电压矢量幅值小于切换阈值，可供选择的虚拟电压矢量均与参考定子电压矢量相差较大，虚拟矢量法将差生较大的转矩脉动，已不宜使用，采用基于等效零矢量的多矢量合成法产生逆变器开关驱动信号，在较高的平均开关频率下获得较低的转矩脉动。首先判断参考定子电压矢量所处的扇区，选择与参考定子电压矢量相邻的两个非零基本电压矢量，以及与所在扇区相邻的两个方向相反的非零基本电压矢量作为合成参考电压矢量，其中，后两个非零基本电压矢量用作等效零矢量，以参考定子电压矢量处于扇区Ⅰ为例，选择与其相邻的两个非零基本电压矢量V1和V2，选择矢量V6和V3为等效零矢量，矢量V1和V2的作用时间为T1和T2,矢量V6和V3的占空比为T3和T4，计算四个电压矢量各自的作用时间：
Figure BDA0003854184380000081
由上述的方法得到作用矢量后，经调制得到逆变器开关信号，逆变器驱动永磁同步电机。
图3是本发明通过MATLAB仿真得到的共模电压波形图，设定切换阈值Vsh为Vdc/3，电机转速为斜坡信号，1s内从0增长到140r/min，负载转矩为1N·m，共模电压幅值最高为±Vdc/6，可有效地抑制零矢量产生的较大共模电压。
图4是本发明通过MATLAB仿真得到的转矩响应图，设定切换阈值Vsh为Vdc/3，给电机频率为10Hz，从0变化到140r/min的正弦转速，转矩脉动为0.0432N·m，转矩脉动较小。
图5是本发明通过MATLAB仿真得到的平均开关频率响应图，设定切换阈值Vsh为Vdc/3，给电机频率为10Hz，从0变化到140r/min的正弦转速，平均开关频率为14.69kHz，开关频率较低。
图6是本发明公开的混合模型预测控制方法在不同切换阈值下的转矩脉动和开关频率变化规律图，可见切换阈值越大，转矩脉动越低，开关频率越高。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本发明技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.具有共模电压抑制能力的PMSM混合模型预测控制方法，其特征在于，
根据参考电磁转矩和参考定子磁链计算参考定子电压矢量，
当参考定子电压矢量幅值大于切换阈值时，采用基于非零矢量合成的虚拟矢量法生成逆变器开关驱动信号；
当参考定子电压矢量幅值小于切换阈值时，采用基于等效零矢量的多矢量合成法生成逆变器开关驱动信号。
2.根据权利要求1所述具有共模电压抑制能力的PMSM混合模型预测控制方法，其特征在于，所述根据参考电磁转矩和参考定子磁链计算参考定子电压矢量的表达式为：
Figure FDA0003854184370000011
其中，
Figure FDA0003854184370000012
为参考定子电压矢量的α轴分量、β轴分量，R为定子电阻，iα(k)、iβ(k)为定子电流is在k时刻的α轴分量、β轴分量，
Figure FDA0003854184370000013
为参考定子磁链，θr(k+1)为k+1时刻的电机转子位置角，δref为给定转矩角，
Figure FDA0003854184370000014
为转子磁链，p为电机极对数，Te ref为参考电磁转矩，Ls为定子电感，ψs(k)为k时刻的定子磁链，θs(k)为k时刻的定子磁链位置角，Ts为控制周期。
3.根据权利要求2所述具有共模电压抑制能力的PMSM混合模型预测控制方法，其特征在于，所述采用基于非零矢量合成的虚拟矢量法生成逆变器开关驱动信号的具体方法为：根据每个扇区的非零基本电压矢量合成虚拟电压矢量，以所有非零基本电压矢量以及合成的所有虚拟电压矢量组成的集合为控制集，将参考定子电压矢量所属扇区的非零基本电压矢量以及虚拟电压矢量作为预选集，根据预测的电磁转矩和定子磁链从预选集中筛选价值函数值最小的电压矢量作为作用矢量，调制作用矢量生成逆变器开关驱动信号。
4.根据权利要求3所述具有共模电压抑制能力的PMSM混合模型预测控制方法，其特征在于，所述价值函数为：
Figure FDA0003854184370000015
其中，J为价值函数值，Te ref为参考电磁转矩，Te k+1为k+1时刻的电磁转矩，λ表示参考定子磁链幅值
Figure FDA0003854184370000016
的权重，
Figure FDA0003854184370000017
为参考定子磁链，
Figure FDA0003854184370000018
为k+1时刻的定子磁链。
5.根据权利要求4所述具有共模电压抑制能力的PMSM混合模型预测控制方法，其特征在于，预测电磁转矩和定子磁链的表达式为：
Figure FDA0003854184370000021
其中，
Figure FDA0003854184370000022
为k+1时刻定子磁链的α轴分量、β轴分量，
Figure FDA0003854184370000023
为定子电流is在k+1时刻的α轴分量、β轴分量。
6.根据权利要求2所述具有共模电压抑制能力的PMSM混合模型预测控制方法，其特征在于，所述采用基于等效零矢量的多矢量合成法生成逆变器开关驱动信号的具体方法为：选择参考定子电压矢量所属扇区的两个非零基本电压矢量，选择与参考定子电压矢量所属扇区相邻的两个方向相反的非零基本电压矢量为等效零矢量，根据参考定子电压矢量所属扇区的两个非零基本电压矢量以及两个等效零矢量合成参考定子电压矢量，调制合成的参考定子电压矢量生成逆变器开关驱动信号。
7.根据权利要求6所述具有共模电压抑制能力的PMSM混合模型预测控制方法，其特征在于，所述根据参考定子电压矢量所属扇区的两个非零基本电压矢量以及两个等效零矢量合成参考定子时，根据如下表达式计算各电压矢量的作用时间，
Figure FDA0003854184370000024
其中，T1和T2为参考定子电压矢量所属扇区的两个非零基本电压矢量的作用时间，T3和T4为两个等效零矢量的作用时间，其中，
Figure FDA0003854184370000025
为参考定子电压矢量幅值，Vdc为逆变器直流母线电压，θ为参考电压矢量和α轴的夹角。
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CN116633237A (zh) * 2023-04-12 2023-08-22 江苏威进智控科技有限公司 一种基于工况跟随的交流电机轴电流抑制方法
CN116633237B (zh) * 2023-04-12 2023-10-03 江苏威进智控科技有限公司 一种基于工况跟随的交流电机轴电流抑制方法

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