CN105871281A - 一种改进的永磁同步电机模型预测控制算法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种改进的永磁同步电机模型预测算法，属于计算、控制及登记表测试领域。该算法根据永磁同步电机的空间矢量图，求解出永磁同步电机的期望电压矢量角，并判定期望的电压矢量所处扇区，从而确定在本次开关周期内MPC算法需要遍历的开关状态集合，而集合内开关状态的数量也由原来的7种变为改进之后的3种。与传统的MPC方法相比，本发明提出的方法可以显著地减少算法的计算时间，从而缩短开关周期，而控制间隔的减小可使***具有较好的动态响应特性和较小的纹波电流。

Description

一种改进的永磁同步电机模型预测控制算法

技术领域

本发明提出了一种改进的永磁同步电机模型预测控制算法，属于计算、控制及登记表测试领域。

背景技术

目前，在众多永磁同步电机控制方法中，存在两种高性能调速控制方法：磁场定向控制(FOC)和直接转矩控制(DTC)。

模型预测控制(MPC)算法作为近些年兴起的控制策略，同FOC相比，无需电流内环及参数整定(其本质是用模型预测控制算法替代传统的电流内环控制)，直接产生逆变器驱动信号而无需脉宽调制，易于处理***约束或增加其他控制目标，具有结构简单、动态响应快和易于扩展等优点。

MPC与DTC相比有许多相似之处(均具有动态响应快、控制方法简单且在一个开关周期内只选择一种开关状态作为输出等特点)。但二者在控制思想上存在不同，这也导致两种方法在电机控制效果上存在着优劣之分。简单地说，DTC方法选择开关状态的原则是为了消除期望转矩与实际转矩之间的误差。MPC算法则是在计算周期内选择使期望值与预测值误差最小的开关状态，并且，该方法是在实际误差产生之前应用预先确定的开关状态，这使得MPC方法在开关状态选择上更加准确有效。

然而，传统的MPC算法为了选出能使质量函数达到最小的开关状态，需要对电力变换器中所有可能的开关状态进行评价。所以，在一般情况下，MPC算法与DTC和FOC方法相比，计算量更大，计算时间更长。虽然对于三相两电平逆变器而言，用常规的电流预测控制方法计算7种开关状态的预测值并不是问题，但在一些特殊应用场合，如多电平变换器控制，多约束条件和多目标控制、鲁棒控制、无速度传感器控制等，其增加的计算时间可能会导致开关周期超过允许的采样时间。即使不超过允许采样时间，与经典的DTC和FOC相比，过长的开关周期也会使MPC的控制效果下降。目前的研究给出了一种简化的MPC算法，使原本需要评价7种开关状态的预测值降低为只要评价3种开关状态，这使得MPC算法的计算时间显著下降，控制效果更优。但在这些研究中只介绍了在静态负载条件下，如何计算期望电压矢量角，从而减少开光状态的选择，并未给出诸如电机等动态负载的期望电压矢量角的计算方法。

由此可见，需要提出一种电机类动态负载期望电压矢量角的计算方法，通过求出电机的期望电压矢量角，改进传统的MPC算法，降低算法的计算量，使电机伺服***的动态响应更快、电流纹波更小。

发明内容

本发明的内容是，根据永磁同步电机的空间矢量图，求解出永磁同步电机的期望电压矢量角，并判定期望的电压矢量所处扇区，从而确定在本次开关周期内MPC算法需要遍历的开关状态集合，而集合内开关状态的数量也由原来的7种变为改进之后的3种。与传统的MPC方法相比，本发明提出的方法可以显著地减少算法的计算时间，从而缩短开关周期，而控制间隔的减小可使***具有较好的动态响应特性和较小的纹波电流。

本发明采取的技术方案是：

首先，通过电压、电流传感器以及增量式编码器测量出当前时刻(用k表示)逆变器直流母线侧的电压U_dc(k)、永磁同步电机定子侧电流i(k)(由i_d(k)和i_q(k)组成)和永磁同步电机转子的电角度θ_e(k)和电角速度ω_e(k)。

然后，根据永磁同步电机空间矢量图，求出期望的电压矢量角：从图中可以得到实际的电压矢量角方程θ_v＝θ_e+δ+π/2，其中功角δ＝arctan(ψ_q/ψ_d)，而在一个开关周期内，θ_e可近似看成常量，即当前时刻测得的转子电角度θ_e(k)。由于本发明采用的是的控制方案，再根据速度环反馈的期望交轴电流可以得到当前时刻期望得到的直轴磁链和交轴磁链从而求出当前时刻期望的功角修改上述的矢量角方程θ_v＝θ_e+δ+π/2就得到了期望的电压矢量角方程θ_vref＝θ_e(k)+δ^*+π/2。

最后，根据求出的期望电压矢量角θ_vref判定期望的电压矢量所在扇区，将扇区边界的电压矢量所对应的开关状态(2种)和零矢量对应的开关状态(1种)组成开关状态集合，再由永磁同步电机离散化方程得到与这些开关状态相对应的电流预测值i_d(k+1)、i_q(k+1)。找出使质量函数最小的一对i_d(k+1)和i_q(k+1)及其对应的开关状态，那么，这个开关状态就是***在下一个开关周期(k+1表示)所要应用的开关状态。这样就完成了一个开关周期内的MPC算法。

由此可见，利用本发明提出的永磁同步电机模型预测控制算法，使原本需要判定的开关状态数量从7种下降到3种，达到了减少计算时间、增强控制效果的目的。

本发明的方法显著地减少了算法的计算时间，***的动态响应变快、纹波电流减小。

附图说明

图1是永磁同步电机模型预测控制框图。

图2是永磁同步电机的空间矢量图。

图3给出了改进的MPC算法开关状态的选择方式。

图4是改进的MPC算法的流程图。

具体实施方案

下面结合说明书附图和技术方案，对本发明具体实施方案作详细说明。

1.测量电压、电流以及转子的位置和速度并求出电流期望值

如图1是永磁同步电机模型预测控制框图。从控制框图可以知道算法需要测量的量以及期望值。通过电压传感器可以得到逆变器直流母线侧的电压U_dc(k)；由电流传感器测得永磁同步电机定子侧三相电流值i_a(k)、i_b(k)、i_c(k)，经过PARK变换，可以得到旋转坐标系下的交、直轴电流值i_q(k)和i_d(k)；再由电机上的增量式编码器测得电机转子的位置(电角度)θ_e(k)和速度(电角速度)ω_e(k)。因为采用的是的控制方案，所以直轴电流的期望值恒为0；而交轴电流的期望值是由速度反馈得到的(转速误差作用于控制器)。

2.求出期望电压矢量角

图2为忽略定子电阻压降条件下的永磁同步电机空间矢量图。其中为功率因数角，φ为内功率因数角，δ为功角(或转矩角)，θ_e为转子电角度，ω_e为电角速度，ψ_f为永磁体磁链。当忽略定子电阻时，定子磁链ψ_s与定子上的电压矢量u_s相差π/2。

从图中可以得到实际的电压矢量角方程θ_v＝θ_e+δ+π/2，其中功角δ＝arctan(ψ_q/ψ_d)，而在一个开关周期内，θ_e可近似看成常量，即当前时刻测得的转子电角度θ_e(k)。由直、交轴电流期望值和可以得到当前时刻期望得到的直轴磁链和交轴磁链从而求出当前时刻期望的功角修改上面的矢量角方程θ_v＝θ_e+δ+π/2就得到了期望的电压矢量角方程θ_vref＝θ_e(k)+δ^*+π/2。

3.根据期望电压矢量角确定开关状态集合

传统的模型预测控制算法是在每一个开关周期内，从全部的7种开关状态中，找出使质量函数取得最小值的开关状态。

改进的模型预测控制算法：根据求出的期望电压矢量角θ_vref判定期望的电压矢量所在扇区，将扇区边界的电压矢量所对应的开关状态(2种)和零矢量对应的开关状态(1种)组成开关状态集合，如图3所示。

例如，当前的期望电压矢量角处在1扇区，其相邻的矢量是V₄和V₆，那么开关状态集合包括V₄对应的开关状态(100)、V₆对应的开关状态(110)以及零矢量对应的开关状态(000)。

4.找出下一个开关周期所要应用的开关状态

根据永磁同步电机离散化方程(1)得到与这些开关状态相对应的电流预测值i_d(k+1)、i_q(k+1)。

$\left[\begin{array}{c}{i}_d(k+1)\\ i_q(k+1)\end{array}\right]=F\left(k\right)\left[\begin{array}{c}{i}_d\left(k\right)\\ i_q\left(k\right)\end{array}\right]+G\left[\begin{array}{c}{u}_d\left(k\right)\\ u_q\left(k\right)\end{array}\right]+H\left(k\right)---\left(1\right)$

式中，其中T是开关周期，R是定子电阻，L是定子电感。u_d(k)、u_q(k)是由逆变器的输出电压经过PARK变换得到的，而逆变器的输出电压正是由开关状态和直流母线电压U_dc(k)决定。所以，每一种开关状态，对应着一组电流预测值i_d(k+1)、i_q(k+1)。找出使质量函数最小的一组i_d(k+1)和i_q(k+1)及其对应的开关状态，那么，这个开关状态就是***在下一个开关周期(k+1表示)所要应用的开关状态。这样就完成了一个开关周期内的MPC算法。

Claims (1)

1.一种改进的永磁同步电机模型预测控制算法，其特征在于，

(1)测量电压、电流、转子位置和转子速度，并求出电流期望值

通过电压传感器得到逆变器直流母线侧的电压U_dc(k)；由电流传感器测得永磁同步电机定子侧三相电流值i_a(k)、i_b(k)、i_c(k)，经过PARK变换，得到旋转坐标系下的交、直轴电流值i_q(k)和i_d(k)；再由电机上的增量式编码器测得电机转子的位置(电角度)θ_e(k)和速度(电角速度)ω_e(k)；

采用的是直轴电流的期望值恒为0；而交轴电流的期望值是由速度反馈得到的，转速误差作用于控制器；

(2)求出期望的电压矢量角方程

电压矢量角方程为θ_v＝θ_e+δ+π/2，其中功角δ＝arctan(ψ_q/ψ_d)，而在一个开关周期内，θ_e看成常量，即当前时刻测得的转子电角度θ_e(k)；

由直、交轴电流期望值和得到当前时刻期望得到的直轴磁链和交轴磁链从而求出当前时刻期望的功角修改上面的矢量角方程θ_v＝θ_e+δ+π/2就得到了期望的电压矢量角方程θ_vref＝θ_e(k)+δ^*+π/2；

其中为功率因数角，φ为内功率因数角，δ为功角或转矩角，θ_e为转子电角度，ω_e为电角速度，ψ_f为永磁体磁链；当忽略定子电阻时，定子磁链ψ_s与定子上的电压矢量u_s相差π/2；

(3)根据期望电压矢量角确定开关状态集合

根据求出的期望电压矢量角θ_vref判定期望的电压矢量所在扇区，将扇区边界的电压矢量所对应的开关状态(2种)和零矢量对应的开关状态(1种)组成开关状态集合(共3种)；

(4)找出下一个开关周期所要应用的开关状态

根据永磁同步电机离散化方程(1)得到与这些开关状态相对应的电流预测值i_d(k+1)、i_q(k+1)；

$\left[\begin{array}{c}{i}_d(k+1)\\ i_q(k+1)\end{array}\right]=F\left(k\right)\left[\begin{array}{c}{i}_d\left(k\right)\\ i_q\left(k\right)\end{array}\right]+G\left[\begin{array}{c}{u}_d\left(k\right)\\ u_q\left(k\right)\end{array}\right]+H\left(k\right)---\left(1\right)$

式中， 其中T是开关周期，R是定子电阻，L是定子电感；u_d(k)、u_q(k)是由逆变器的输出电压经过PARK变换得到的，而逆变器的输出电压正是由开关状态和直流母线电压U_dc(k)决定；

每一种开关状态，对应着一组电流预测值i_d(k+1)、i_q(k+1)；找出使质量函数最小的一组i_d(k+1)和i_q(k+1)及其对应的开关状态，这个开关状态就是***在下一个开关周期(k+1表示)所要应用的开关状态。