CN106059428A - 三相四开关逆变器驱动永磁同步电机的模型预测控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相四开关逆变器驱动永磁同步电机的模型预测控制方法。基于“旋转磁场不变”原则，以永磁同步电机定子磁链矢量为控制变量。首先采集直流侧的两个电容电压，以构建开关状态与基本电压矢量关系；然后计算(k+1)时刻定子磁链矢量参考，再通过电压矢量方程获得定子磁链预测值，根据定子磁链矢量参考值和预测值设计价值函数；最后通过优化价值函数获得三相四开关逆变器最优开关状态，逆变器根据最优开关状态输出最优电压驱动永磁同步电机。本发明中的价值函数不含权值计算，降低了因基本电压矢量减少而对***性能的干扰，可实现直流侧中点电压均压控制。

Description

三相四开关逆变器驱动永磁同步电机的模型预测控制方法

技术领域

本发明属于电机驱动及控制领域，特别涉及一种三相四开关逆变器驱动永磁同步电机的模型预测控制方法。

背景技术

传统的三相六开关逆变器作为功率变换装置，是电机驱动(下文简称，电驱)***的重要组成部分。然而，功率开关器件是电驱***中的薄弱环节，易发生故障，如驱动信号错误或丢失、辅助电路失效、过压或热击穿、器件损坏等。逆变器故障会导致电机输出转矩脉动加剧，影响电机性能，严重时甚至会使电机丧失运行能力。经研究发现，在交流电机调速***中，逆变器故障率约占总故障的38％。因此，研究具有高可靠性的容错型逆变器，对于提高电驱***的可靠性和容错运行能力具有重要意义。

国内外众多学者对容错型逆变器在电驱***中的应用进行了深入研究，其中三相四开关逆变器因其结构简单、成本低等优点受到广泛关注。三相四开关逆变器的核心设计思想为：当三相六开关逆变器某一桥臂的功率开关器件发生故障后，隔离该故障桥臂，并将其对应的电机绕组接到直流侧中点，使电机仍处于三相运行状态。

三相四开关容错型逆变器电机驱动***的控制方法主要有矢量控制和直接转矩控制。在这两种控制策略中，由于三相四开关逆变器输出基本电压矢量减少，滞环调制技术产生的转矩脉动将加剧。虽然空间矢量脉宽调制技术能有效降低转矩脉动，但是其调制过程较为复杂，而且双闭环结构需要整定的PI参数较多，不利于工程实现。此外，三相四开关逆变器直流侧中点电压不平衡这一问题一直没有得到有效解决。

发明内容

发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供了一种有效提高了电机驱动***可靠性和容错运行能力的三相四开关逆变器驱动永磁同步电机的模型预测控制方法。

技术方案：本发明提供了一种三相四开关逆变器驱动永磁同步电机的模型预测控制方法，首先采集三相四开关逆变器直流侧电容电压，构建逆变器开关状态与基本电压矢量的对应关系；其次，通过参考转矩和定子磁链矢量之间的关系构建定子磁链矢量参考模型，利用定子磁链矢量参考模型获取(k+1)时刻定子磁链矢量参考值，根据电压矢量和定子磁链矢量之间的关系构建定子磁链矢量预测模型，利用定子磁链矢量预测模型获取(k+1)刻定子磁链矢量预测值；然后，利用定子磁链矢量参考模型和预测模型构建价值函数，通过价值函数寻找最优基本电压矢量；结合三相四开关逆变器开关状态与基本电压矢量的对应关系获得最优的三相四开关逆变器开关状态，三相四开关逆变器根据最优开关状态输出最优电压驱动永磁同步电机；其中，价值函数的值最小的时候，价值函数所对应的基本电压矢量为最优基本电压矢量。

进一步，所述参考转矩的获取方法为：根据公式计算参考转矩T_e ^*，其中，e表示参考速度ω^*与实际反馈速度ω的转速差值，K_P和K_I分别为PI控制器的比例增益和积分增益。

进一步，所述定子磁链矢量参考模型中获取(k+1)时刻定子磁链矢量参考值ψ_s ^*的方法为：根据公式计算(k+1)时刻定子磁链矢量参考值ψ_s ^*，其中，|ψ_s|^*表示定子磁链幅值参考值，表示定子磁链位置角参考值。

进一步，所述定子磁链矢量预测模型中获取(k+1)刻定子磁链矢量预测值ψ_s(k+1)的方法为：根据公式ψ_s(k+1)＝ψ_s(k)+T_s[u_i-R_si_s(k)]计算(k+1)刻定子磁链矢量预测值ψ_s(k+1)，其中，ψ_s(k)表示k时刻定子磁链矢量预测值。

进一步，所述价值函数为

工作原理：本发明基于“旋转磁场不变”原则，以永磁同步电机定子磁链矢量为直接控制对象。首先采集直流侧的两个电容电压，以构建开关状态与基本电压矢量关系；然后计算(k+1)时刻定子磁链矢量参考，再通过电压矢量方程获得定子磁链预测值，根据定子磁链矢量参考值和预测值设计价值函数；最后通过优化价值函数获得三相四开关逆变器最优开关状态，逆变器根据最优开关状态输出最优电压驱动永磁同步电机。最终，能够有效隔离故障桥臂，实现三相四开关逆变器驱动永磁同步电机调速***的高性能控制。

有益效果：与现有技术相比，本发明以永磁同步电机定子磁链矢量为控制变量，将三相四开关逆变器输出特性与永磁同步电机电磁特性结合，结构简单，价值函数不含权值计算，降低了因基本电压矢量减少而对***性能的干扰，可实现直流侧中点电压均压控制，能够有效改善三相四开关逆变器驱动的永磁同步电机性能，提高电机驱动***可靠性和容错运行能力。

附图说明

图1是本发明提供的三相四开关逆变器驱动永磁同步电机的模型预测控制方法原理图；

图2是三相四开关逆变器驱动永磁同步电机调速***结构图；

图3是本发明提供的三相四开关逆变器驱动永磁同步电机的模型预测控制方法流程图；

图4是本发明提供的三相四开关逆变器开关状态与基本电压矢量关系图；

图5是本发明提供的三相四开关逆变器驱动永磁同步电机的模型预测控制方法中定子磁链矢量参考计算模块的原理图；

图6是采用本发明控制方法的永磁同步电机三相电流仿真波形；

图7是采用本发明控制方法的永磁同步电机转矩仿真波形；

图8(a)是采用本发明控制方法的永磁同步电机定子磁链α、β分量仿真波形；

图8(b)是采用本发明控制方法的永磁同步电机定子磁链圆仿真波形；

图9(a)是采用本发明控制方法的三相四开关逆变器直流侧电容电压波形；

图9(b)是采用直接转矩控制的三相四开关逆变器直流侧电容电压波形；

图10是采用本发明控制方法的三相四开关逆变器直流侧电容电压细节图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，本发明公开的三相四开关逆变器驱动永磁同步电机的模型预测控制***，包括：PI控制器1、定子磁链幅值参考计算模块2、定子磁链矢量参考计算模块3、定子磁链预测模块4、价值函数优化模块5、三相四开关逆变器6、永磁同步电机7和光电编码器或转子位置观测器8，光电编码器或转子位置观测器8用于测量转子为直角。其中，如图2所示，三相四开关逆变器6的三相输出分别与永磁同步电机7的输入端连接。在PI控制器1中，根据参考速度ω^*与实际反馈速度ω的转速差值e获得参考转矩T_e ^*。定子磁链幅值参考计算模块2根据参考转矩T_e ^*到定子磁链幅值参考|ψ_s|^*。定子磁链矢量参考计算模块3结合定子磁链幅值参考|ψ_s|^*和参考转矩T_e ^*计算获得(k+1)时刻定子磁链矢量参考ψ_s ^*。定子磁链预测模块4根据定子电流i_s和4个基本电压矢量u_i计算(k+1)刻定子磁链矢量预测值ψ_s(k+1)。价值函数优化模块5结合(k+1)时刻定子磁链矢量参考ψ_s ^*和(k+1)时刻定子磁链矢量预测值ψ_s(k+1)计算价值函数g_i，当价值函数g_i最小值时，其对应的基本电压矢量为最优基本电压矢量u_opt，根据开关状态与基本电压矢量关系获得最优开关状态S_b,c。从而实现三相四开关逆变器对永磁同步电机的驱动。

如图3所示，本发提供的三相四开关逆变器驱动永磁同步电机的模型预测控制方法，首先采集三相四开关逆变器直流侧两个电容的电压，以建立三相四开关逆变器开关状态与基本电压矢量的对应关系表；其次，根据已建立的关系表设计模型预测控制方法。本发明中的模型预测控制方法以定子磁链矢量为直接控制对象，计算定子磁链矢量参考ψ_s ^*、预测(k+1)时刻的定子磁链矢量ψ_s(k+1)；然后，根据定子磁链参考值和预测值设计并优化价值函数，以寻找最优开关状态，从而实现对永磁同步电机的驱动。具体包括以下步骤：

(1)利用电压传感器采集三相四开关逆变器直流侧的两个电容的电压u_c1、u_c2；采用电流传感器测量定子电流i_s，通过光电编码器或转子位置观测器8获得转子位置角θ_r，结合获得的转子位置角θ_r计算得到实际反馈速度ω；

(2)根据步骤(1)采集的直流侧两电容电压u_c1、u_c2，结合图4，建立三相四开关逆变器开关状态与基本电压矢量的对应关系表，如表1所示。三相四开关逆变器开关状态与基本电压矢量关系图如图4所示。

表1 三相四开关基本电压矢量表

其中，S_b、S_c表示图2中b、c两个桥臂开关管的状态，“1”表示上开关管开、下开关管关，“0”表示上开关管关、下开关管开。在三相四开关中，有一相桥臂故障，只有两个桥臂工作，因此只需求解两个桥臂即四个开关管的状态。如图2所示，a相故障，b、c正常。u₁，u₂，u₃，u₄为4个基本电压矢量的表示符号。

(3)计算参考转矩T_e ^*：将参考速度ω^*与实际反馈速度ω的转速差值e输入PI控制器1，根据公式(1)获得参考转矩T_e ^*；

$T_e^{*}=e(K_P+\frac{K_I}{s})---\left(1\right)$

其中，K_P和K_I分别为PI控制器的比例增益和积分增益；s为微分算子。

(4)计算定子磁链幅值参考值|ψ_s|^*：将参考转矩T_e ^*输入定子磁链幅值参考计算模块2，根据公式(2)得到定子磁链幅值参考|ψ_s|^*；

${\left|{\mathrm{\ψ}}_s\right|}^{*}=\sqrt{{\mathrm{\ψ}}_d^{*2}+{\mathrm{\ψ}}_q^{*2}}=\sqrt{{\left|{\mathrm{\ψ}}_f\right|}^2+{\left(\frac{2T_e^{*}{L}_q}{3P_r\left|{\mathrm{\ψ}}_f\right|}\right)}^2}---\left(2\right)$

其中，ψ_d和ψ_q分别为定子磁链的d、q轴分量，L_q为电机交轴电感，P_r为电机极对数，|ψ_f|为永磁体磁链幅值。

(5)计算(k+1)时刻定子磁链矢量参考值ψ_s ^*：如图5所示，将定子磁链幅值参考|ψ_s|^*和参考转矩T_e ^*输入转矩角参考计算模块3-1，根据公式(3)计算转矩角参考δ^*；将转子位置角θ_r和实际反馈速度ω输入转子位置角参考计算模块3-2，根据公式(4)计算(k+1)刻的转子位置角参考θ_r ^*；根据公式(5)将转矩角参考δ^*和转子位置角参考θ_r ^*相加，得到(k+1)时刻定子磁链位置角参考值θ_s ^*；将定子磁链位置角参考值θ_s ^*和定子磁链幅值参考|ψ_s|^*输入定子磁链矢量参考计算模块3-3中，根据公式(6)得到(k+1)时刻定子磁链矢量参考ψ_s ^*；

${\mathrm{\δ}}^{*}=\arcsin \frac{2L_q{T}_e^{*}}{3P_r{\left|{\mathrm{\ψ}}_s\right|}^{*}\left|{\mathrm{\ψ}}_f\right|}---\left(3\right)$

${\mathrm{\θ}}_r^{*}={\mathrm{\θ}}_r+{\mathrm{\ωT}}_s---\left(4\right)$

${\mathrm{\θ}}_s^{*}={\mathrm{\δ}}^{*}+{\mathrm{\θ}}_r^{*}---\left(5\right)$

${\mathrm{\ψ}}_s^{*}={\left|{\mathrm{\ψ}}_s\right|}^{*}\exp (j\×{\mathrm{\θ}}_s^{*})---\left(6\right)$

其中，T_s表示采样时间，j表示虚数的单位。

(6)计算(k+1)刻定子磁链矢量预测值ψ_s(k+1)的步骤：将定子电流i_s、4个基本电压矢量u_i输入定子磁链矢量预测模块4，根据公式(7)计算(k+1)刻定子磁链矢量预测值ψ_s(k+1)；

ψ_s(k+1)＝ψ_s(k)+T_s[u_i-R_si_s(k)] (7)

其中，ψ_s(k)表示k时间的定子磁链矢量，通过电机的电流方程计算得到，R_s是电机定子电阻，i_s(k)是k时刻的定子电流矢量，u_i即表示表1中对应的表达式。

(7)选择逆变器最优开关状态：将(k+1)时刻定子磁链矢量参考ψ_s ^*和(k+1)时刻定子磁链矢量预测值ψ_s(k+1)输入价值函数优化模块5，根据公式(8)计算价值函数g_i，然后判断此时i是否大于等于4，如果i小于4，记录此次价值函数g_i，令i值加一后，重复步骤(6)；如果此时i大于等于4，在前4次的价值函数g_i中取最小值，其对应的基本电压矢量确定为最优基本电压矢量u_opt，根据开关状态与基本电压矢量关系获得最优开关状态S_b,c；

$g_i=|{\mathrm{\ψ}}_s^{*}-{\mathrm{\ψ}}_s(k+1)|---\left(8\right)$

(8)输出最优电压步骤：三相四开关逆变器根据步骤(7)中获得最优开关状态S_b,c调整开关，然后将最优电压输送给永磁同步电机。

图6～图10是利用Matlab/Simulink软件对本发明所提控制方法的仿真结果，电机参数如表2所示。仿真时，参考速度ω^*为500r/min，电机负载转矩为10Nm，直流母线电压440V，直流侧两个电容值均为2200uF，采样频率为25kHz。

表2 电机参数

如图6所示，采用本发明的控制方法，三相电流平衡且对称度较好。如图7所示，转矩较为平稳且转矩脉动在可接受范围内。图8(a)是定子磁链α、β分量ψ_α和ψ_β的仿真波形，图8(b)是定子磁链圆波形。从图8可以看出，ψ_α和ψ_β波动较小，定子磁链圆几乎为一个标准的圆形。如图9(a)所示，采用本发明的控制方法，三相四开关逆变器直流侧电容电压逐渐收敛并稳定；图9(b)中，在相同的仿真参数条件下，采用直接转矩控制策略，三相四开关逆变器直流侧电容电压也逐渐趋于稳定，但不平衡，电容电压相差较大。如图10所示，采用本发明的控制方法，待***稳定后，受三相四开关逆变器固有特性影响，直流侧电容电压仍在U_dc/2上下波动。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种三相四开关逆变器驱动永磁同步电机的模型预测控制方法，其特征在于：首先采集三相四开关逆变器直流侧电容电压，构建逆变器开关状态与基本电压矢量的对应关系；其次，通过参考转矩和定子磁链矢量之间的关系构建定子磁链矢量参考模型，利用定子磁链矢量参考模型获取(k+1)时刻定子磁链矢量参考值，根据电压矢量和定子磁链矢量之间的关系构建定子磁链矢量预测模型，利用定子磁链矢量预测模型获取(k+1)刻定子磁链矢量预测值；然后，利用定子磁链矢量参考模型和预测模型构建价值函数，通过价值函数寻找最优基本电压矢量；结合三相四开关逆变器开关状态与基本电压矢量的对应关系获得最优的三相四开关逆变器开关状态，三相四开关逆变器根据最优开关状态输出最优电压驱动永磁同步电机；其中，价值函数的值最小的时候，价值函数所对应的基本电压矢量为最优基本电压矢量。

2.根据权利要求1所述的三相四开关逆变器驱动永磁同步电机的模型预测控制方法，其特征在于：所述参考转矩的获取方法为：根据公式计算参考转矩T_e ^*，其中，e表示参考速度ω^*与实际反馈速度ω的转速差值，K_P和K_I分别为PI控制器的比例增益和积分增益。

3.根据权利要求1所述的三相四开关逆变器驱动永磁同步电机的模型预测控制方法，其特征在于：所述定子磁链矢量参考模型中获取(k+1)时刻定子磁链矢量参考值ψ_s ^*的方法为：根据公式计算(k+1)时刻定子磁链矢量参考值ψ_s ^*，其中，|ψ_s|^*表示定子磁链幅值参考值，表示定子磁链位置角参考值，T_s表示采样时间。

4.根据权利要求1所述的三相四开关逆变器驱动永磁同步电机的模型预测控制方法，其特征在于：所述定子磁链矢量预测模型中获取(k+1)刻定子磁链矢量预测值ψ_s(k+1)的方法为：根据公式ψ_s(k+1)＝ψ_s(k)+T_s[u_i-R_si_s(k)]计算(k+1)刻定子磁链矢量预测值ψ_s(k+1)，其中，ψ_s(k)表示k时刻定子磁链矢量，R_s是电机定子电阻，i_s(k)是k时刻的定子电流矢量。

5.根据权利要求1所述的三相四开关逆变器驱动永磁同步电机的模型预测控制方法，其特征在于：所述价值函数为