一種應用于多電機控制系統(tǒng)的有限狀態(tài)模型預測控制方法
【專利摘要】一種應用于多電機控制系統(tǒng)的有限狀態(tài)模型預測控制方法，用于由m臺永磁同步電機組成的多電機控制系統(tǒng)：多電機系統(tǒng)電氣量采集；虛擬參考電壓矢量預測和價值函數(shù)尋優(yōu)，對于每一臺電機，計算k時刻的虛擬參考電壓矢量，建立價值函數(shù)；通過矢量分區(qū)法，簡化價值函數(shù)的尋優(yōu)過程；將共模電壓約束加入到算法中，對多電機控制系統(tǒng)中的共模電壓進行抑制。本發(fā)明提出了一種簡化的應用于多電機控制的FCS-MPC算法，與傳統(tǒng)FCS-MPC算法相比，新算法在保持傳統(tǒng)算法控制效果的基礎上，有效減少了算法的執(zhí)行時間，同時實現(xiàn)多臺永磁同步電機的轉速協(xié)同控制，并達到抑制共模電壓的目的。
【專利說明】一種應用于多電機控制系統(tǒng)的有限狀態(tài)模型預測控制方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種有限狀態(tài)模型預測控制方法。特別是涉及一種應用于多電機控制 系統(tǒng)的有限狀態(tài)模型預測控制方法。

【背景技術】
[0002] 基于有限狀態(tài)模型預測控制方法（finite control set model predictive control，F(xiàn)CS-MPC)的交流電機系統(tǒng)具有無需調制算法，動態(tài)響應速度快、內部完全解耦、能 夠加入多種約束條件實現(xiàn)最優(yōu)控制等優(yōu)勢，極具發(fā)展前景。FCS-MPC衍生自傳統(tǒng)模型預測 控制（model predictive control, MPC)算法。傳統(tǒng)MPC算法利用系統(tǒng)模型預測未來的狀 態(tài)，同時考慮到系統(tǒng)的不同控制目標，通過價值函數(shù)（cost function)進行全局尋優(yōu)，滾動 優(yōu)化，最終達到最優(yōu)的效果，這種算法的控制周期通常較長，在過程控制中得到了廣泛的應 用。FCS-MPC繼承了傳統(tǒng)MPC算法的特點，自2000年之后，在電力變流器和電力傳動上得到 了廣泛的研究。鑒于電力變流器僅含有限個開關狀態(tài)，F(xiàn)CS-MPC采用相對簡單的尋優(yōu)過程， 對所有可能的開關狀態(tài)進行分析，預測未來時刻被控量的可能的結果，同時，引入傳統(tǒng)MPC 算法中的價值函數(shù)的概念，綜合各個控制目標而選出最優(yōu)的開關狀態(tài)。因此，F(xiàn)CS-MPC能夠 對多變量靈活控制，并且易于引入非線性的約束條件。
[0003] FCS-MPC沒有脈寬調制（pulse width modulation, PWM)過程，在每一個采樣周期 內，F(xiàn)CS-MPC只輸出一種開關狀態(tài)，這種算法的開關頻率是不恒定的。在這種情況下，為了 達到與傳統(tǒng)的線性控制方法相近的電流控制性能，F(xiàn)CS-MPC的控制周期必須大大短于傳統(tǒng) 的線性控制算法。因此FCS-MPC需要更短的程序計算時間，然而，實際中不可能達到這種情 況。當采用單處理器實現(xiàn)多電機的控制時，F(xiàn)CS-MPC的計算量隨著電路復雜度的增加而增 力口，控制周期可能無法設置得足夠小。而且，由于FCS-MPC經常引入其它附加約束（例如共 模電壓約束，開關頻率約束等等）來達到綜合最優(yōu)控制效果，這同樣會增加 FCS-MPC的計算 量?？傊?，較長的計算時間會限制FCS-MPC算法在多電機控制系統(tǒng)上的應用。


【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術問題是，提供一種能夠大幅減少程序執(zhí)行時間，同時保持 原算法的控制性能的應用于多電機控制系統(tǒng)的有限狀態(tài)模型預測控制方法。
[0005] 本發(fā)明所采用的技術方案是：一種應用于多電機控制系統(tǒng)的有限狀態(tài)模型預測控 制方法，用于由m臺永磁同步電機組成的多電機控制系統(tǒng)，包括如下步驟：
[0006] 1)多電機系統(tǒng)電氣量米集，包括：
[0007] 采集每一臺電機的轉速，計算每一臺電機的定子參考電流矢量；采集每一臺電機 的定子三相電流并變換為兩相靜止α - β坐標系上的電流分量；采集直流側電壓ud。；在兩 相靜止α-β坐標系下設定k時刻每一臺電機的電氣量，對每一臺電機的反電動勢進行估 計；計算每一臺電機對應的逆變器所有可能輸出的電壓矢量；
[0008] 2)虛擬參考電壓矢量預測和價值函數(shù)尋優(yōu)，包括：
[0009] 對于每一臺電機，計算k時刻的虛擬參考電壓矢量《1(幻，建立價值函數(shù)<0 + 1)，

【權利要求】
1. 一種應用于多電機控制系統(tǒng)的有限狀態(tài)模型預測控制方法，其特征在于，用于由m 臺永磁同步電機組成的多電機控制系統(tǒng),包括如下步驟： 1) 多電機系統(tǒng)電氣量米集，包括： 采集每一臺電機的轉速，計算每一臺電機的定子參考電流矢量；采集每一臺電機的定 子三相電流并變換為兩相靜止a坐標系上的電流分量；采集直流側電壓ud。；在兩相靜 止a坐標系下設定k時刻每一臺電機的電氣量，對每一臺電機的反電動勢進行估計；計 算每一臺電機對應的逆變器所有可能輸出的電壓矢量； 2) 虛擬參考電壓矢量預測和價值函數(shù)尋優(yōu)，包括： 對于每一臺電機，計算k時刻的虛擬參考電壓矢量，建立價值函數(shù)<以+ 1)，有
式中，為第m臺電機所對應的逆變器所有可能輸出的電壓矢量，n為逆變器所有 可能輸出的電壓矢量的序號； 當價值函數(shù)g：：(々 +l)取得最小值時，價值函數(shù)+ 對應的n的數(shù)值作為逆變器最終 的輸出電壓矢量的序號<，
3) 通過矢量分區(qū)法，簡化價值函數(shù)的尋優(yōu)過程 (1) 結合每一臺電機對應的逆變器所有可能輸出的電壓矢量《；：認)?的空間分布， 利用逆變器輸出的電壓矢量(幻?《丨,(幻中任意相鄰的逆變器輸出的電壓矢量的角平分線 將空間電壓矢量分布圖分為1?6共6個扇區(qū)，同時，由逆變器輸出的電壓矢量《!,認卜<(!) 中各個電壓矢量的中垂線圍成中央的六邊形區(qū)域，并與6個扇區(qū)區(qū)分開來； (2) 判斷虛擬參考電壓矢量《!,(幻落到了扇區(qū)1?6中的哪一個，對虛擬參考電壓矢量 ?1(幻進行反Clarke變換，利用變換后的結果，計算每一臺電機虛擬參考電壓矢量《丨,0)所 在的扇區(qū)序號，得到每一臺電機所對應的逆變器最終的輸出電壓矢量的序號； 4) 將共模電壓約束加入到算法中，對多電機控制系統(tǒng)中的共模電壓進行抑制，包括 ⑴對于第m臺電機，在k?k+1時間段內的共模電壓<_(幻的計算式為
式中，sam(k)、sbm(k) 為第m臺電機在k?k+1時間段內所對應的逆變器的開關 狀態(tài)； 根據(jù)式（1)，則第m臺電機的附加共模電壓約束的價值函數(shù)為
式中，
項為價值函數(shù)中附加的共模電壓約束項，。_為共模電 壓約束項的權值； (2) 結合每一臺電機對應的逆變器所有可能輸出的電壓矢量《；：認)?《"7,(/〇的空間分布， 利用逆變器輸出的電壓矢量《!,(&)? <(幻中任意兩個相鄰電壓矢量的角平分線將空間電壓 矢量分布圖分為1?6共6個扇區(qū)，在任一個扇區(qū)內包含三個電壓矢量，分別為兩個零電 壓矢量和《!(幻位于扇區(qū)的頂點上，以及一個非零電壓矢量，同時，采用步驟3)中的式 (9)、式（10)、式（11)確定每一臺電機的虛擬參考電壓矢量〇)所在的扇區(qū)序號； (3) 根據(jù)每一臺電機的虛擬參考電壓矢量《1(幻所在的扇區(qū)序號Nm，取兩個零電壓矢量 中的任意一個<(幻或《；：,(幻和本扇區(qū)內的非零電壓矢量幻作為候選矢量，根據(jù)式（4)計 算候選矢量對應的價值函數(shù)結果，有
當價值函數(shù)+ 取得最小值時，價值函數(shù)S(& + 1)對應的n的數(shù)值作為逆變器最終 的輸出電壓矢量的序號<，
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種應用于多電機控制系統(tǒng)的有限狀態(tài)模型預測控制方法， 其特征在于，步驟1)中所述的采集每一臺電機的轉速，計算每一臺電機的定子參考電流 矢量，是采集電機1、電機2、……、電機m的轉速cop?2.......?m，結合電機1的轉速 參考值<，利用主從控制算法計算得到電機1、電機2、……、電機m的定子參考電流矢量U.......、〈，m表不電機的編號，是大于1的整數(shù)。
3. 根據(jù)權利要求1所述的一種應用于多電機控制系統(tǒng)的有限狀態(tài)模型預測控制方法， 其特征在于，步驟1)中所述的將所述的定子三相電流ia、ib、i。變換為兩相靜止坐標 系上的電流分量，公式如下：

4. 根據(jù)權利要求1所述的一種應用于多電機控制系統(tǒng)的有限狀態(tài)模型預測控制方法， 其特征在于，步驟1)中所述的在兩相靜止a坐標系下設定k時刻每一臺電機的電氣 量，對每一臺電機的反電動勢進行估計，包括： 設定k時刻每一臺電機的定子電流矢量為im(k)，有 ，其中 iam(k)、i0m(k)分別為a、@軸的定子電流； 設定k時刻每一臺電機的虛擬參考電壓矢量:有
，其中 分別為a、P軸的虛擬參考電壓值； 設定k時刻每一臺電機對應的逆變器輸出的電壓矢量um(k)，有

，其中uam(k)、Ueni(k)分別為a、P軸的逆變器輸出的電壓值； 設定k時刻每一臺電機的反電動勢矢量為em(k)，有
，其中 eani(k)、e0D1(k)分別為a、P軸的反電動勢值； 設定k+1時刻每一臺電機的定子參考電流矢量為C(* +l)，有
，其中C# +l)、t(hl)分別為a、@軸的定子參考電流， 將主從控制算法輸出的每一臺電機的定子參考電流矢量〈設為k+1時刻的定子參考 電流矢量C(hD，即C=C0 +D， 根據(jù)k時刻每一臺電機的定子電流矢量im(k)以及k-1時刻每一臺電機對應的逆變器 輸出的電壓矢量Um(k-1)，利用反電動勢觀測器得到每一臺電機的反電動勢矢量em(k)。
5. 根據(jù)權利要求1所述的一種應用于多電機控制系統(tǒng)的有限狀態(tài)模型預測控制方法， 其特征在于，步驟2)中所述的對于每一臺電機，計算k時刻的虛擬參考電壓矢量《1認)的計 算公式如下：
式中，em(k)為k時亥Ij第m臺電機的反電動勢矢量；im(k)為k時亥Ij第m臺電機的定子 電流矢量；CN+ 1)為k+1時刻第m臺電機的定子參考電流矢量；R1^Lni分別為第m臺電機的 定子電阻與電感；T為系統(tǒng)的控制周期。
6. 根據(jù)權利要求1所述的一種應用于多電機控制系統(tǒng)的有限狀態(tài)模型預測控制方 法，其特征在于，步驟3)中所述的對虛擬參考電壓矢量《!,⑷進行反Clarke變換，是因
有
7. 根據(jù)權利要求1所述的一種應用于多電機控制系統(tǒng)的有限狀態(tài)模型預測控制方法， 其特征在于，步驟3)中所述的計算每一臺電機虛擬參考電壓矢量《1,(幻所在的扇區(qū)序號，得 到每一臺電機所對應的逆變器最終的輸出電壓矢量的序號，是利用Clarke變換后的結果， 計算每一臺電機虛擬參考電壓矢量《1(幻所在的扇區(qū)序號Nm，

進一步計算得到每一臺電機所對應的逆變器最終的輸出電壓矢量的序號<，有
【文檔編號】H02P21/00GK104242768SQ201410460918
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月11日 優(yōu)先權日:2014年9月11日
【發(fā)明者】夏長亮, 高明煜, 劉濤 申請人:天津大學