一种六相永磁同步电机的占空比补偿控制方法

本技术属于六相永磁同步电机电流控制领域，更具体地，涉及一种六相永磁同步电机的占空比补偿控制方法。

背景技术：

1、多相电机驱动系统因每相功率定额低、转矩脉动小、容错能力强，正逐步替代传统三相系统，广泛应用于电动汽车牵引、船舶电力推进、多电飞机等安全关键场合。其中，六相或双三相永磁同步电机(pmsm)采用两套空间互差30°电角度、中性点相互隔离的三相定子绕组，由一台六相两电平电压源型逆变器(vsi)供电，兼具高功率密度与固有容错能力，是多相驱动的主流拓扑。

2、六相pmsm的数学建模通常采用空间矢量分解(vsd)方法，将六维定子变量变换到三个相互正交的子空间：产生转矩与磁链的α-β基波子空间、仅含谐波分量的x-y子空间、以及零序o1-o2子空间。x-y子空间电流不产生电磁转矩，仅产生附加铜耗，且由于x-y回路漏感极小、阻抗以定子电阻为主，很小的x-y电压就会激起很大的谐波电流，因此x-y谐波电流的抑制是六相电机控制区别于三相电机的核心问题。

3、六相两电平逆变器共可输出26= 64个开关状态，对应着64个真实电压矢量。有限控制集模型预测电流控制(fcs-mpcc)直接利用逆变器开关状态的离散特性：每个采样周期对候选电压矢量逐一预测下一拍电流，以代价函数评估并选出最优矢量，直接输出开关信号。为抑制x-y谐波电流，现有技术中提出了基于虚拟电压矢量的模型预测电流控制方案，该方案利用六相逆变器电压矢量的分布规律，挑选在α-β平面方向相同、在x-y平面方向相反的两个或多个真实电压矢量组成矢量组，按x-y平面伏秒平衡原则分配组内各矢量在一个周期内的作用时间，合成出x-y平均电压为零的虚拟电压矢量，在此基础上，进一步引入占空比优化环节，在选出最优虚拟电压矢量之后，基于电流无差拍思想计算占空比，使所选矢量在一个采样周期内只作用部分时间，剩余时间施加零矢量。然而，占空比的无差拍计算表达式中显式含有定子电阻参数，而定子绕组电阻随绕组温升与老化在运行中会发生显著漂移，电阻失配使无差拍条件失效，导致占空比计算失真、电流跟踪出现静差。

4、因此，如何克服定子电阻失配对占空比计算精度的影响，实现占空比的在线自校正，使电流控制在电阻参数大范围漂移下仍能保持无静差跟踪，是当前亟需解决的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本技术的目的在于提供一种六相永磁同步电机的占空比补偿控制方法，能实现占空比的在线自校正，使电流控制在电阻参数大范围漂移下仍能保持无静差跟踪。

2、为实现上述目的，第一方面，本技术提供了一种六相永磁同步电机的占空比补偿控制方法，包括如下步骤：

3、s10，获取六相永磁同步电机的当前运行状态信息，所述运行状态信息至少包括旋转坐标系下的d轴电流和q轴电流；

4、s20，根据d轴电流参考值和q轴电流参考值确定参考电压，从预先构建的虚拟电压矢量候选集中选取使代价函数值最小的虚拟电压矢量作为最优虚拟电压矢量，并获取该最优虚拟电压矢量对应的q轴电压分量；其中，所述虚拟电压矢量候选集中的每个虚拟电压矢量的x-y平面的电压分量净值为零，所述代价函数仅包含d轴电流跟踪误差项和q轴电流跟踪误差项；

5、s30，根据所述q轴电流、所述q轴电压分量以及零电压矢量单独作用时的q轴电流变化参数，基于无差拍控制原则计算初始占空比，所述初始占空比表示所述最优虚拟电压矢量在一个采样周期内的作用时间占该采样周期的比例；

6、s40，基于定子绕组电阻标称值进行电流预测以获得电流预测误差，利用所述电流预测误差通过观测器估计定子绕组电阻的偏差值，根据所述偏差值与占空比对定子绕组电阻的灵敏度系数的乘积确定占空比补偿量，将所述占空比补偿量叠加至所述初始占空比以得到补偿后的占空比，并对所述补偿后的占空比进行限幅处理；

7、s50，根据限幅处理后的占空比，在一个采样周期内分配零电压矢量和所述最优虚拟电压矢量各自的作用时间，生成驱动六相两电平逆变器的开关信号，所述六相两电平逆变器为所述六相永磁同步电机供电。

8、作为进一步优选的，步骤s20中，所述虚拟电压矢量候选集通过如下方式预先构建：

9、选取六相两电平逆变器在α-β平面同向的中大电压矢量与大电压矢量构成电压矢量对，所述中大电压矢量与所述大电压矢量在x-y平面方向相反，按x-y平面伏秒平衡原则分配所述中大电压矢量和所述大电压矢量在一个采样周期内的作用时间，使合成后的虚拟电压矢量在x-y平面的电压分量净值为零；所述虚拟电压矢量候选集包括12个方向互差30°的虚拟电压矢量；

10、所述中大电压矢量在x-y子空间的电压分量幅值，所述大电压矢量在x-y子空间的电压分量幅值，其中为直流母线电压；

11、所述中大电压矢量在一个采样周期内的作用时间与所述大电压矢量在一个采样周期内的作用时间满足如下关系：

12、

13、式中，，，为采样周期。

14、作为进一步优选的，步骤s20中，所述从预先构建的虚拟电压矢量候选集中选取使代价函数值最小的虚拟电压矢量作为最优虚拟电压矢量，具体为：将所述虚拟电压矢量候选集中的各虚拟电压矢量分别代入电流预测模型，得到对应的下一采样时刻的d轴电流预测值和q轴电流预测值，再按下式计算各虚拟电压矢量对应的代价函数：

15、

16、式中，为d轴电流参考值，为q轴电流参考值；

17、选取使取值最小的虚拟电压矢量作为最优虚拟电压矢量。

18、作为进一步优选的，步骤s30中，所述零电压矢量单独作用时的q轴电流变化斜率通过如下公式计算：

19、

20、式中，为定子绕组电阻，为当前采样时刻的q轴电流，为转子电角速度，为d轴电感，为当前采样时刻的d轴电流，为永磁体磁链，为q轴电感。

21、作为进一步优选的，步骤s30中，所述初始占空比通过如下公式计算：

22、

23、其中，为最优虚拟电压矢量作用期间q轴电流的变化斜率，计算公式为：

24、

25、式中，为所述最优虚拟电压矢量对应的q轴电压分量。

26、作为进一步优选的，步骤s40中，所述基于定子绕组电阻标称值进行电流预测以获得电流预测误差，包括：以定子绕组电阻标称值建立电流预测模型，将所述电流预测模型输出的d轴电流估计值和q轴电流估计值分别与实测的d轴电流和q轴电流进行比较，得到电流预测误差；

27、所述利用所述电流预测误差通过观测器估计定子绕组电阻的偏差值，包括：根据所述电流预测误差通过pi观测器在线估计定子绕组电阻偏差值，所述定子绕组电阻偏差值为实际电阻值与所述标称电阻值之差；

28、所述电流预测模型采用如下公式：

29、

30、

31、其中，为定子绕组电感，和分别为第

k采样时刻的d轴电压和q轴电压，和分别为第

k采样时刻的d轴反电动势估计值和q轴反电动势估计值；

32、所述电流预测误差采用如下公式：

33、

34、其中，

s表示d轴或q轴，为第

k采样时刻的d轴或q轴定子电流实测值，为第

k采样时刻的d轴或q轴定子电流预测值。

35、作为进一步优选的，所述pi观测器采用如下公式在线估计定子绕组电阻偏差值：

36、

37、式中，为比例增益，为积分增益。

38、作为进一步优选的，步骤s40中，所述占空比对定子绕组电阻的灵敏度系数通过如下方式确定：对初始占空比关于定子绕组电阻求偏导，得到：

39、

40、其中，为当前q轴电流，为所述最优虚拟电压矢量对应的q轴电压分量。

41、作为进一步优选的，步骤s40中，所述将所述占空比补偿量叠加至所述初始占空比以得到补偿后的占空比，具体采用如下公式：

42、

43、其中，为第

k采样时刻补偿后的占空比，为第

k采样时刻的初始占空比，为第

k采样时刻的定子绕组电阻偏差估计值；

44、所述限幅处理按照执行。

45、第二方面，本技术提供了一种六相永磁同步电机的占空比补偿控制系统，包括控制器，所述控制器用于执行如上述中任一项所述的方法。

46、本技术的有益效果如下：

47、（1）通过基于定子绕组电阻标称值进行电流预测以获得电流预测误差，利用该电流预测误差估计电阻偏差值，并根据偏差值与占空比对电阻的灵敏度系数的乘积确定补偿量以修正初始占空比，将参数失配到占空比失真的开环链条改造为闭环自校正，克服了电阻漂移导致无差拍条件失效的问题，使电流控制在电阻参数大范围漂移下仍能保持无静差跟踪；

48、（2）通过采用x-y平面电压分量净值为零的虚拟电压矢量作为候选集且代价函数仅包含d轴和q轴电流跟踪误差项，从激励源头消除了x-y谐波电压，免除了传统方法中依赖经验试凑的权重因子整定过程；

49、（3）候选虚拟电压矢量数量较传统64个真实电压矢量大幅减少，代价函数评估次数显著降低，有效减少了单周期执行时间，满足短采样周期下的实时控制要求；

50、（4）通过将占空比优化与虚拟电压矢量选择相融合，使输出电压在零矢量与所选虚拟电压矢量幅值之间连续可调，消除了固定矢量集的电压量化死区，降低了电流谐波与转矩脉动。