CN113839593B - 三相永磁同步电机的预测控制方法、装置、设备及介质 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种三相永磁同步电机的预测控制方法、装置、设备及介质，包括：获取三相永磁同步电机在两电平电压源逆变器下的6个有效电压矢量，并在其中选取代价函数值最小的第一筛选电压矢量；将每一个有效电压矢量平均分成三等份，进行矢量合成，得到30个虚拟电压矢量；从以上38个电压矢量中选取与第一筛选电压矢量位于同一个扇区的电压矢量，并在其中选取代价函数值最小的第二筛选电压矢量；以第二筛选电压矢量为中心，以相位差间隔60°的原则依次构建虚拟电压矢量，并从中选取代价函数值最小的第三筛选电压矢量，以对三相永磁同步电机进行控制。通过该方法不仅能够提高三相永磁同步电机的运行性能，而且，也能够降低处理器的运行负担。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子与电机传动技术领域，特别涉及一种三相永磁同步电机的预测控制方法、装置、设备及介质。
背景技术
三相永磁同步电机因其具有功率密度大、控制精度高、可靠性强等优点，因而被广泛应用于工业领域中。为了使得三相永磁同步电机具有较高的动态性能和稳定性能，一般是利用FCS-MPS(Finite Control Set-Model Predictive Control，有限控制集模型预测控制)方法来对三相永磁同步电机进行控制。
在FCS-MPS中，是利用三相永磁同步电机在两电平电压源逆变器下的8个基本电压矢量作为控制变量来对三相永磁同步电机进行控制，但是，此种控制方法容易使得三相永磁同步电机具有较大的转矩磁链脉动和电流谐波。为了解决这一问题，有的学者提出了虚拟电压矢量控制策略。也即，在8个基本电压矢量的基础上扩充出更多幅值和相位均相等的虚拟电压矢量，这样就相当于增加了候选电压矢量的范围，并以此来提高三相永磁同步电机的运行性能。虽然此种控制方式解决了三相永磁同步电机在运行过程中的转矩磁链脉动和电流谐波问题，但是，也极大的增加了处理器的运行负担。目前，针对这一技术问题，还没有较为有效的解决办法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种三相永磁同步电机的预测控制方法、装置、设备及介质，以在提高三相永磁同步电机运行性能的同时，也能够降低处理器的运行负担。其具体方案如下：
一种三相永磁同步电机的预测控制方法，包括：
获取三相永磁同步电机在两电平电压源逆变器下的6个有效电压矢量，并在6个有效电压矢量中选取代价函数值最小的有效电压矢量，得到第一筛选电压矢量；
将6个有效电压矢量中的每一个电压矢量平均分成三等份，并对等分后的电压矢量进行矢量合成，得到30个虚拟电压矢量；
从30个虚拟电压矢量和6个有效电压矢量中选取与所述第一筛选电压矢量位于同一个扇区的电压矢量，得到筛选电压矢量集合；
在所述筛选电压矢量集合中选取代价函数值最小的电压矢量，得到第二筛选电压矢量；
以所述第二筛选电压矢量为中心，并以相位差间隔60°的原则依次构建虚拟电压矢量，得到6个构建虚拟电压矢量；
从6个构建虚拟电压矢量中选取代价函数值最小的电压矢量，得到第三筛选电压矢量，并将所述第三筛选电压矢量判定为所述三相永磁同步电机在下一运行时刻的目标控制电压，以对所述三相永磁同步电机进行控制。
优选的，所述获取三相永磁同步电机在两电平电压源逆变器下的6个有效电压矢量的过程，包括：
在所述三相永磁同步电机的正常运行状态下，获取所述两电平电压源逆变器所对应的8个开关状态；
根据8个开关状态获取所述三相永磁同步电机在所述两电平电压源逆变器下的8个基本电压矢量；
将8个基本电压矢量中的2个零矢量剔除，得到6个有效电压矢量。
优选的，所述在6个有效电压矢量中选取代价函数值最小的有效电压矢量，得到第一筛选电压矢量的过程，包括：
获取所述三相永磁同步电机电磁转矩和定子磁链的目标预测模型；
将6个有效电压矢量输入至所述目标预测模型进行代价函数评估，并从所述目标预测模型的输出结果中选取代价函数值最小所对应的有效电压矢量，得到所述第一筛选电压矢量。
优选的，所述将6个有效电压矢量中的每一个电压矢量平均分成三等份，并对等分后的电压矢量进行矢量合成，得到30个虚拟电压矢量的过程，包括：
将6个有效电压矢量中的每一个电压矢量平均分成三等份，得到等分电压矢量集合；
对所述等分电压矢量集合中的任意两个电压矢量进行相加，得到30个虚拟电压矢量。
优选的，所述以所述第二筛选电压矢量为中心，并以相位差间隔60°的原则依次构建虚拟电压矢量，得到6个构建虚拟电压矢量的过程，包括：
以所述第二筛选电压矢量的起始点为圆心，并以所述第二筛选电压矢量的长度为半径作圆，得到目标圆；
在所述目标圆上依次选取与所述第二筛选电压矢量相位相差0°、60°、120、180°、240°、300°和360°的虚拟电压矢量，得到6个构建虚拟电压矢量。
优选的，还包括：
对30个虚拟电压矢量和6个有效电压矢量进行存储。
相应的，本发明还公开了一种三相永磁同步电机的预测控制装置，包括：
第一筛选模块，用于获取三相永磁同步电机在两电平电压源逆变器下的6个有效电压矢量，并在6个有效电压矢量中选取代价函数值最小的有效电压矢量，得到第一筛选电压矢量；
矢量合成模块，用于将6个有效电压矢量中的每一个电压矢量平均分成三等份，并对等分后的电压矢量进行矢量合成，得到30个虚拟电压矢量；
扇区选取模块，用于从30个虚拟电压矢量和6个有效电压矢量中选取与所述第一筛选电压矢量位于同一个扇区的电压矢量，得到筛选电压矢量集合；
第二筛选模块，用于在所述筛选电压矢量集合中选取代价函数值最小的电压矢量，得到第二筛选电压矢量；
矢量构建模块，用于以所述第二筛选电压矢量为中心，并以相位差间隔60°的原则依次构建虚拟电压矢量，得到6个构建虚拟电压矢量；
电机控制模块，用于从6个构建虚拟电压矢量中选取代价函数值最小的电压矢量，得到第三筛选电压矢量，并将所述第三筛选电压矢量判定为所述三相永磁同步电机在下一运行时刻的目标控制电压，以对所述三相永磁同步电机进行控制。
相应的，本发明还公开了一种三相永磁同步电机的预测控制设备，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如前述所公开的一种三相永磁同步电机的预测控制方法的步骤。
相应的，本发明还公开了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如前述所公开的一种三相永磁同步电机的预测控制方法的步骤。
在本发明中，首先是获取三相永磁同步电机在两电平电压源逆变器下的6个有效电压矢量，并在6个有效电压矢量中选取代价函数最小的有效电压矢量，得到第一筛选电压矢量；之后，再将6个有效电压矢量中的每一个电压矢量平均分成三等份，并对等分后的电压矢量进行矢量合成，得到30个虚拟电压矢量；当获取得到30个虚拟电压矢量之后，再从30个虚拟电压矢量和6个有效电压矢量中选取与第一筛选电压矢量位于同一个扇区的电压矢量，得到筛选电压矢量集合；然后，再在筛选电压矢量集合中选取代价函数值最小的电压矢量，得到第二筛选电压矢量，并以第二筛选电压矢量为中心，以相位差间隔60°的原则依次构建虚拟电压矢量，得到6个构建虚拟电压矢量；最后，再从6个虚拟电压矢量中选取代价函数值最小的电压矢量，得到第三筛选电压矢量，并将第三筛选电压矢量判定为三相永磁同步电机在下一运行时刻的目标控制电压来对三相永磁同步电机进行控制。显然，相较于现有技术而言，通过本发明所提供的控制方法就相当于是在现有传统虚拟电压矢量控制策略的基础上进行了二次筛选，这样就能够显著减少虚拟电压矢量的数量。因此，通过该方法不仅能够提高三相永磁同步电机的运行性能，而且，也能够降低处理器的运行负担。相应的，本发明所提供的一种三相永磁同步电机的预测控制装置、设备及介质，同样具有上述有益效果。
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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所提供的一种三相永磁同步电机的预测控制方法的流程图；
图2为本发明实施例所提供的对三相永磁同步电机进行整体控制时的示意图；
图3为本发明实施例所提出三相永磁同步电机的预测控制方法与传统虚拟电压矢量控制方法所选择的电压矢量在αβ坐标系下的对比图；
图4为两电平电压源逆变器的结构图；
图5为三相永磁同步电机在两电平电压源逆变器下的8个基本电压矢量；
图6为30个虚拟电压矢量的合成示意图；
图7a为三相永磁同步电机在给定速度为500r/min，并利用38个虚拟电压矢量对三相永磁同步电机进行控制时，三相永磁同步电机的转矩、磁链和相电流的波形示意图；
图7b为三相永磁同步电机在给定速度为500r/min，并利用简化的虚拟电压矢量对三相永磁同步电机进行控制时，三相永磁同步电机的转矩、磁链和相电流的波形示意图；
图7c为三相永磁同步电机在给定速度为500r/min，并利用本发明实施例所提供的预测控制方法对三相永磁同步电机进行控制时，三相永磁同步电机的转矩、磁链和相电流的波形示意图；
图8a为三相永磁同步电机在给定速度为1500r/min，并利用38个虚拟电压矢量对三相永磁同步电机进行控制时，三相永磁同步电机的转矩、磁链和相电流的波形示意图；
图8b为三相永磁同步电机在给定速度为1500r/min，并利用简化的虚拟电压矢量对三相永磁同步电机进行控制时，三相永磁同步电机的转矩、磁链和相电流的波形示意图；
图8c为三相永磁同步电机在给定速度为1500r/min，并利用本发明实施例所提供的预测控制方法对三相永磁同步电机进行控制时，三相永磁同步电机的转矩、磁链和相电流的波形示意图；
图9a为三相永磁同步电机在给定速度由500r/min突变到1500r/min，并利用38个虚拟电压矢量对三相永磁同步电机进行控制时，三相永磁同步电机的转矩、磁链和相电流的波形示意图；
图9b为三相永磁同步电机在给定速度由500r/min突变到1500r/min，并利用简化的虚拟电压矢量对三相永磁同步电机进行控制时，三相永磁同步电机的转矩、磁链和相电流的波形示意图；
图9c为三相永磁同步电机在给定速度由500r/min突变到1500r/min，并利用本发明实施例所提供的预测控制方法对三相永磁同步电机进行控制时，三相永磁同步电机的转矩、磁链和相电流的波形示意图；
图10为本发明实施例所提供的一种三相永磁同步电机的预测控制装置的结构图；
图11为本发明实施例所提供的一种三相永磁同步电机的预测控制设备的结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参见图1，图1为本发明实施例所提供的一种三相永磁同步电机的预测控制方法的流程图。该预测控制方法包括：
步骤S11：获取三相永磁同步电机在两电平电压源逆变器下的6个有效电压矢量，并在6个有效电压矢量中选取代价函数值最小的有效电压矢量，得到第一筛选电压矢量；
步骤S12：将6个有效电压矢量中的每一个电压矢量平均分成三等份，并对等分后的电压矢量进行矢量合成，得到30个虚拟电压矢量；
步骤S13：从30个虚拟电压矢量和6个有效电压矢量中选取与第一筛选电压矢量位于同一个扇区的电压矢量，得到筛选电压矢量集合；
步骤S14：在筛选电压矢量集合中选取代价函数值最小的电压矢量，得到第二筛选电压矢量；
步骤S15：以第二筛选电压矢量为中心，并以相位差间隔60°的原则依次构建虚拟电压矢量，得到6个构建虚拟电压矢量；
步骤S16：从6个构建虚拟电压矢量中选取代价函数值最小的电压矢量，得到第三筛选电压矢量，并将第三筛选电压矢量判定为三相永磁同步电机在下一运行时刻的目标控制电压，以对三相永磁同步电机进行控制。
在本实施例中，是提供了一种三相永磁同步电机的预测控制方法，通过该方法来对三相永磁同步电机进行控制时，不仅能够提高三相永磁同步电机的运行性能，而且，也能够降低处理器的运行负担。
在该方法中，首先是获取三相永磁同步电机在两电平电压源逆变器下的6个有效电压矢量，当获取得到三相永磁同步电机在两电平电压源逆变器下的6个有效电压矢量之后，再在6个有效电压矢量中选取代价函数值最小的有效电压矢量，得到第一筛选电压矢量。之后，在本实施例中，为了增加电压矢量的筛选范围，是将6个有效电压矢量中的每一个电压矢量平均分成三等份，并对等分后的电压矢量进行矢量合成，得到30个虚拟电压矢量。
为了从这些电压矢量中筛选出与三相永磁同步电机最适配的电压矢量，是先从30个虚拟电压矢量和6个有效电压矢量中选取了与第一筛选电压矢量位于同一个扇区的电压矢量，得到筛选电压矢量集合；然后，再在筛选电压矢量集合中选取代价函数值最小的电压矢量，得到第二筛选电压矢量；之后，再在以第二筛选电压矢量为中心，并以相位差间隔60°的原则依次构建虚拟电压矢量，得到6个构建虚拟电压矢量；最后，再从这6个构建虚拟电压矢量中选取代价函数值最小的电压矢量，得到第三筛选电压矢量，并将第三筛选电压矢量作为三相永磁同步电机在下一运行时刻的目标控制电压来对三相永磁同步电机进行控制。
请参见图2，图2为本发明实施例所提供的对三相永磁同步电机进行整体控制时的示意图。在图2中，w*和we分别表示三相永磁同步电机的参考速度和实际速度，和ψ*分别表示三相永磁同步电机的参考转矩和磁链，ia、ib和ic分别表示三相永磁同步电机的三相电流，id和iq分别表示三相永磁同步电机在d轴和q轴上的电流，θ表示三相永磁同步电机转子的位置角，/>和/>分别表示第二筛选电压矢量在α、β轴上的分量，/>和/>分别表示构建虚拟电压矢量在α、β轴上的分量。
请参见图3，图3为本发明实施例所提出三相永磁同步电机的预测控制方法与传统虚拟电压矢量控制方法所选择的电压矢量在αβ坐标系下的对比图。在图3中，空心圆代表使用传统虚拟电压矢量控制方法所选择的电压矢量，*号代表使用本发明实施例所提出三相永磁同步电机的预测控制方法所选择的电压矢量。
在Matlab/Simulink仿真平台中，对比分析本发明实施例所提出三相永磁同步电机的预测控制方法与传统虚拟电压矢量控制方法选择电压矢量之间的距离，X轴和Y轴分别表示电压矢量的α，β分量，图3中的一个点表示三相永磁同步电机旋转一圈，在不同的速度下采样得到不同数量的点。
在图3中，子图a、b、c、d、e、f分别表示三相永磁同步电机的转速为500r/min、1000r/min、1500r/min、2000r/min、2500r/min和3000r/min。从图3中可以看出，六种转速下两种控制方法的电压矢量存在明显差距。由于本发明实施例所提供的控制方法选择出来的电压矢量最优，所以，图3会直观地显现出利用传统虚拟电压矢量控制方法选择电压矢量远远达不到的效果。
能够想到的是，通过本实施例所提供的控制方法就相当于是在现有传统虚拟电压矢量控制策略的基础上进行了二次筛选，这样就能够显著减少虚拟电压矢量的数量。因此，相较于现有技术中电压矢量数量较多的虚拟电压矢量控制策略而言，通过本实施例所提供的控制方法不仅能够提高三相永磁同步电机的运行性能，而且，也能够降低处理器的运行负担。
在本实施例中，首先是获取三相永磁同步电机在两电平电压源逆变器下的6个有效电压矢量，并在6个有效电压矢量中选取代价函数最小的有效电压矢量，得到第一筛选电压矢量；之后，再将6个有效电压矢量中的每一个电压矢量平均分成三等份，并对等分后的电压矢量进行矢量合成，得到30个虚拟电压矢量；当获取得到30个虚拟电压矢量之后，再从30个虚拟电压矢量和6个有效电压矢量中选取与第一筛选电压矢量位于同一个扇区的电压矢量，得到筛选电压矢量集合；然后，再在筛选电压矢量集合中选取代价函数值最小的电压矢量，得到第二筛选电压矢量，并以第二筛选电压矢量为中心，以相位差间隔60°的原则依次构建虚拟电压矢量，得到6个构建虚拟电压矢量；最后，再从6个虚拟电压矢量中选取代价函数值最小的电压矢量，得到第三筛选电压矢量，并将第三筛选电压矢量判定为三相永磁同步电机在下一运行时刻的目标控制电压来对三相永磁同步电机进行控制。显然，相较于现有技术而言，通过本实施例所提供的控制方法就相当于是在现有传统虚拟电压矢量控制策略的基础上进行了二次筛选，这样就能够显著减少虚拟电压矢量的数量。因此，通过该方法不仅能够提高三相永磁同步电机的运行性能，而且，也能够降低处理器的运行负担。
基于上述实施例，本实施例对技术方案作进一步的说明与优化，作为一种优选的实施方式，上述步骤：获取三相永磁同步电机在两电平电压源逆变器下的6个有效电压矢量的过程，包括：
在三相永磁同步电机的正常运行状态下，获取两电平电压源逆变器所对应的8个开关状态；
根据8个开关状态获取三相永磁同步电机在两电平电压源逆变器下的8个基本电压矢量；
将8个基本电压矢量中的2个零矢量剔除，得到6个有效电压矢量。
在本实施例中，为了获取得到三相永磁同步电机在两电平电压源逆变器下的6个有效电压矢量，首先需要了解两电平电压源逆变器的工作原理，请参见图4，图4为两电平电压源逆变器的结构图。
从图4可以看出，在两电平电压源逆变器中一共有三个桥臂，因为同一个桥臂中的上下开关管不能同时导通，所以，两电平电压源逆变器总共会有8种开关状态。由于两电平电压源逆变器的一种开关状态对应三相永磁同步电机的一个有效电压矢量，因此，两电平电压源逆变器的8种开关状态会对应三相永磁同步电机的8个基本电压矢量。请参见图5，图5为三相永磁同步电机在两电平电压源逆变器下的8个基本电压矢量。从图5可以看出，在这8个基本电压矢量中是有2个零矢量和6个有效电压矢量，所以，从这8个基本电压矢量中将2个零矢量剔除，就可以得到三相永磁同步电机在两电平电压源逆变器下的6个有效电压矢量。
基于上述实施例，本实施例对技术方案作进一步的说明与优化，作为一种优选的实施方式，上述步骤：在6个有效电压矢量中选取代价函数值最小的有效电压矢量，得到第一筛选电压矢量的过程，包括：
获取三相永磁同步电机电磁转矩和定子磁链的目标预测模型；
将6个有效电压矢量输入至目标预测模型进行代价函数评估，并从目标预测模型的输出结果中选取代价函数值最小所对应的有效电压矢量，得到第一筛选电压矢量。
可以理解的是，为了能够对三相永磁同步电机进行有效、精确地控制，需要利用三相永磁同步电机电磁转矩和定子磁链的数学模型来对6个有效电压矢量进行代价函数评估，并根据相应的评估结果来查找、确定这些有效电压矢量中能够对三相永磁同步电机进行最佳控制的有效电压矢量。
因此，在本实施例中为了实现上述目的，首先是获取了三相永磁同步电机电磁转矩和定子磁链的目标预测模型，之后，再将6个有效电压矢量输入至目标预测模型中进行代价函数评估，并从目标预测模型的输出结果中查找与代价函数值最小所对应的有效电压矢量，从而得到第一筛选电压矢量。
需要说明的是，获取目标预测模型以及查找与代价函数值最小所对应有效电压矢量的过程可以参见申请号为：202110626891.1专利文献所公开的内容，此处不作具体赘述。
显然，通过本实施例所提供的技术方案，就可以保证在选取第一筛选电压矢量时的准确性与可靠性。
基于上述实施例，本实施例对技术方案作进一步的说明与优化，作为一种优选的实施方式，上述步骤：将6个有效电压矢量中的每一个电压矢量平均分成三等份，并对等分后的电压矢量进行矢量合成，得到30个虚拟电压矢量的过程，包括：
将6个有效电压矢量中的每一个电压矢量平均分成三等份，得到等分电压矢量集合；
对等分电压矢量集合中的任意两个电压矢量进行相加，得到30个虚拟电压矢量。
在本实施例中，为了增加候选电压矢量的数量与范围，是将6个有效电压矢量中的每一个电压矢量平均分成三等份，得到等分电压矢量集合，之后，再将等分电压矢量集合中的任意两个电压矢量进行相加，得到30个虚拟电压矢量。具体请参见图6，图6为30个虚拟电压矢量的合成示意图。
从图6所示的电压矢量合成图中可以看出，当将6个有效电压矢量中的每一个电压矢量平均分成三等份，并对等分后的电压矢量进行合成之后，就可以大大增加虚拟电压矢量的数量。
基于上述实施例，本实施例对技术方案作进一步的说明与优化，作为一种优选的实施方式，上述步骤：以第二筛选电压矢量为中心，并以相位差间隔60°的原则依次构建虚拟电压矢量，得到6个构建虚拟电压矢量的过程，包括：
以第二筛选电压矢量的起始点为圆心，并以第二筛选电压矢量的长度为半径作圆，得到目标圆；
在目标圆上依次选取与第二筛选电压矢量相位相差0°、60°、120、180°、240°、300°和360°的虚拟电压矢量，得到6个构建虚拟电压矢量。
在本实施例中，是对6个构建虚拟电压矢量的获取过程进行了具体说明。当获取得到第二筛选电压矢量之后，需要以第二筛选电压矢量的起始点为圆心，并以第二筛选电压矢量的长度为半径作圆，得到目标圆。当根据第二筛选矢量画出目标圆之后，则在目标圆上依次选取与第二筛选电压矢量相位分别相差0°、60°、120、180°、240°、300°和360°的虚拟电压矢量来得到6个构建虚拟电压矢量。
能够想到的是，通过这样的设置方式就相当于是以第二筛选电压矢量为中心，在第二筛选电压矢量所在的位置区域内查找能够对三相永磁同步电机进行最佳控制的虚拟电压矢量。
基于上述实施例，本实施例对技术方案作进一步的说明与优化，作为一种优选的实施方式，上述预测控制方法还包括：
对30个虚拟电压矢量和6个有效电压矢量进行存储。
能够想到的是，在利用本申请所提供的预测控制方法来对三相永磁同步电机进行控制时，需要不断地对图6所示的有效电压矢量和虚拟电压矢量进行处理与筛选。因此，在本实施例中，是将这30个虚拟电压矢量和6个有效电压矢量存储在了存储器当中，以便于处理器对这些电压矢量的调用与处理。
显然，通过本实施例所提供的技术方案，就可以进一步提高处理器在对30个虚拟电压矢量和6个有效电压矢量进行处理和调用时的便捷度。
基于前述实施例所提供的三相永磁同步电机的预测控制方法，本实施例为了验证该预测控制方法的有效性，是在永磁同步电机的实验平台中进行了相关验证。请参见表1，表1为三相永磁同步电机实验平台的相关参数。
表1
同时结合图7a至图9c，其中，图7a为三相永磁同步电机在给定速度为500r/min，并利用38个虚拟电压矢量对三相永磁同步电机进行控制时，三相永磁同步电机的转矩、磁链和相电流的波形示意图；图7b为三相永磁同步电机在给定速度为500r/min，并利用简化的虚拟电压矢量对三相永磁同步电机进行控制时，三相永磁同步电机的转矩、磁链和相电流的波形示意图；图7c为三相永磁同步电机在给定速度为500r/min，并利用本发明实施例所提供的预测控制方法对三相永磁同步电机进行控制时，三相永磁同步电机的转矩、磁链和相电流的波形示意图。
图8a为三相永磁同步电机在给定速度为1500r/min，并利用38个虚拟电压矢量对三相永磁同步电机进行控制时，三相永磁同步电机的转矩、磁链和相电流的波形示意图；图8b为三相永磁同步电机在给定速度为1500r/min，并利用简化的虚拟电压矢量对三相永磁同步电机进行控制时，三相永磁同步电机的转矩、磁链和相电流的波形示意图；图8c为三相永磁同步电机在给定速度为1500r/min，并利用本发明实施例所提供的预测控制方法对三相永磁同步电机进行控制时，三相永磁同步电机的转矩、磁链和相电流的波形示意图。
图9a为三相永磁同步电机在给定速度由500r/min突变到1500r/min，并利用38个虚拟电压矢量对三相永磁同步电机进行控制时，三相永磁同步电机的转矩、磁链和相电流的波形示意图；图9b为三相永磁同步电机在给定速度由500r/min突变到1500r/min，并利用简化的虚拟电压矢量对三相永磁同步电机进行控制时，三相永磁同步电机的转矩、磁链和相电流的波形示意图；图9c为三相永磁同步电机在给定速度由500r/min突变到1500r/min，并利用本发明实施例所提供的预测控制方法对三相永磁同步电机进行控制时，三相永磁同步电机的转矩、磁链和相电流的波形示意图。
从上述9个图中可以看出，利用本发明实施例所提供的方法能够使得三相永磁同步电机在不同运转速度下，使其稳态性能得到提升，转矩脉动和电流谐波相比于其它方法而言都有明显的降低。当三相永磁同步电机的运转速度为500r/min时，三种控制方法的相电流总谐波失真THD分别为15.68％、11.98％和6.06％；当三相永磁同步电机的运转速度为1500r/min时，三种控制方法的相电流总谐波失真THD分别为14.97％、15.24％和9.49％。
很显然，本发明实施例所提供的预测控制方法的THD明显小于现有技术中的两种控制方法。其中，以上三种控制方法处理器所需要的运行时间分别为88.7us、57.5us和55.0us，由此即可看出，本发明实施例所提供的预测控制方法可以显著降低处理器的运算负担。并且，从图9a、图9b和图9c中可以看出，本发明实施例所提供的预测控制方法能够以较快的速度跟踪速度给定，并完成转矩和磁链的跟踪控制。
综上所述，通过本发明实施例所提供的预测控制方法不仅能够提高三相永磁同步电机的运行性能，而且，也能够降低处理器的运行负担。同时，本发明实施例所提供的三相永磁同步电机的预测控制方法要明显优于现有技术中对三相永磁同步电机进行控制的控制方案。
请参见图10，图10为本发明实施例所提供的一种三相永磁同步电机的预测控制装置的结构图，该预测控制装置包括：
第一筛选模块21，用于获取三相永磁同步电机在两电平电压源逆变器下的6个有效电压矢量，并在6个有效电压矢量中选取代价函数值最小的有效电压矢量，得到第一筛选电压矢量；
矢量合成模块22，用于将6个有效电压矢量中的每一个电压矢量平均分成三等份，并对等分后的电压矢量进行矢量合成，得到30个虚拟电压矢量；
扇区选取模块23，用于从30个虚拟电压矢量和6个有效电压矢量中选取与第一筛选电压矢量位于同一个扇区的电压矢量，得到筛选电压矢量集合；
第二筛选模块24，用于在筛选电压矢量集合中选取代价函数值最小的电压矢量，得到第二筛选电压矢量；
矢量构建模块25，用于以第二筛选电压矢量为中心，并以相位差间隔60°的原则依次构建虚拟电压矢量，得到6个构建虚拟电压矢量；
电机控制模块26，用于从6个构建虚拟电压矢量中选取代价函数值最小的电压矢量，得到第三筛选电压矢量，并将第三筛选电压矢量判定为三相永磁同步电机在下一运行时刻的目标控制电压，以对三相永磁同步电机进行控制。
本发明实施例所提供的一种三相永磁同步电机的预测控制装置，具有前述所公开的一种三相永磁同步电机的预测控制方法所具有的有益效果。
请参见图11，图11为本发明实施例所提供的一种三相永磁同步电机的预测控制设备的结构图，该预测控制设备包括：
存储器31，用于存储计算机程序；
处理器32，用于执行计算机程序时实现如前述所公开的一种三相永磁同步电机的预测控制方法的步骤。
本发明实施例所提供的一种三相永磁同步电机的预测控制设备，具有前述所公开的一种三相永磁同步电机的预测控制方法所具有的有益效果。
相应的，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如前述所公开的一种三相永磁同步电机的预测控制方法的步骤。
本发明实施例所提供的一种计算机可读存储介质，具有前述所公开的一种三相永磁同步电机的预测控制方法所具有的有益效果。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的一种三相永磁同步电机的预测控制方法、装置、设备及介质进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种三相永磁同步电机的预测控制方法，其特征在于，包括：
获取三相永磁同步电机在两电平电压源逆变器下的6个有效电压矢量，并在6个有效电压矢量中选取代价函数值最小的有效电压矢量，得到第一筛选电压矢量；
将6个有效电压矢量中的每一个电压矢量平均分成三等份，并对等分后的电压矢量进行矢量合成，得到30个虚拟电压矢量；
从30个虚拟电压矢量和6个有效电压矢量中选取与所述第一筛选电压矢量位于同一个扇区的电压矢量，得到筛选电压矢量集合；
在所述筛选电压矢量集合中选取代价函数值最小的电压矢量，得到第二筛选电压矢量；
以所述第二筛选电压矢量为中心，并以相位差间隔60°的原则依次构建虚拟电压矢量，得到6个构建虚拟电压矢量；
从6个构建虚拟电压矢量中选取代价函数值最小的电压矢量，得到第三筛选电压矢量，并将所述第三筛选电压矢量判定为所述三相永磁同步电机在下一运行时刻的目标控制电压，以对所述三相永磁同步电机进行控制。
2.根据权利要求1所述的预测控制方法，其特征在于，所述获取三相永磁同步电机在两电平电压源逆变器下的6个有效电压矢量的过程，包括：
在所述三相永磁同步电机的正常运行状态下，获取所述两电平电压源逆变器所对应的8个开关状态；
根据8个开关状态获取所述三相永磁同步电机在所述两电平电压源逆变器下的8个基本电压矢量；
将8个基本电压矢量中的2个零矢量剔除，得到6个有效电压矢量。
3.根据权利要求1所述的预测控制方法，其特征在于，所述在6个有效电压矢量中选取代价函数值最小的有效电压矢量，得到第一筛选电压矢量的过程，包括：
获取所述三相永磁同步电机电磁转矩和定子磁链的目标预测模型；
将6个有效电压矢量输入至所述目标预测模型进行代价函数评估，并从所述目标预测模型的输出结果中选取代价函数值最小所对应的有效电压矢量，得到所述第一筛选电压矢量。
4.根据权利要求1所述的预测控制方法，其特征在于，所述将6个有效电压矢量中的每一个电压矢量平均分成三等份，并对等分后的电压矢量进行矢量合成，得到30个虚拟电压矢量的过程，包括：
将6个有效电压矢量中的每一个电压矢量平均分成三等份，得到等分电压矢量集合；
对所述等分电压矢量集合中的任意两个电压矢量进行相加，得到30个虚拟电压矢量。
5.根据权利要求1所述的预测控制方法，其特征在于，所述以所述第二筛选电压矢量为中心，并以相位差间隔60°的原则依次构建虚拟电压矢量，得到6个构建虚拟电压矢量的过程，包括：
以所述第二筛选电压矢量的起始点为圆心，并以所述第二筛选电压矢量的长度为半径作圆，得到目标圆；
在所述目标圆上依次选取与所述第二筛选电压矢量相位相差60°、120、180°、240°、300°和360°的虚拟电压矢量，得到6个构建虚拟电压矢量。
6.根据权利要求1至5任一项所述的预测控制方法，其特征在于，还包括：
对30个虚拟电压矢量和6个有效电压矢量进行存储。
7.一种三相永磁同步电机的预测控制装置，其特征在于，包括：
第一筛选模块，用于获取三相永磁同步电机在两电平电压源逆变器下的6个有效电压矢量，并在6个有效电压矢量中选取代价函数值最小的有效电压矢量，得到第一筛选电压矢量；
矢量合成模块，用于将6个有效电压矢量中的每一个电压矢量平均分成三等份，并对等分后的电压矢量进行矢量合成，得到30个虚拟电压矢量；
扇区选取模块，用于从30个虚拟电压矢量和6个有效电压矢量中选取与所述第一筛选电压矢量位于同一个扇区的电压矢量，得到筛选电压矢量集合；
第二筛选模块，用于在所述筛选电压矢量集合中选取代价函数值最小的电压矢量，得到第二筛选电压矢量；
矢量构建模块，用于以所述第二筛选电压矢量为中心，并以相位差间隔60°的原则依次构建虚拟电压矢量，得到6个构建虚拟电压矢量；
电机控制模块，用于从6个构建虚拟电压矢量中选取代价函数值最小的电压矢量，得到第三筛选电压矢量，并将所述第三筛选电压矢量判定为所述三相永磁同步电机在下一运行时刻的目标控制电压，以对所述三相永磁同步电机进行控制。
8.一种三相永磁同步电机的预测控制设备，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1至6任一项所述的一种三相永磁同步电机的预测控制方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述的一种三相永磁同步电机的预测控制方法的步骤。
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