一种基于混合控制集的永磁同步电机模型预测电流控制方法

1.本发明涉及永磁同步电机驱动控制领域，具体涉及一种基于混合控制集的永磁同步电机模型预测电流控制方法，进一步优化永磁同步电机的驱动性能。


背景技术：

2.相对直流电机，永磁同步电机(pmsm)具有更好的动态性能和更小的转矩脉动，因此在工业领域中有着广泛的应用。稳定性是pmsm重要性能需求之一，因此要求电机输出低纹波的磁链、转矩和高质量的电流。由于现代微处理器的发展，一些基于预测的控制方案被提出，旨在提高电机控制性能，例如无差拍控制、轨迹预测、模型预测控制等。
3.对于模型预测控制技术，它可以处理不同非线性约束条件下的多目标优化问题，更加灵活，因此受到众多研究者的关注。其中，基于有限单一控制集的模型预测电流控制具有原理简单，计算量小的优点，但是其存在逆变器开关频率不固定、电流和转矩脉动大等缺点，而且其可备选的电压矢量数目是有限的，其方向和幅值均是固定的，系统稳态性能较差。因此，为了提高pmsm系统的性能，在有限单一控制集的基础上，进一步拓展模型预测电流控制的控制集，以便系统在实际运行过程中能够获取最优的电压矢量组合就显得尤为重要。


技术实现要素：

4.为了实现本发明目的，本发明提出了一种基于混合控制集的永磁同步电机模型预测电流控制方法，旨在进一步拓展模型预测电流控制的控制集，从而系统获得更优的运行控制性能。为了实现上述目的，本发明执行以下技术方案。
5.步骤一：获取永磁同步电机的定子电阻、dq轴定子电感值、转子永磁体磁链值等标称参数，基于heun方法离散得到d-q坐标系下不同电压矢量作用时定子电流预测方程组，所描述的方程如下：
[0006][0007][0008]
其中，rs、ld、lq和ψf是永磁同步电机的电气常数，分别是定子电阻、d轴电感分量、q轴电感分量和转子永磁体磁链幅值。ts是控制周期，k是采样时刻数字，ωe是电角速度。id(k)和iq(k)分别是k时刻的d轴和q轴电流反馈值。ud(k)和uq(k)分别是k时刻d轴和q轴电压分量。i
dp
(k+1)和i
qp
(k+1)分别是d轴和q轴的电流预报值。id(k+1)和iq(k+1)分别是(k+1)时刻d轴和q轴的电流预测值。
[0009]
步骤二：选取每个扇区相邻的两个有效电压矢量u
x uy和一个零电压矢量u0作为初始控制集，每个扇区对应的初始控制集中有且仅有一种电压矢量组合，且六个初始控制集
组成所涉及方法的混合控制集。在控制周期中，计算每个扇区的初始控制集对应的三个电压矢量单独作用时的电流斜率，所述计算方程如下：
[0010][0011]
其中，m
d0
、m
q0
、m
dx
、m
qx
、m
dy
、m
qy
分别表示u0和u
x
，uy作用下的dq轴电流斜率。e
d0
、e
q0
、e
dx
、e
qx
、e
dy
、e
qy
表示u0和u
x
，uy作用下的dq轴电流误差项，且和分别是u0作用时的dq轴电流分量。和分别是u
x
，uy作用时的k+1时刻dq轴电流分量，且x,y∈(1,2,...,6)。
[0012]
步骤三：建立初始控制集中u
x u
y u0共同作用时的k+1时刻的定子电流预测方程组，利用无差拍控制的方式，使得k+1时刻的定子电流预测值与当前参考值保持一致，所述方程组如下：
[0013][0014]
其中，id(k)和iq(k)分别表示k时刻dq轴的电流分量。id(k+1)和iq(k+1)分别表示k+1时刻dq轴的电流分量。m
d_evv
和m
q_evv
表示期望合成的电压矢量的dq轴电流斜率。t
evv
表示期望合成的电压矢量的作用时间，且有t
evv
＝t
x
+ty。t
x
、ty、t0分别为u
x
，uy和u0对应的理想作用时间。和分别是id和iq的参考值。
[0015]
步骤四：根据上述涉及方程，联合求解出u
x
，uy和u0对应的理想作用时间，计算方程如下：
[0016]
且t
x
+ty+t0＝ts[0017]
其中，和分别表示k时刻的dq轴反馈电流与参考电流的误差。
[0018]
步骤五：根据u0的作用时间t0的范围，计算得到u
x
，uy和u0的实际作用时间d
x
，dy和d0，具体判定描述如下：(1)若t0是正值且不大于控制周期ts，则d0＝t0，且需进一步判定t
x
和ty的范围，即若t
x
或ty是负值，则对应的u
x
或uy不起作用；(2)若t0不在控制周期ts范围内，则d0＝0，同时考虑如果t
x
和ty均为正值，需进行过调制处理，反之t
x
或ty是负值，则只有对应的u
x
或uy起作用，且作用整个控制周期，即d
x
或dy等于控制周期ts。描述方程如下：
[0019][0020]
其中，
[0021]
步骤六：根据初始控制集中u
x
，uy和u0的矢量组合情况，合成一个期望电压矢量u
evv
，并计算对应的d轴和q轴的定子电压分量，所述方程组如下：
[0022][0023]
其中，和分别对应u
x
和uy的d轴分量，和分别对应u
x
和uy的q轴分量。u
d_evv
和u
q_evv
分别表示u
evv
的dq轴分量。
[0024]
步骤七：建立由最大电流误差组成的代价函数，用g来表示，并基于代价函数优化得到最优电压矢量组合。所述代价函数方程如下：
[0025][0026]
其中，t
on
＝d
x
+dy。表示控制周期内最大定子电流误差值，和分别表示控制周期内非整数时刻t
on
的定子电流预测值。
[0027]
步骤八：根据选择出来的最优电压矢量组合及其对应的实际作用时间，按照控制周期的比例转换为pwm三相占空比，所述方程如下：
[0028][0029]
其中，t
pwm1
、t
pwm2
和t
pwm3
分别表示驱动逆变器的三相pwm的占空比时间。
[0030]
本发明提出的一种基于混合控制集的永磁同步电机模型预测电流控制方法，有益效果在于：在每个控制周期内，作用于逆变器的电压矢量不仅限于单一矢量或者两个矢量，
而是每个初始控制集对应不同扇区的电压矢量组合，从而拓展为包含多种电压矢量组合的混合控制集，并且基于最大电流误差的代价函数进行优化得到最优的电压矢量组合，有效地减少了永磁同步电机的dq轴电流脉动，进而有效提升了相电流的输出质量，对于系统具有良好的控制性能。
附图说明
[0031]
图1为本发明的永磁同步电机系统双闭环控制框图；
[0032]
图2为本发明的不同扇区对应的混合控制集示意图；
[0033]
图3为本发明的定子电流轨迹示意图；
[0034]
图4为传统单一矢量模型预测电流控制的仿真波形图；
[0035]
图5为本发明涉及模型预测电流控制方法的仿真波形图。
具体实施方式
[0036]
以下结合附图和经典三相永磁同步电机驱动系统为例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0037]
图1为本发明的永磁同步电机系统双闭环控制框图，其中虚线框内描述了本发明的主要实现过程，主要包括计算三个电压矢量的实际作用时间、合成期望电压矢量和优化代价函数及计算pwm占空比，其具体的实施步骤如下：
[0038]
首先，获取永磁同步电机的定子电阻、dq轴定子电感值、转子永磁体磁链值等标称参数，基于heun方法离散得到d-q坐标系下不同电压矢量作用时定子电流预测方程组，所描述的方程如下：
[0039][0040][0041]
其中，rs、ld、lq和ψf是永磁同步电机的电气常数，分别是定子电阻、d轴电感分量、q轴电感分量和转子永磁体磁链幅值。ts是控制周期，k是采样时刻数字，ωe是电角速度。id(k)和iq(k)分别是k时刻的d轴和q轴电流反馈值。ud(k)和uq(k)分别是k时刻d轴和q轴电压分量。i
dp
(k+1)和i
qp
(k+1)分别是d轴和q轴的电流预报值。id(k+1)和iq(k+1)分别是(k+1)时刻d轴和q轴的电流预测值。
[0042]
接着，选取每个扇区相邻的两个有效电压矢量u
x uy和一个零电压矢量u0作为初始控制集，每个扇区对应的初始控制集中有且仅有一种电压矢量组合，且六个初始控制集组成所涉及方法的混合控制集，如图2所示。在控制周期中，计算每个扇区的初始控制集对应的三个电压矢量单独作用时的电流斜率，所述计算方程如下：
[0043]
[0044]
其中，m
d0
、m
q0
、m
dx
、m
qx
、m
dy
、m
qy
分别表示u0和u
x
，uy作用下的dq轴电流斜率。e
d0
、e
q0
、e
dx
、e
qx
、e
dy
、e
qy
表示u0和u
x
，uy作用下的dq轴电流误差项，且和分别是u0作用时的dq轴电流分量。和分别是u
x
，uy作用时的k+1时刻dq轴电流分量，且x,y∈(1,2,...,6)。
[0045]
建立初始控制集中u
x u
y u0共同作用时的k+1时刻的定子电流预测方程组，利用无差拍控制的方式，使得k+1时刻的定子电流预测值与当前参考值保持一致，所述方程组如下：
[0046][0047]
其中，id(k)和iq(k)分别表示k时刻dq轴的电流分量。id(k+1)和iq(k+1)分别表示k+1时刻dq轴的电流分量。m
d_evv
和m
q_evv
表示期望合成的电压矢量的dq轴电流斜率。t
evv
表示期望合成的电压矢量的作用时间，且有t
evv
＝t
x
+ty。t
x
、ty、t0分别为u
x
，uy和u0对应的理想作用时间。和分别是id和iq的参考值。
[0048]
其次，根据上述涉及方程，联合求解出u
x
，uy和u0对应的理想作用时间，计算方程如下：
[0049]
且t
x
+ty+t0＝ts[0050]
其中，和分别表示k时刻的dq轴反馈电流与参考电流的误差。
[0051]
而后根据u0的作用时间t0的范围，计算得到u
x
，uy和u0的实际作用时间d
x
，dy和d0，具体判定描述如下：(1)若t0是正值且不大于控制周期ts，则d0＝t0，且需进一步判定t
x
和ty的范围，即若t
x
或ty是负值，则对应的u
x
或uy不起作用；(2)若t0不在控制周期ts范围内，则d0＝0，同时考虑如果t
x
和ty均为正值，需进行过调制处理，反之t
x
或ty是负值，则只有对应的u
x
或uy起作用，且作用整个控制周期，即d
x
或dy等于控制周期ts。描述方程如下：
[0052][0053]
其中，
[0054]
并且，根据初始控制集中u
x u
y u0的矢量组合情况，合成一个期望电压矢量u
evv
，如
图2所示，其中下标数字表示每个初始控制集对应的期望电压矢量，并计算对应的d轴和q轴的定子电压分量，所述方程组如下：
[0055][0056]
其中，和分别对应u
x
和uy的d轴分量，和分别对应u
x
和uy的q轴分量。u
d_evv
和u
q_evv
分别表示u
evv
的dq轴分量。
[0057]
图3为系统输出的定子电流在控制周期内的轨迹示意图，不同基本电压矢量(以u1和u2为例)对应的电流轨迹(和)和期望电压矢量(u
evv
)对应的电流轨迹与k+1时刻对应的预测电流轨迹的交叉点即为本发明涉及模型预测电流控制方法的最大预测电流误差。
[0058]
接着建立由最大电流误差组成的代价函数，用g来表示，并基于代价函数优化得到最优电压矢量组合。所述代价函数方程如下：
[0059][0060]
其中，t
on
＝d
x
+dy。表示控制周期内最大定子电流误差值，和分别表示控制周期内非整数时刻t
on
的定子电流预测值。
[0061]
最后根据选择出来的最优电压矢量组合及其对应的实际作用时间，按照控制周期的比例转换为pwm三相占空比，作用至逆变器中，所述方程如下：
[0062][0063]
其中，t
pwm1
、t
pwm2
和t
pwm3
分别表示驱动逆变器的三相pwm的占空比时间。
[0064]
图4和图5分别为基于matlab/simulink软件仿真得到的传统单一控制集模型预测电流控制和本发明涉及的模型预测电流控制方法的仿真波形，其中观测和计算的物理量包括电机转速、输出转矩、定子磁链幅值、dq轴定子电流以及转速为300rpm时的a相电流的总谐波系数thd。可以看出，相对于传统单一矢量模型预测电流控制方法，本发明涉及的模型预测电流控制方法能够得到更低的转矩脉动和dq轴电流脉动，且更理想的相电流质量，因此能够有效地提升系统的稳态性能。
[0065]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，使得本领域技术人员能够理解或实现本发明，但显而易见，所描述的实施技术方案仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

技术特征：
1.一种基于混合控制集的永磁同步电机模型预测电流控制方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤一，获取永磁同步电机的标称参数，建立永磁同步电机在d-q坐标系下的定子电压方程组，通过heun方法离散后，进而得到d-q坐标系下不同电压矢量作用时定子电流预测方程组；步骤二，选取每个扇区相邻的两个有效电压矢量和一个零电压矢量作为初始控制集，在一个控制周期中计算三个电压矢量单独作用时对应的电流斜率；步骤三，建立初始控制集的三个电压矢量共同作用时的k+1时刻的定子电流预测方程组，结合无差拍控制的思想使得k+1时刻的定子电流预测值与当前参考值保持一致，进一步求解三个电压矢量的理想作用时间t
x
，t
y
，t0；步骤四，根据零电压矢量的作用时间t0的范围，计算得到初始控制集的三个电压矢量的实际作用时间d
x
，d
y
，d0，具体判定描述如下：若t0是正值且不大于控制周期，则d0＝t0，且需进一步判定t
x
和t
y
的范围，即若t
x
或t
y
是负值，则对应的有效电压矢量不起作用；若t0不在控制周期范围内，则d0＝0，同时考虑如果t
x
和t
y
均为正值，需进行过调制处理，反之t
x
或t
y
是负值，则只有对应的有效电压矢量起作用；步骤五，合成期望电压矢量，并计算对应的d轴和q轴的定子电压分量；步骤六，基于预测方程组，计算控制周期内非整数时刻的定子电流预测值，构建由最大电流误差组成的代价函数，优化得到最优电压矢量组合；步骤七，根据选择出来的最优电压矢量组合及其对应的实际作用时间，按照控制周期的比例转换为pwm三相占空比，作用至逆变器中。2.根据权利要求1所述一种基于混合控制集的永磁同步电机模型预测电流控制方法，其特征在于，获取永磁同步电机的标称参数，基于heun方法离散得到d-q坐标系下不同电压矢量作用时定子电流预测方程组，所描述的方程如下：矢量作用时定子电流预测方程组，所描述的方程如下：其中，r
s
、l
d
、l
q
和ψ
f
是永磁同步电机的电气常数，分别是定子电阻、d轴电感分量、q轴电感分量和转子永磁体磁链幅值，t
s
是控制周期，k是采样时刻数字，ω
e
是电角速度，i
d
(k)和i
q
(k)分别是k时刻的d轴和q轴电流反馈值，u
d
(k)和u
q
(k)分别是k时刻d轴和q轴电压分量，i
dp
(k+1)和i
qp
(k+1)分别是d轴和q轴的电流预报值，i
d
(k+1)和i
q
(k+1)分别是(k+1)时刻d轴和q轴的电流预测值。3.根据权利要求2所述一种基于混合控制集的永磁同步电机模型预测电流控制方法，其特征在于，首先选取每个扇区相邻的两个有效电压矢量u
x u
y
和一个零电压矢量u0作为初始控制集，每个扇区对应的初始控制集中有且仅有一种电压矢量组合，且六个初始控制集组成所涉及方法的混合控制集，在控制周期中，计算每个扇区的初始控制集对应的三个电压矢量单独作用时的电流斜率，所述计算方程如下：
其中，m
d0
、m
q0
、m
dx
、m
qx
、m
dy
、m
qy
分别表示u0和u
x
，u
y
作用下的dq轴电流斜率，e
d0
、e
q0
、e
dx
、e
qx
、e
dy
、e
qy
表示u0和u
x
，u
y
作用下的dq轴电流误差项，且和分别是u0作用时的dq轴电流分量，和分别是u
x
，u
y
作用时的dq轴电流分量，且x,y∈(1,2,...,6)。4.根据权利要求3所述一种基于混合控制集的永磁同步电机模型预测电流控制方法，其特征在于，在当前控制周期建立初始控制集中u
x u
y u0共同作用时的k+1时刻的定子电流预测方程组，利用无差拍控制的方式，使得k+1时刻的定子电流预测值与当前参考值保持一致，所述方程组如下：其中，i
d
(k)和i
q
(k)分别表示k时刻dq轴的电流分量，i
d
(k+1)和i
q
(k+1)分别表示k+1时刻dq轴的电流分量，m
d_evv
和m
q_evv
表示期望合成的电压矢量的dq轴电流斜率，t
evv
表示期望合成的电压矢量的作用时间，且有t
evv
＝t
x
+t
y
，t
x
、t
y
、t0分别为u
x
，u
y
和u0对应的理想作用时间，和分别是dq轴参考电流值。5.根据权利要求4所述一种基于混合控制集的永磁同步电机模型预测电流控制方法，其特征在于，根据上述涉及方程，联合求解出u
x
，u
y
和u0对应的理想作用时间，计算方程如下：且t
x
+t
y
+t0＝t
s
其中，和分别表示k时刻的dq轴反馈电流与参考电流的误差。6.根据权利要求3所述一种基于混合控制集的永磁同步电机模型预测电流控制方法，其特征在于，根据u0的作用时间t0的范围，计算得到u
x
，u
y
和u0的实际作用时间d
x
，d
y
和d0，具体判定描述如下：(1)若t0是正值且不大于控制周期t
s
，则d0＝t0，且需进一步判定t
x
和t
y
的范围，即若t
x
或t
y
是负值，则对应的u
x
或u
y
不起作用；(2)若t0不在控制周期t
s
范围内，则d0＝0，同时考虑如果t
x
和t
y
均为正值，需进行过调制处理，反之t
x
或t
y
是负值，则只有对应的u
x
或u
y
起作用，且作用整个控制周期，即d
x
或d
y
等于控制周期t
s
，描述方程如下：
其中，over-modulation:and7.根据权利要求3所述一种基于混合控制集的永磁同步电机模型预测电流控制方法，其特征在于，根据初始控制集中u
x u
y u0的矢量组合情况，合成一个期望电压矢量u
evv
，并计算对应的d轴和q轴的定子电压分量，所述方程组如下：其中，和分别对应u
x
和u
y
的d轴分量，和分别对应u
x
和u
y
的q轴分量u
d_evv
和u
q_evv
分别表示u
evv
的dq轴分量。8.根据权利要求2所述一种基于混合控制集的永磁同步电机模型预测电流控制方法，其特征在于，建立由最大电流误差组成的代价函数，用g来表示，并基于代价函数优化得到最优电压矢量组合，所述代价函数方程如下：其中，t
on
＝d
x
+d
y
，表示控制周期内最大定子电流误差值，和分别表示控制周期内非整数时刻t
on
的定子电流预测值。9.根据权利要求8所述一种基于混合控制集的永磁同步电机模型预测电流控制方法，其特征在于，根据选择出来的最优电压矢量组合及其对应的实际作用时间，按照控制周期的比例转换为pwm三相占空比，所述方程如下：其中，t
pwm1
、t
pwm2
和t
pwm3
分别表示驱动逆变器的三相pwm的占空比时间。

技术总结
本发明涉及一种基于混合控制集的永磁同步电机模型预测电流控制方法，所述方法主要包括以下步骤：基于Heun方法离散化的永磁同步电机数学模型；选取每个扇区相邻两个有效电压矢量和一个零电压矢量作为初始控制集，计算对应的定子电流斜率，基于无差拍控制求解对应的理想作用时间；根据不同的时间范围，得到不同的电压矢量组合及其实际作用时间；合成期望电压矢量，通过由最大电流误差组成的代价函数，优化得到最优作用电压矢量组合；进而计算PWM三相占空比，用于控制逆变器的开关状态。所述方法的混合控制集由多个初始控制集组成。本发明相比于传统基于单一控制集的模型预测电流控制方法，有效地减少了dq轴电流脉动，提高了相电流输出质量。电流输出质量。电流输出质量。


技术研发人员：毛耀 朱进聪 段倩文 包启亮
受保护的技术使用者：中国科学院光电技术研究所
技术研发日：2023.06.08
技术公布日：2023/8/14