本發(fā)明涉及一種基于矢量快速篩選和占空比控制相結(jié)合的永磁同步電機(jī)模型預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)及方法，屬于電機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制技術(shù)。

背景技術(shù)：

永磁同步電機(jī)憑借電力電子技術(shù)、微型計(jì)算機(jī)技術(shù)、電機(jī)控制技術(shù)的飛速發(fā)展，控制技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，目前正向著高精度、低成本、小型化的趨勢(shì)發(fā)展。而永磁同步電機(jī)作為核心執(zhí)行部件，在機(jī)床、家電，船舶、電梯、機(jī)器人及電動(dòng)汽車等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。盡管針對(duì)永磁同步電機(jī)的各種控制技術(shù)都陸續(xù)提出并得到了廣泛研究，如矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、滑?？刂坪湍：刂频?，但在實(shí)際工程中，這些控制技術(shù)都存在一定不足，如低速特性不夠理想、動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大等。

近年來(lái)國(guó)際上興起了一種新型控制技術(shù)，即模型預(yù)測(cè)控制。有限控制集模型預(yù)測(cè)控制(finitecontrolset-modelpredictivecontrol，簡(jiǎn)稱fcs-mpc)由于原理簡(jiǎn)單，容易處理系統(tǒng)非線性約束等優(yōu)點(diǎn)，在當(dāng)前變頻調(diào)速系統(tǒng)中受到了廣泛關(guān)注。與經(jīng)典的磁場(chǎng)定向控制(field-orientation-control，簡(jiǎn)稱foc)相比，fcs-mpc無(wú)需脈寬調(diào)制，可直接產(chǎn)生逆變器驅(qū)動(dòng)信號(hào)，更容易實(shí)現(xiàn)降低開關(guān)頻率等非線性約束。另外，mpc無(wú)需坐標(biāo)變換，無(wú)需電流內(nèi)環(huán)及參數(shù)整定，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。與直接轉(zhuǎn)矩控制(direct-torque-control，簡(jiǎn)稱dtc)相比，fcs-mpc通過(guò)在線優(yōu)化的方式來(lái)選擇最佳電壓矢量，在矢量選擇上更加直接、精確、有效。

然而，不可否認(rèn)的是在尋找最優(yōu)電壓矢量的過(guò)程中，模型預(yù)測(cè)控制需要遍歷逆變器所有開關(guān)狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的基本電壓矢量，導(dǎo)致每個(gè)周期內(nèi)的算法計(jì)算量大，尤其是針對(duì)多電平和多相電機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合。此外，預(yù)測(cè)值的大量計(jì)算亦會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)延遲，預(yù)測(cè)變得不精準(zhǔn)。如何減少在線執(zhí)行時(shí)間且不影響控制性能成為了預(yù)測(cè)模型控制的一個(gè)關(guān)鍵研究問(wèn)題。

中國(guó)發(fā)明專利《一種永磁同步電機(jī)準(zhǔn)無(wú)差拍模型預(yù)測(cè)磁鏈控制方法》(專利號(hào)為cn201610188463.4，公開日期為2016.07.13)，公開了一種準(zhǔn)無(wú)差拍模型預(yù)測(cè)磁鏈控制的方法，該方法利用無(wú)差拍控制思想，獲得參考電壓矢量，通過(guò)參考電壓矢量的位置角判斷參考電壓矢量所在的扇區(qū)，利用扇區(qū)選擇三個(gè)有效電壓矢量，最終從三個(gè)電壓矢量中選擇出最理想的有效電壓。該專利提出了一種快速篩選電壓矢量的方法，但該專利的不足之處在于，在一個(gè)控制周期內(nèi)只選擇一個(gè)基本電壓矢量，因此會(huì)產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和磁鏈脈動(dòng)。

中國(guó)發(fā)明專利《有限狀態(tài)集異步電機(jī)模型預(yù)測(cè)磁鏈控制方法及裝置》(專利號(hào)為cn104092422a，公開日期為2014.10.08)，公開了一種有限狀態(tài)集異步電機(jī)模型預(yù)測(cè)磁鏈控制方法，該方法解決了傳統(tǒng)模型預(yù)測(cè)控制中的諸多問(wèn)題，包括權(quán)重系數(shù)需繁復(fù)調(diào)試、穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩與電流紋波大、采樣頻率要求高以及開關(guān)頻率不固定等。本發(fā)明方法和該發(fā)明專利相比，首先，控制對(duì)象不同；其次，本發(fā)明方法采用控制基本電壓矢量的方法，實(shí)施起來(lái)更為簡(jiǎn)單方便；此外，本發(fā)明方法采用了一種快速判斷電壓矢量的方法，保證了控制方法的快速性；最后，相較于該專利中的占空比計(jì)算方法，本發(fā)明方法所提出的一種新的占空比計(jì)算方法更加簡(jiǎn)單明了。因此，本發(fā)明將新的占空比計(jì)算方法和快速矢量篩選結(jié)合起來(lái)可以極大減少計(jì)算量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法解決轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和磁鏈脈動(dòng)較大的問(wèn)題，提供了一種有效提高永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)性能的控制系統(tǒng)及方法，通過(guò)將矢量快速篩選和占空比控制相結(jié)合，既降低了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)又減少了控制器的計(jì)算時(shí)間。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種矢量快速篩選和占空比結(jié)合的電機(jī)模型預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)，包括pi控制器、位置反饋模塊、定子電流采集模塊、電流微分方程計(jì)算模塊、park逆變換模塊、扇區(qū)判斷模塊、矢量快速選擇開關(guān)表、占空比計(jì)算模塊、最優(yōu)價(jià)值函數(shù)模塊和逆變器；

轉(zhuǎn)速參考值和經(jīng)位置反饋模塊得到的轉(zhuǎn)速反饋值做差，差值輸入轉(zhuǎn)速pi控制器；轉(zhuǎn)速pi控制器輸出的參考轉(zhuǎn)矩值經(jīng)轉(zhuǎn)矩pi控制器得到交軸參考電流值；采樣得到的定子電流采集模塊經(jīng)電流微分方程計(jì)算模塊得到交直軸參考電壓；交直軸參考電壓經(jīng)park逆變換模塊輸出參考電壓值的幅值和相角；參考電壓相角經(jīng)扇區(qū)判斷模塊和矢量快速選擇開關(guān)表輸出快速篩選后的備選電壓矢量；進(jìn)行備選電壓矢量的占空比計(jì)算模塊；備選電壓矢量及占空比值經(jīng)最優(yōu)價(jià)值函數(shù)模塊輸出最優(yōu)非零開關(guān)狀態(tài)；最優(yōu)非零開關(guān)狀態(tài)及其對(duì)應(yīng)的最優(yōu)零開關(guān)狀態(tài)給逆變器。

一種采用上述控制系統(tǒng)的矢量快速篩選和占空比結(jié)合的電機(jī)模型預(yù)測(cè)控制方法，包括以下步驟：

步驟一：首先，根據(jù)無(wú)差拍控制的思想獲得參考電壓矢量；

所述參考電壓矢量獲得方法為：

(1)采樣k時(shí)刻的三相電流ia(k),ib(k),ic(k)，通過(guò)clack變換得到k時(shí)刻αβ軸電流iα(k),iβ(k)，再通過(guò)park變換得到k時(shí)刻dq軸電流id(k),iq(k)；采集k時(shí)刻轉(zhuǎn)子角速度ω；

(2)為使轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小化，保證在每一個(gè)采樣周期結(jié)束時(shí)刻的實(shí)際電磁轉(zhuǎn)矩值都跟蹤上理想的參考轉(zhuǎn)矩值，即：

其中，te(k+1)為(k+1)時(shí)刻電磁轉(zhuǎn)矩值，為參考轉(zhuǎn)矩值。

(3)計(jì)算(k+1)時(shí)刻理想的dq軸電流值：

其中，為k+1時(shí)刻q軸的理想?yún)⒖茧娏?，p為極對(duì)數(shù)，ψf為永磁磁鏈值，為k+1時(shí)刻d軸的理想?yún)⒖茧娏鳌?/p>

(4)根據(jù)步驟(1)得到的id(k),iq(k),ω以及步驟(3)得到的利用公式：

通過(guò)電流微分方程模塊計(jì)算理想的dq軸電壓值：

其中，為k+1時(shí)刻d軸的理想電壓值，ld為d軸電感值，r為定子電阻值，id(k)表示k時(shí)刻d軸電流值，iq(k)表示k時(shí)刻q軸電流值，ω表示電角速度，ts表示采樣時(shí)間，為k+1時(shí)刻q軸的參考電壓值，lq為q軸電感。

(5)根據(jù)步驟(4)得到的通過(guò)park逆變換模塊計(jì)算出αβ軸的參考電壓矢量

其中，θ為轉(zhuǎn)子空間相位角。

步驟二：通過(guò)參考電壓矢量的位置角判斷參考電壓矢量所在的扇區(qū)，利用扇區(qū)判斷的方法快速篩選出有效的兩個(gè)非零電壓矢量；

所述判斷的方法為：

計(jì)算(k+1)時(shí)刻的定子磁鏈位置角，根據(jù)如下公式計(jì)算出參考定子磁鏈在αβ軸的角度θs；

其中θs為參考定子磁鏈所在的空間相位角；

將平面分為6個(gè)扇區(qū)，分別為：

通過(guò)θs值及扇區(qū)判斷模塊判斷出定子磁鏈所處的扇區(qū)，扇區(qū)判斷快速篩選出備選電壓矢量。

步驟三：將參考電壓矢量和快速篩選出的非零基本電壓矢量之間的比較定義為價(jià)值函數(shù)；采用一種占空比控制方法，計(jì)算出非零電壓矢量作用的時(shí)間；基于開關(guān)損耗最小化原則，根據(jù)非零電壓矢量選擇合適的零電壓矢量，計(jì)算出零電壓矢量作用的時(shí)間。

所述價(jià)值函數(shù)為為參考電壓矢量，ui為非零基本電壓矢量，g值大小等于與γui之間的向量差值，只有當(dāng)向量和向量ui垂直的時(shí)候，g值達(dá)到最小，因此，γui的值等于在相應(yīng)矢量上的余弦。

根據(jù)公式計(jì)算出選擇的基本電壓矢量作用時(shí)間的占空比，其中，為理想電壓矢量的電壓值，|ui|為選擇的基本電壓矢量的電壓值，θs表示參考定子磁鏈所在的空間相位角，θi表示選擇的基本電壓矢量的空間相位角。

根據(jù)電壓矢量快速篩選表選擇出合適的備選矢量u1,，u2，根據(jù)新型占空比的方法分別計(jì)算出u1,對(duì)應(yīng)的占空比γ1，u2對(duì)應(yīng)的占空比γ2，將u1,，γ1，u2，γ2分別帶入到價(jià)值函數(shù)中得到相應(yīng)的g1,g2，比較g1,g2大小，gopt＝min(g1,g2)，選擇出最優(yōu)的非零電壓矢量ui。選擇出最優(yōu)的非零電壓矢量ui，其作用時(shí)間為γits，執(zhí)行周期剩余時(shí)間應(yīng)都由零電壓矢量作用。

步驟四：最后，將非零電壓矢量開關(guān)狀態(tài)及其作用時(shí)間，零電壓矢量開關(guān)狀態(tài)及其作用時(shí)間依次作用于逆變器，逆變器將開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)變成電壓輸出給永磁同步電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。

逆變器將最優(yōu)開關(guān)狀態(tài)sa,sb,sc轉(zhuǎn)化為最優(yōu)電壓作用在永磁同步電機(jī)γits時(shí)長(zhǎng)，零電壓矢量的選擇盡量遵循開關(guān)損耗最小化的原則。若選擇的非零基本電壓矢量為v1(001)，v2(010)，v4(100),則與其對(duì)應(yīng)的零電壓矢量為v0(000)；同理，v3(011)，v5(101)，v6(110)對(duì)應(yīng)的零電壓矢量為v7(111)，將對(duì)應(yīng)的零矢量作用在永磁同步電機(jī)(1-γi)ts時(shí)長(zhǎng)。

有益效果：本發(fā)明以基本電壓矢量為控制對(duì)象，控制對(duì)象簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)；價(jià)值函數(shù)中不含權(quán)值計(jì)算，將磁鏈幅值和轉(zhuǎn)矩值統(tǒng)一成基本電壓矢量一個(gè)變量，避免了多變量對(duì)電機(jī)控制性能的影響。采用矢量快速篩選的方法，降低了處理器在線計(jì)算的負(fù)擔(dān)，提高了處理器的效率。采用占空比控制的方法，實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)控制周期內(nèi)對(duì)定子磁鏈的精確控制，大大降低了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和磁鏈脈動(dòng)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的原理框圖。

圖中有：1.pi控制器、2.位置反饋模塊、3.定子電流采集模塊、4.電流微分方程計(jì)算模塊、5.park逆變換模塊、6.扇區(qū)判斷模塊、7.矢量快速選擇開關(guān)表、8.占空比計(jì)算模塊、9.最優(yōu)價(jià)值函數(shù)模塊、10.逆變器。

圖2為矢量快速篩選開關(guān)表模塊的原理圖。

圖3為基于矢量快速篩選和占空比控制相結(jié)合的永磁同步電機(jī)模型預(yù)測(cè)控制方法的算法流程圖。

圖4為占空比計(jì)算的原理圖。

圖5是采用本發(fā)明控制方法的永磁同步電機(jī)三相電流仿真波形。

圖6是采用本發(fā)明控制方法的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩仿真波形。

圖7(a)是采用本發(fā)明控制方法的永磁同步電機(jī)定子磁鏈仿真波形。

圖7(b)是采用本發(fā)明控制方法的永磁同步電機(jī)定子磁鏈α、β分量仿真波形。

圖7(c)是采用本發(fā)明控制方法的永磁同步電機(jī)定子磁鏈圓仿真波形。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。

如圖1所示，一種基于矢量快速篩選和占空比控制相結(jié)合的永磁同步電機(jī)模型預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)，包括pi控制器1、位置反饋模塊2、定子電流采集模塊3、電流微分方程計(jì)算模塊4、park逆變換模塊5、扇區(qū)判斷模塊6、矢量快速選擇開關(guān)表7、占空比計(jì)算模塊8、最優(yōu)價(jià)值函數(shù)模塊9和逆變器10；

轉(zhuǎn)速參考值和經(jīng)位置反饋模塊2得到的轉(zhuǎn)速反饋值做差，差值輸入轉(zhuǎn)速pi控制器1；轉(zhuǎn)速pi控制器1輸出的參考轉(zhuǎn)矩值經(jīng)轉(zhuǎn)矩pi控制器得到交軸參考電流值；采樣得到的定子電流采集模塊3經(jīng)電流微分方程計(jì)算模塊4得到交直軸參考電壓；交直軸參考電壓經(jīng)park逆變換模塊5輸出參考電壓的幅值和相角；電壓相角經(jīng)扇區(qū)判斷模塊6和矢量快速選擇開關(guān)表7輸出快速篩選后的備選電壓矢量；進(jìn)行備選電壓矢量的占空比計(jì)算模塊8；參考電壓矢量的備選電壓矢量及占空比值經(jīng)最優(yōu)價(jià)值函數(shù)模塊9輸出最優(yōu)非零開關(guān)狀態(tài)；最優(yōu)非零開關(guān)狀態(tài)及其對(duì)應(yīng)的最優(yōu)零開關(guān)狀態(tài)給逆變器10。

如圖2-4所示的是一種基于矢量快速篩選和占空比控制相結(jié)合的永磁同步電機(jī)模型預(yù)測(cè)控制方法，包括以下步驟：

(1)采樣k時(shí)刻的三相電流ia(k),ib(k),ic(k)，通過(guò)clack變換得到k時(shí)刻αβ軸電流iα(k),iβ(k)，再通過(guò)park變換得到k時(shí)刻dq軸電流id(k),iq(k)；采集k時(shí)刻轉(zhuǎn)子角速度ω；

(2)為使轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小化，本發(fā)明采用了一種無(wú)差拍的思想，保證在每一個(gè)采樣周期結(jié)束時(shí)刻的實(shí)際電磁轉(zhuǎn)矩值都跟蹤上參考轉(zhuǎn)矩值，即：

其中，te(k+1)為(k+1)時(shí)刻電磁轉(zhuǎn)矩值，為參考轉(zhuǎn)矩值。

(3)計(jì)算(k+1)時(shí)刻理想的dq軸電流值：

(4)根據(jù)步驟(1)得到的id(k),iq(k),ω以及步驟(3)得到的利用公式：

通過(guò)電流微分方程模塊計(jì)算理想的dq軸電壓值：

(5)根據(jù)步驟(4)得到的通過(guò)park逆變換模塊計(jì)算出αβ軸的理想電壓矢量

其中，θ為轉(zhuǎn)子空間相位角。

(6)根據(jù)步驟(5)得到的計(jì)算(k+1)時(shí)刻的定子磁鏈位置角，根據(jù)如下公式計(jì)算出理想磁鏈在αβ軸的角度θs；

將平面分為6個(gè)扇區(qū)，分別為：

通過(guò)θs值及扇區(qū)判斷模塊判斷出定子磁鏈所處的扇區(qū)，扇區(qū)判斷快速篩選出基本電壓矢量；

(7)基于電壓矢量快速篩選的預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制雖然能夠大大減少預(yù)測(cè)時(shí)間的長(zhǎng)短，然而該方法并沒有從根本上減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)?？紤]到基本電壓矢量是由六個(gè)幅值和相角固定的電壓矢量組成，從中選取的電壓矢量要作用整個(gè)采樣周期，這就導(dǎo)致了較低的開關(guān)頻率和較大的轉(zhuǎn)矩和磁鏈波動(dòng)。因此，為了減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，本發(fā)明采用控制占空比的方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。將選擇的基本電壓矢量?jī)H僅作用一個(gè)采樣周期中的一部分時(shí)間，剩余時(shí)間選擇用零矢量，有效電壓矢量作用時(shí)間和整個(gè)采樣周期的比值稱為占空比γ。本發(fā)明中以基本電壓矢量作為控制對(duì)象且利用了占空比控制的方法，因此新的目標(biāo)價(jià)值函數(shù)變?yōu)?/p>

g值大小等于與γui之間的向量差值，只有當(dāng)向量和向量ui垂直的時(shí)候，g值達(dá)到最小，因此γui的值等于在相應(yīng)矢量上的余弦值。利用公式計(jì)算不同基本電壓矢量對(duì)應(yīng)的占空比。

(8)分別在這兩個(gè)基本電壓矢量作用下，計(jì)算目標(biāo)價(jià)值函數(shù)

通過(guò)比較2個(gè)g值，找到其中最小的g值，此時(shí)的g所對(duì)應(yīng)的即為最優(yōu)的電壓矢量gopt＝min(g1,g2)，根據(jù)最優(yōu)基本電壓矢量獲得最優(yōu)開關(guān)狀態(tài)sa,sb,sc；

(9)逆變器將最優(yōu)開關(guān)狀態(tài)sa,sb,sc轉(zhuǎn)化為最優(yōu)電壓作用在永磁同步電機(jī)γits時(shí)長(zhǎng)，零電壓矢量的選擇盡量遵循開關(guān)損耗最小化的原則。若選擇的非零基本電壓矢量為v1(001)，v2(010)，v4(100),則與其對(duì)應(yīng)的零電壓矢量為v0(000)；同理，v3(011)，v5(101)，v6(110)對(duì)應(yīng)的零電壓矢量為v7(111)，將對(duì)應(yīng)的零矢量作用在永磁同步電機(jī)(1-γi)ts時(shí)長(zhǎng)。

圖5～圖7是利用matlab/simulink軟件對(duì)本發(fā)明所提控制方法的仿真結(jié)果，電機(jī)參數(shù)如下表所示。仿真時(shí)，電機(jī)參考速度為1000r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為3nm，直流母線電壓440v，采樣頻率為10khz。

如圖5所示，采用本發(fā)明的控制方法，三相電流平衡且對(duì)稱度較好。圖6(a)是傳統(tǒng)預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制方法的轉(zhuǎn)矩波形，圖6(b)是本發(fā)明方法的轉(zhuǎn)矩波形。從仿真波形中可以看出，轉(zhuǎn)矩在3nm附近波動(dòng)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為0.5nm，轉(zhuǎn)矩較為平穩(wěn)且轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較小。通過(guò)和傳統(tǒng)預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)(1nm)對(duì)比，本發(fā)明方法的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)(0.5nm)得到了大大減小，降低了50％的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。如圖7(a)所示，定子磁鏈幅值比較平穩(wěn)且幅值脈動(dòng)比較小。圖7(b)是定子磁鏈α、β分量的仿真波形，從仿真波形中可以看出，ψα、ψβ的波動(dòng)很小。圖7(c)是定子磁鏈圓波形，定子磁鏈圓幾乎為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的圓形。通過(guò)仿真對(duì)比可以看出，本發(fā)明方法不僅在時(shí)間上具有快速性，在控制效果上也表現(xiàn)出色，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)得到了有效的抑制。

以上結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式做出詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明不局限于所描述的實(shí)施方式。對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，在本發(fā)明的原理和技術(shù)思想的范圍內(nèi)，對(duì)這些實(shí)施方式進(jìn)行多種變化、修改、替換和變形仍落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。