CN109728756B - 双参考电压单矢量开绕组永磁电机预测控制方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双参考电压单矢量开绕组永磁电机预测控制方法和设备。该方法首先通过电流无差拍原理计算出电机的参考电压矢量，根据参考电压矢量的位置可确定第一逆变器的电压矢量，再通过逆变器电压与电机电压之间的关系求得第二逆变器的参考电压矢量，通过第二逆变器参考电压矢量的位置确定第二逆变器的候选矢量范围。最终确定第二逆变器的电压矢量。最后将第一逆变器的电压矢量和第二逆变器的电压矢量输出。相对于传统开绕组永磁电机模型预测控制方法减小了矢量枚举法带来的计算负担。时效性更强，降低测试成本。

Description

双参考电压单矢量开绕组永磁电机预测控制方法和设备

技术领域

本发明涉及电机控制领域，特别是指一种基于双参考电压单矢量开绕组永磁电机预测控制方法和设备。

背景技术

双边可控开绕组永磁同步发电机***(OW-PMSG)因为其容错性能好、控制方式灵活和多电平调制效果受到越来越多的关注。但是，共直流母线拓扑结构提供了零序电流通路，使***中存在了零序电流。零序电流会增加***损耗和增大转矩脉动，降低整个***的效率。因此，要想尽可能地消除零序电流，需要直接抑制零序电流。

传统矢量控制方法中PI控制器参数的调节多且复杂，而模型预测的方法可以省去零序电流环，避免复杂的参数调节。通常电流预测是通过当前电流值通过数学模型预测下一时刻的电流。对于一个两电平逆变器，有八种开关状态对应八个电压矢量，包括六个非零电压矢量和两个零电压矢量。因此，双逆变器共有8x8＝64种开关状态组合，与三电平逆变器电压矢量分布相同。由于有些组合形成的电压矢量相同，双逆变器共有19个不同的电压矢量，其中18个非零矢量和1个零矢量。要是从这19个电压矢量中通过枚举法选出最优矢量将增加整个控制算法在实际应用中的计算量。

发明内容

有鉴于前述传统开绕组永磁电机模型预测中存在的不足。本发明的目的在于提出一种基于双参考电压单矢量开绕组永磁电机预测控制方法和设备。从而减少了计算数据量，降低了PI控制器参数调节复杂度，减少了测试控制难度。

基于上述目的，本发明提供了一种基于双参考电压单矢量开绕组永磁电机预测控制方法，包括：

根据电流无差拍控制原理计算在同步旋转坐标系上的电机参考电压矢量；

根据所述电机参考电压矢量计算得到所述电机参考电压矢量的角度，从而得到所述电机参考电压矢量的位置，根据所述电机参考电压矢量的位置确定第一逆变器的电压矢量；

根据所述第一逆变器的电压矢量与所述电机参考电压矢量计算得到第二逆变器的参考电压矢量；

再根据第二逆变器的参考电压矢量在其自身所有矢量所形成的矢量六边形内的位置，确定所述第二逆变器的候选电压矢量范围和数量；

从所述第二逆变器的候选电压矢量范围中选取所述第二逆变器的电压矢量；

将所述第一逆变器的电压矢量和所述第二逆变器的电压矢量分别输入到所述第一逆变器和所述第二逆变器。

在所述同步旋转坐标系上的d轴、q轴和0轴的电机参考电压矢量的方程式为：

其中，u_dref,u_qref和u_0ref分别表示电机在同步旋转坐标系上d轴、q轴和0轴上的参考电压矢量；i_d,i_q和i₀分别表示电机在同步旋转坐标系上d轴、q轴和0轴上的电流分量；i_d ^*,i_q ^*和i₀ ^*分别表示设置在同步旋转坐标系上d轴、q轴和0轴上的参考电流分量；R,L和M分别表示定子绕组电阻、自感和互感；L_d,L_q分别代表旋转坐标系下d轴、q轴上的电感分量，对于凸极电机来说，L_d＝L_q＝L；L₀＝L-2M代表零序电感；ω，θ，Ψ_f1，Ψ_f3，k分别为电角速度，转子位置角，基波转子磁链，转子磁链三次谐波分量和时间点；T_s表示采样时间。

所述电机在d轴和q轴上的参考电压矢量经克拉克变换成两相静止坐标系的参考电压矢量的方程为：

其中，u_αref和u_βref分别表示电机在静止坐标系上α轴和β轴上的参考电压矢量；u_dref和u_qref分别表示电机在同步旋转坐标系上d轴和q轴上的参考电压矢量；θ为转子位置角。

根据所述电机在静止坐标系上α轴和β轴的参考电压矢量，则电机参考电压矢量的位置角度的计算公式为：

其中，θ₁为所述电机参考电压矢量的位置角度；u_αref和u_βref分别表示电机在静止坐标系上α轴和β轴上的参考电压矢量。

将双逆变器电压矢量分布的整个平面划分为六个扇区，根据所述电机参考电压矢量的位置角度θ₁确定所在的扇区；再根据与所述电机参考电压矢量u_ref距离最近的非零矢量，确定第一逆变器的电压矢量u₁。

根据所述电机参考电压矢量的方程式得到第二逆变器的参考电压矢量的参数u_ref2；再结合第一逆变器的电压矢量u₁，根据公式u_ref2＝u₁-u_ref，得到所述第二逆变器的参考电压矢量。

根据第二逆变器的参考电压矢量u_ref2的位置，确定第二逆变器的的候选的电压矢量，包括一个非零矢量和两个零矢量。

将每一个候选电压矢量经过下述公式计算相应地得到一个预测电流，

i_dq0(k+1)＝F(k)i_dq0(k)+G[u_dq0-1(k)-u_dq0-2(k)]+H(k)

式中

u_dq0-1(k)表示第一逆变器在k时刻产生的8个电压矢量；u_dq0-2(k)表示第二逆变器在k时刻产生的8个电压矢量；T_s表示采样时间。

在同步旋转坐标系上预测的d轴和q轴电流和零序电流，设计如下目标函数：

其中，i_d，i_q和i₀分别表示旋转坐标系下d轴,q轴和0轴上的电流分量；i_d ^*，i_q ^*和i₀ ^*分别表示旋转坐标系下d轴,q轴和0轴上的设置的参考电流分量；k+1时刻表示下一时刻。

当目标函数的值最小，所用的预测电流所对应的电压矢量被选为第二逆变器的电压矢量。

一种基于双参考电压单矢量开绕组永磁电机预测控制的设备，包括：

电机参考电压矢量模块，根据电流无差拍控制原理计算在同步旋转坐标系上的电机参考电压矢量；

第一逆变器的电压矢量模块，根据所述电机参考电压矢量计算得到所述电机参考电压矢量的角度，从而得到所述电机参考电压矢量的位置，根据所述电机参考电压矢量的位置确定第一逆变器的电压矢量；

第二逆变器的参考电压矢量模块，根据所述第一逆变器的电压矢量与所述电机参考电压矢量计算得到第二逆变器的参考电压矢量；

第二逆变器的候选电压矢量模块，再根据第二逆变器的参考电压矢量，在第二逆变器所有电压矢量形成的六边形内的位置，确定所述第二逆变器的候选电压矢量范围和数量；

第二逆变器的电压矢量模块，从所述第二逆变器的候选电压矢量范围中选取所述第二逆变器的电压矢量；

输出模块，将所述第一逆变器的电压矢量和所述第二逆变器的电压矢量分别输入到所述第一逆变器和所述第二逆变器。

从上面所述可以看出，本发明提供的一种基于双参考电压单矢量开绕组永磁电机预测控制方法和设备。相对于传统开绕组永磁电机模型预测控制方法减小了矢量枚举法带来的计算负担。时效性更强，降低测试成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明双参考电压单矢量开绕组永磁电机预测控制方法实施例流程示意图；

图2为本发明实施例逆变器电压矢量空间分布示意图；

图3为本发明实施例双逆变器电压矢量分布示意图；

图4为本发明实施例第二逆变器的电压矢量分布示意图；

图5为本发明实施例的直流电压测量值、转速、相电流和零序电流示意图；

图6为本发明实施例dq轴电流示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

电流预测是通过当前电流值通过数学模型预测下一时刻的电流。本实施例是一种基于双参考电压单矢量开绕组永磁电机预测控制方法，如图2所示，对于一个两电平逆变器，有八种开关状态对应八个电压矢量，包括六个非零电压矢量和两个零电压矢量。因此，双逆变器共有8×8＝64种开关状态组合，与三电平逆变器电压矢量分布相同。两电平逆变器：第一逆变器(INV1)和第二逆变器(INV2)产生的电压矢量空间分布相同。由于有些组合形成的电压矢量相同，双逆变器共有19个不同的电压矢量，其中18个非零矢量和1个零矢量。零矢量位于原点O，其他18个非零矢量分别位于三个六边形ABCDEF,HJLNQS和GIKMPR的顶点，如图3所示，矢量幅值分别为2U_dc/3,

和4U_dc/3。具体的方法流程如图1所示，详细如下：

步骤101，根据电流无差拍控制原理计算在同步旋转坐标系上的电机参考电压矢量，同步旋转坐标是非静止的坐标系，所以在所述同步旋转坐标系上的d轴、q轴和0轴的电机参考电压矢量的方程式为：

其中，u_dref,u_qref和u_0ref分别表示电机在同步旋转坐标系上d轴、q轴和0轴上的参考电压矢量；i_d,i_q和i₀分别表示电机在同步旋转坐标系上d轴、q轴和0轴上的电流分量；i_d ^*,i_q ^*和i₀ ^*分别表示设置在同步旋转坐标系上d轴、q轴和0轴上的参考电流分量；R,L和M分别表示定子绕组电阻、自感和互感；L_d,L_q分别代表旋转坐标系下d轴、q轴上的电感分量，对于凸极电机来说，L_d＝L_q＝L；L₀＝L-2M代表零序电感；ω，θ，Ψ_f1，Ψ_f3，k分别为电角速度，转子位置角，基波转子磁链，转子磁链三次谐波分量和时间点；T_s表示采样时间。

步骤102，根据上述参考电压矢量，所述电机在d轴和q轴上的参考电压矢量经克拉克(clark)变换成两相静止坐标系的参考电压矢量的方程为：

其中，u_αref和u_βref分别表示电机在静止坐标系上α轴和β轴上的参考电压矢量；u_dref和u_qref分别表示电机在同步旋转坐标系上d轴和q轴上的参考电压矢量；θ为转子位置角。

根据上面2个公式计算出电机在α轴和β轴的参考电压，则电机参考电压矢量的位置角的公式为：

其中，θ₁为所述电机参考电压矢量的位置角度；u_αref和u_βref分别表示电机在静止坐标系上α轴和β轴上的参考电压矢量。

根据上述公式计算得到所述电机参考电压矢量的角度，在如图3中得到所述电机参考电压矢量的位置，根据所述电机参考电压矢量的位置确定第一逆变器的电压矢量。例如，当电机的参考电压矢量u_ref位于扇区I，如图3所示，很明显，在包含INV1所有电压矢量的六边形ABCDEF内，非零矢量u₁距离参考矢量更近，因此，第一逆变器选择u₁(100)。当电机参考电压矢量分别位于扇区II,III,…VI内，第一逆变器分别选择电压矢量u₂(100)，u₃(010)，u₄(011)，u₅(001)，u₆(101)。由此可知，确定第一逆变器的电压矢量u₁。

步骤103，通过第一个公式得到第二逆变器(INV2)的参考电压矢量u_ref2，第二逆变器的参考电压矢量根据u_ref2＝u₁-u_ref得到，u₁表示已经确定了的第一逆变器的电压矢量。

步骤104，根据INV2的参考电压矢量u_ref2的位置，确定第二逆变器候选电压矢量。例如，当u_ref2在图3所示位置时，六边形GHBOFS包含了INV2所有的电压矢量，将六边形GHBOFS划分成六个扇区，如图4所示，当u_ref2的位置在图4所示扇区内时，非零矢量AF以及位于六边形GHBOFS原点的两个零矢量000和111，共三个电压矢量，作为INV2的候选电压矢量，INV2的最优矢量从这三个电压矢量中选择。而当u_ref2的位置在图4中其他扇区时，都有一个非零矢量和两个零矢量作为其候选矢量。

步骤105，将所述第二逆变器的候选电压矢量范围中的每一个候选电压矢量根据下述公式，计算得到一个预测电流，

i_dq0(k+1)＝F(k)i_dq0(k)+G[u_dq0-1(k)-u_dq0-2(k)]+H(k)

式中

u_dq0-1(k)表示第一逆变器在k时刻产生的8个电压矢量；u_dq0-2(k)表示第二逆变器在k时刻产生的8个电压矢量；T_s表示采样时间。

在同步旋转坐标系上预测的d轴和q轴电流和零序电流，设计如下目标函数：

其中，i_d，i_q和i₀分别表示旋转坐标系下d轴,q轴和0轴上的电流分量；i_d ^*，i_q ^*和i₀ ^*分别表示旋转坐标系下d轴,q轴和0轴上的设置的参考电流分量；k+1时刻表示下一时刻。

当目标函数的值最小，所用的预测电流所对应的电压矢量被选为第二逆变器的电压矢量。

步骤106，将所述第一逆变器的电压矢量和所述第二逆变器的电压矢量分别输入到所述第一逆变器和所述第二逆变器。

一种基于双参考电压单矢量开绕组永磁电机预测控制的设备，包括：

电机参考电压矢量模块，根据电流无差拍控制原理，按照公式计算在同步旋转坐标系上的电机参考电压矢量；

第一逆变器的电压矢量模块，将所述电机参考电压矢量引入静态坐标系，再根据公式计算得到所述电机参考电压矢量的角度，根据所述参考电压矢量的角度在6个扇形区域内确定所述电机参考电压矢量的位置，进而确定第一逆变器的电压矢量；

第二逆变器的参考电压矢量模块，根据第一个公式得到第二逆变器的电压矢量参数，然后所述第一逆变器的电压矢量与所述电机参考电压矢量参数的差得到第二逆变器的参考电压矢量；

第二逆变器的候选电压矢量模块，再根据第二逆变器的参考电压矢量，在第二逆变器所有电压矢量所形成的六边形内的位置，确定所述第二逆变器的候选电压矢量的范围，包括2个零矢量和一个非零矢量；

第二逆变器的电压矢量模块，从所述第二逆变器的候选电压矢量范围中选取所述第二逆变器的电压矢量；根据候选电压矢量和公式计算得到预测电流；引入目标函数，使目标函数的值最小，所用的预测电流所对应的电压矢量被选为第二逆变器的电压矢量；

输出模块，将所述第一逆变器的电压矢量和所述第二逆变器的电压矢量分别输入到所述第一逆变器和所述第二逆变器。

在一个实施例中，搭建了1.25KW功率等级的OW-PMSG***实验平台，OW-PMSG参数如表1所示，

其中，***采样频率设置为10KHz。实验条件是给定直流母线电压u^* _dc＝90V，电机转速为n＝500r/min。如图5所示，本发明所述方法下的直流电压测量值、转速、相电流和零序电流。如图6所示，本发明所述的方法下的dq轴电流。

上述实施例的装置用于实现前述实施例中相应的方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于双参考电压单矢量开绕组永磁电机预测控制方法，其特征在于，包括：

根据电流无差拍控制原理计算在同步旋转坐标系上的电机参考电压矢量；

根据所述电机参考电压矢量计算得到所述电机参考电压矢量的角度，从而得到所述电机参考电压矢量的位置，根据所述电机参考电压矢量的位置确定第一逆变器的电压矢量；

根据所述第一逆变器的电压矢量与所述电机参考电压矢量计算得到第二逆变器的参考电压矢量；

再根据第二逆变器的参考电压矢量在第二逆变器所有电压矢量所形成的六边形内的位置，确定所述第二逆变器的候选电压矢量范围和数量；

从所述第二逆变器的候选电压矢量范围中选取所述第二逆变器的电压矢量；

将所述第一逆变器的电压矢量和所述第二逆变器的电压矢量分别输入到所述第一逆变器和所述第二逆变器；

在所述同步旋转坐标系上的d轴、q轴和0轴的电机参考电压矢量的方程式为：

其中，u_dref,u_qref和u_0ref分别表示电机在同步旋转坐标系上d轴、q轴和0轴上的参考电压矢量；i_d,i_q和i₀分别表示电机在同步旋转坐标系上d轴、q轴和0轴上的电流分量；i_d ^*,i_q ^*和i₀ ^*分别表示设置在同步旋转坐标系上d轴、q轴和0轴上的参考电流分量；R,L和M分别表示定子绕组电阻、自感和互感；L_d,L_q分别代表旋转坐标系下d轴、q轴上的电感分量，对于凸极电机来说，L_d＝L_q＝L；L₀＝L-2M代表零序电感；ω，θ，Ψ_f1，Ψ_f3，k分别为电角速度，转子位置角，基波转子磁链，转子磁链三次谐波分量和时间点；T_s表示采样时间；所述电机在d轴和q轴上的参考电压矢量经克拉克变换成两相静止坐标系的参考电压矢量的方程为：

其中，u_αref和u_βref分别表示电机在静止坐标系上α轴和β轴上的参考电压矢量；u_dref和u_qref分别表示电机在同步旋转坐标系上d轴和q轴上的参考电压矢量；θ为转子位置角；根据所述电机在静止坐标系上α轴和β轴的参考电压矢量，则电机参考电压矢量的位置角度的计算公式为：

其中，θ₁为所述电机参考电压矢量的位置角度；u_αref和u_βref分别表示电机在静止坐标系上α轴和β轴上的参考电压矢量；

将双逆变器电压矢量分布的整个平面划分为六个扇区，根据所述电机参考电压矢量的位置角度θ₁确定所在的扇区；再根据所述电机的参考电压矢量u_ref距离最近的非零矢量，确定第一逆变器的电压矢量u₁；

根据所述电机参考电压矢量的方程式得到电机的参考电压矢量的参数u_ref；再结合第一逆变器的电压矢量u₁，根据公式u_ref2＝u₁-u_ref，得到所述第二逆变器的参考电压矢量；

根据第二逆变器的参考电压矢量u_ref2的位置，确定第二逆变器的的候选的电压矢量，包括一个非零矢量和两个零矢量；

其中，将每一个候选电压矢量经过下述公式计算相应地得到一个预测电流，

i_dq0(k+1)＝F(k)i_dq0(k)+G[u_dq0-1(k)-u_dq0-2(k)]|+H(k)

式中

u_dq0-1(k)表示第一逆变器在k时刻产生的8个电压矢量；u_dq0-2(k)表示第二逆变器在k时刻产生的8个电压矢量；T_s表示采样时间。

2.根据权利要求1所述的基于双参考电压单矢量开绕组永磁电机预测控制方法，其特征在于，在同步旋转坐标系上预测的d轴和q轴电流和零序电流，设计如下目标函数：

其中，i_d，i_q和i₀分别表示旋转坐标系下d轴,q轴和0轴上的电流分量；i_d ^*，i_q ^*和i₀ ^*分别表示旋转坐标系下d轴,q轴和0轴上的设置的参考电流分量；k+1时刻表示下一时刻；

当目标函数的值最小，所用的预测电流所对应的电压矢量被选为第二逆变器的电压矢量。

3.一种基于双参考电压单矢量开绕组永磁电机预测控制的设备，包括：

电机参考电压矢量模块，根据电流无差拍控制原理计算在同步旋转坐标系上的电机参考电压矢量；

第一逆变器的电压矢量模块，根据所述电机参考电压矢量计算得到所述电机参考电压矢量的角度，从而得到所述电机参考电压矢量的位置，根据所述电机参考电压矢量的位置确定第一逆变器的电压矢量；

第二逆变器的参考电压矢量模块，根据所述第一逆变器的电压矢量与所述电机参考电压矢量计算得到第二逆变器的参考电压矢量；

第二逆变器的候选电压矢量模块，再根据第二逆变器的参考电压矢量，在第二逆变器所有电压矢量所形成的六边形内的位置，确定所述第二逆变器的候选电压矢量范围和数量；

第二逆变器的电压矢量模块，从所述第二逆变器的候选电压矢量范围中选取所述第二逆变器的电压矢量；

输出模块，将所述第一逆变器的电压矢量和所述第二逆变器的电压矢量分别输入到所述第一逆变器和所述第二逆变器；

在所述同步旋转坐标系上的d轴、q轴和0轴的电机参考电压矢量的方程式为：

其中，u_dref,u_qref和u_0ref分别表示电机在同步旋转坐标系上d轴、q轴和0轴上的参考电压矢量；i_d,i_q和i₀分别表示电机在同步旋转坐标系上d轴、q轴和0轴上的电流分量；i_d ^*,i_q ^*和i₀ ^*分别表示设置在同步旋转坐标系上d轴、q轴和0轴上的参考电流分量；R,L和M分别表示定子绕组电阻、自感和互感；L_d,L_q分别代表旋转坐标系下d轴、q轴上的电感分量，对于凸极电机来说，L_d＝L_q＝L；L₀＝L-2M代表零序电感；ω，θ，Ψ_f1，Ψ_f3，k分别为电角速度，转子位置角，基波转子磁链，转子磁链三次谐波分量和时间点；T_s表示采样时间；所述电机在d轴和q轴上的参考电压矢量经克拉克变换成两相静止坐标系的参考电压矢量的方程为：

其中，u_αref和u_βref分别表示电机在静止坐标系上α轴和β轴上的参考电压矢量；u_dref和u_qref分别表示电机在同步旋转坐标系上d轴和q轴上的参考电压矢量；θ为转子位置角；根据所述电机在静止坐标系上α轴和β轴的参考电压矢量，则电机参考电压矢量的位置角度的计算公式为：

其中，θ₁为所述电机参考电压矢量的位置角度；u_αref和u_βref分别表示电机在静止坐标系上α轴和β轴上的参考电压矢量；

将双逆变器电压矢量分布的整个平面划分为六个扇区，根据所述电机参考电压矢量的位置角度θ₁确定所在的扇区；再根据所述电机的参考电压矢量u_ref距离最近的非零矢量，确定第一逆变器的电压矢量u₁；

根据所述电机参考电压矢量的方程式得到电机的参考电压矢量的参数u_ref；再结合第一逆变器的电压矢量u₁，根据公式u_ref2＝u₁-u_ref，得到所述第二逆变器的参考电压矢量；

根据第二逆变器的参考电压矢量u_ref2的位置，确定第二逆变器的的候选的电压矢量，包括一个非零矢量和两个零矢量；

其中，将每一个候选电压矢量经过下述公式计算相应地得到一个预测电流，

i_dq0(k+1)＝F(k)i_dq0(k)+G[u_dq0-1(k)-u_dq0-2(k)|+H(k)

式中

u_dq0-1(k)表示第一逆变器在k时刻产生的8个电压矢量；u_dq0-2(k)表示第二逆变器在k时刻产生的8个电压矢量；T_s表示采样时间。

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