一种双三相永磁同步电机模型预测转矩控制方法与流程

1.本发明涉及电机控制的技术领域，尤其涉及一种双三相永磁同步电机模型预测转矩控制方法。


背景技术：

2.随着电力电子技术、微控制器技术和电机控制理论的发展，以及工业应用场合的需求，多相电机及驱动系统以其低压大功率输出、高可靠性、低转矩脉动的特点吸引了越来越多的学者研究。其中，双三相永磁同步电机驱动系统是当前研究热点之一。同时，模型预测转矩控制技术具有结构简单、响应速度快、灵活度高的特点而到人们广泛关注。
3.模型预测转矩控制(model predictive torque control，mptc)是一种通过衡量不同的电压矢量对电机状态产生的影响，筛选出下一时刻最优的工作电压矢量的控制策略。相比于矢量控制，mptc取代了传统的pi控制器和脉宽调制器，避免了控制器参数整定和复杂计算的问题，并且具有更快的转矩响应能力。mptc的研究广泛应用于三相电机。对于三相电机而言，mptc只需针对静止坐标系或者旋转坐标系下的电机离散数学模型，通过预测模型计算下一时刻的转矩和磁链，利用代价函数在线寻优得出最优电压矢量。而对于双三相永磁同步电机电机，根据矢量空间解耦理论，解耦变换后有三个不同的子平面，需要同时考虑两个子平面，即基波(αβ)子平面和谐波(z1z2)子平面(零序子平面为0)。然而，只有基波子平面负责产生转矩，谐波子平面不参与机电能量转换，但该平面很小的电阻和漏感能够造成很大的谐波电流。由于双三相永磁同步电机有60个有效的空间电压矢量，都作为备选矢量会显著增加计算负担，所以传统的模型预测转矩控制通常只选取最外层(l4)组的电压矢量，这样会导致z1z2子平面的电压不为0，从而产生谐波电流。同时，通过代价函数对空间电压矢量进行筛选，这个步骤也会增加计算量。


技术实现要素：

4.本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
5.鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。
6.因此，本发明提供了一种双三相永磁同步电机模型预测转矩控制方法，能够解决现有的双三相永磁同步电机模型预测转矩控制中存在计算量较大、谐波电流大的问题。
7.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：包括，根据双三相永磁同步电机模型和前项欧拉法预测k 1时刻的磁链和电流，通过所述磁链和电流控制dq轴电压，并将其转换至αβ坐标系下，计算期望电压矢量的电角度；根据矢量空间解耦原理将双三相永磁同步电机的六相电压分布到三个对应的αβ子平面中，分别为αβ、z1z2和o1o2子平面；通过伏秒平衡方程组对αβ子平面中同一方向上的l3、l4组空间电压矢量进行合成，得到z1z2子平面电压为0的虚拟电压矢量；利用所述虚拟电压矢量代替最外层的12个空间电压矢量，选取距离
期望电压矢量的电角度最近的虚拟电压矢量抑制谐波电流。
8.作为本发明所述的双三相永磁同步电机模型预测转矩控制方法的一种优选方案，其中：还包括，对于部分非标准脉冲序列的虚拟电压矢量，用两个与l3组空间电压矢量相邻的l4组空间电压矢量进行合成代替l3组空间电压矢量，从而将部分非标准脉冲序列的虚拟电压矢量变为标准开关序列。
9.作为本发明所述的双三相永磁同步电机模型预测转矩控制方法的一种优选方案，其中：预测k 1时刻的磁链和电流包括，双三相永磁同步电机在同步旋转坐标系下的数学模型为：
[0010][0011]
电机磁链方程如下：
[0012][0013]
根据所述双三相永磁同步电机模型和电机磁链方程，通过前向欧拉公式进行离散化，预测k 1时刻dq轴下的磁链ψd(k 1)、ψq(k 1)和电流id(k 1)、iq(k 1)：
[0014][0015][0016]
其中，id、iq、ud、uq、ψd、ψq分别为dq轴电流、电压和磁链，ωe为转子电角速度，rs为电机的定子电阻；l为定子电感，id(k)、iq(k)、ψd(k)和ψq(k)分别为k时刻的dq轴电流和磁链，ψ
fd
为永磁体磁链；ts为采样周期。
[0017]
作为本发明所述的双三相永磁同步电机模型预测转矩控制方法的一种优选方案，其中：控制dq轴电压包括，对k 1时刻dq轴下的磁链ψd(k 1)、ψq(k 1)采用忽略电阻项和解耦交叉耦合项的近似策略，可得：
[0018][0019]
第k 1时刻定子磁链幅值可表达为：
[0020][0021]
从而得到dq轴电压ud(k)、uq(k)：
[0022][0023][0024][0025][0026]
其中，pn为极对数，δte(k)为k 1时刻和k时刻转矩的差值。
[0027]
作为本发明所述的双三相永磁同步电机模型预测转矩控制方法的一种优选方案，其中：还包括，αβ和z1z2子平面的空间电压矢量定义如下：
[0028][0029][0030]
根据上式可以在αβ和z1z2子平面得到60个有效电压矢量和4个零矢量，60个有效电压矢量根据空间电压矢量幅值可以划分成l1、l2、l3、l4组；
[0031]
其中，si(i＝a、b、c、x、y、z)表示逆变器的开关状态；si＝0表示该桥臂关断、si＝1表示该桥臂导通；u
dc
表示直流母线电压，v
αβ
表示αβ子平面的空间电压矢量、v
z1z2
表示z1z2子平面的空间电压矢量，e
jθ
(θ＝30
°
、120
°
、150
°
、240
°
、270
°
)为旋转因子，θ为旋转角度。
[0032]
作为本发明所述的双三相永磁同步电机模型预测转矩控制方法的一种优选方案，其中：空间电压矢量幅值包括，l1组的αβ子平面矢量幅值
[0033][0034]
l1组的z1z2子平面矢量幅值
[0035][0036]
l2组的αβ子平面矢量幅值
[0037][0038]
l2组的z1z2子平面矢量幅值
[0039][0040]
l3组的αβ子平面矢量幅值
[0041][0042]
l3组的z1z2子平面矢量幅值
[0043][0044]
l4组的αβ子平面矢量幅值
[0045][0046]
l4组的z1z2子平面矢量幅值
[0047][0048]
作为本发明所述的双三相永磁同步电机模型预测转矩控制方法的一种优选方案，其中：期望电压矢量的电角度包括，
[0049][0050][0051]
其中，u
ref
为αβ坐标系下的参考电压，u
α
(k)、u
β
(k)为k时刻αβ轴的电压，θ为转子位置角，θ
ref
为参考的转子位置角，即期望电压矢量的电角度。
[0052]
作为本发明所述的双三相永磁同步电机模型预测转矩控制方法的一种优选方案，其中：还包括，当选取l3、l4组空间电压矢量进行合成时，应满足如下伏秒平衡方程组：
[0053]
[0054]
由此可以计算得到l3和l4组空间电压矢量的作用时间t3、t4：
[0055][0056]
根据所述作用时间t3、t4计算得到虚拟电压矢量幅值|v
′
|：
[0057][0058]
作为本发明所述的双三相永磁同步电机模型预测转矩控制方法的一种优选方案，其中：还包括，用两个与l3组空间电压矢量相邻的l4组空间电压矢量进行合成代替l3组空间电压矢量，矢量合成后一个采样周期内作用的l4组的三个电压矢量的作用时间为：
[0059][0060]
由此可以计算得到的作用时间：
[0061][0062]
其中，t
′3和t
′4分别表示替换后的两个l4组矢量和原l4组矢量的作用时间。
[0063]
本发明的有益效果：本发明能够降低计算量，改善传统l4组电压矢量选取导致的谐波电流较大的问题，同时将所生成的开关调整为左右对称的形式，优化了控制系统的性能；实现简单，可靠性高，适用于电机自由运行的条件下，能够广泛的用于双三相永磁同步电机的实际控制中。
附图说明
[0064]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
[0065]
图1为本发明第一个实施例所述的双三相永磁同步电机模型预测转矩控制方法的空间电压矢量在两个子平面的分布示意图；
[0066]
图2为本发明第一个实施例所述的双三相永磁同步电机模型预测转矩控制方法的s1和s2扇区的合成虚拟电压矢量开关图；
[0067]
图3为本发明第一个实施例所述的双三相永磁同步电机模型预测转矩控制方法的结合无差拍直接转矩控制、虚拟电压矢量和占空比优化的原理框图；
[0068]
图4为本发明第二个实施例所述的双三相永磁同步电机模型预测转矩控制方法的s2扇区两矢量合成原理图；
[0069]
图5为本发明第二个实施例所述的双三相永磁同步电机模型预测转矩控制方法的改进后的s2扇区的合成虚拟电压矢量开关图。
具体实施方式
[0070]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都应当属于本发明的保护的范围。
[0071]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0072]
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
[0073]
本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
[0074]
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0075]
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0076]
实施例1
[0077]
参照图1～3，为本发明的第一个实施例，该实施例提供了一种双三相永磁同步电机模型预测转矩控制方法，包括：
[0078]
s1：根据双三相永磁同步电机模型和前项欧拉法预测k 1时刻的磁链和电流，通过磁链和电流控制dq轴电压，并将其转换至αβ坐标系下，计算期望电压矢量的电角度。
[0079]
(1)预测k 1时刻的磁链和电流
[0080]
双三相永磁同步电机在同步旋转坐标系下的数学模型为：
[0081][0082]
其中，id、iq、ud、uq、ψd、ψq分别为dq轴电流、电压和磁链，ωe为转子电角速度，rs为电机的定子电阻。
[0083]
由上式可进一步得到磁链微分表达式
[0084][0085]
其中，和分别为dq轴磁链的一阶微分，本实施例采用的是表贴式永磁同步电机，有ld＝lq＝l，其中ld、lq、l分别为d轴、q轴和定子电感；电机磁链方程可表示如下：
[0086][0087]
从而可得电流微分方程表达式：
[0088][0089]
其中，和分别为dq轴电流的一阶微分。
[0090]
根据双三相永磁同步电机模型和电机磁链方程，通过前向欧拉公式进行离散化，预测k 1时刻dq轴下的磁链ψd(k 1)、ψq(k 1)和电流id(k 1)、iq(k 1)：
[0091][0092][0093]
其中，id(k)、iq(k)、ψd(k)和ψq(k)分别为k时刻的dq轴电流和磁链，ψ
fd
为永磁体磁链；ts为采样周期。
[0094]
(2)控制dq轴电压
[0095]
根据无差拍控制技术将当前时刻的预测值设置为下一时刻的给定值：
[0096][0097]
电机的转矩微分方程为：
[0098][0099]
其中，pn为极对数，为转矩的一阶微分，通过前向欧拉公式进行离散化，整理可
得：
[0100]
uq(k)ts＝b
[0101]
其中，
[0102][0103]
对k 1时刻dq轴下的磁链ψd(k 1)、ψq(k 1)采用忽略电阻项和解耦交叉耦合项的近似策略，可得：
[0104][0105]
第k 1时刻定子磁链幅值可表达为：
[0106][0107]
从而得到dq轴电压ud(k)、uq(k)：
[0108][0109][0110][0111]
其中，δte(k)为k 1时刻和k时刻转矩的差值；受直流母线电压的限制，uq(k)计算结果需要丢弃幅值较大的解，另一个即为最优解。
[0112]
(3)计算期望电压矢量的电角度
[0113]
为得到期望电压矢量的位置信息，以此来判断扇区，需要将其转换至αβ坐标系下，通过数学求解得到期望电压矢量的电角度：
[0114][0115][0116]
其中，u
ref
为αβ坐标系下的参考电压，u
α
(k)、u
β
(k)为k时刻αβ轴的电压，θ为转子位置角，θ
ref
为参考的转子位置角，即期望电压矢量的电角度。
[0117]
较佳的是，本实施例使用无差拍直接转矩磁链控制(deadbeat direct torque and flux control，db-dtfc)方法，根据微分后的转矩方程得到转矩与磁链的关系式，从而间接得到转矩和磁链与dq轴电压的关系，将其转换至αβ坐标系下，通过数学求解得到期望
电压矢量的电角度，从而得到期望电压矢量的位置信息，以此来判断扇区，不需要使用代价函数，减小计算量。
[0118]
s2：根据矢量空间解耦原理将双三相永磁同步电机的六相电压分布到三个对应的αβ子平面中，分别为αβ、z1z2和o1o2子平面。
[0119]
图1是空间电压矢量在两个子平面的分布图，图中左边的子平面为基波(αβ)子平面，右边的子平面为谐波(z1z2)子平面。
[0120]
αβ和z1z2子平面的空间电压矢量定义如下：
[0121][0122][0123]
根据上式可以在αβ和z1z2子平面得到60个有效电压矢量和4个零矢量，60个有效电压矢量根据空间电压矢量幅值可以划分成l1、l2、l3、l4组；
[0124]
其中，si(i＝a、b、c、x、y、z)表示逆变器的开关状态；si＝0表示该桥臂关断、si＝1表示该桥臂导通；u
dc
表示直流母线电压，v
αβ
表示αβ子平面的空间电压矢量、v
z1z2
表示z1z2子平面的空间电压矢量，e
jθ
(θ＝30
°
、120
°
、150
°
、240
°
、270
°
)为旋转因子，θ为旋转角度。
[0125]
四组空间电压矢量幅值分别为：
[0126]
l1组的αβ子平面矢量幅值
[0127][0128]
l1组的z1z2子平面矢量幅值
[0129][0130]
l2组的αβ子平面矢量幅值
[0131][0132]
l2组的z1z2子平面矢量幅值
[0133][0134]
l3组的αβ子平面矢量幅值
[0135]
[0136]
l3组的z1z2子平面矢量幅值
[0137][0138]
l4组的αβ子平面矢量幅值
[0139][0140]
l4组的z1z2子平面矢量幅值
[0141][0142]
s3：通过伏秒平衡方程组对αβ子平面中同一方向上的l3、l4组空间电压矢量进行合成，得到z1z2子平面电压为0的虚拟电压矢量。
[0143]
当选取l3、l4组空间电压矢量进行合成时，应满足如下伏秒平衡方程组：
[0144][0145]
由此可以计算得到l3和l4组空间电压矢量的作用时间t3、t4：
[0146][0147]
根据作用时间t3、t4计算得到虚拟电压矢量幅值|v
′
|：
[0148][0149]
在αβ子平面中可以得到12个合成的虚拟电压矢量，方向与对应的l4组空间电压矢量一致，幅值为0.597u
dc
；而在z1z2子平面中幅值为0。
[0150]
图2是s1和s2扇区的合成虚拟电压矢量开关图，可以看到，在s2扇区中，合成电压矢量的开关序列会产生中间电平为低的非标准开关序列；因此，需要对其进行开关序列优化，将其转换为标准开关序列；根据两矢量合成法，将αβ子平面的问题矢量(l3组空间电压矢量)用两个与l3组相邻的l4组空间电压矢量合成来代替，从而将部分非标准脉冲序列的虚拟电压矢量变为标准开关序列；矢量合成后一个采样周期内作用的l4组的三个电压矢量的作用时间为：
[0151][0152]
由此可以计算得到的作用时间：
[0153][0154]
其中，t
′3和t
′4分别表示替换后的两个l4组矢量和原l4组矢量的作用时间。
[0155]
参照图3，图3是结合无差拍直接转矩控制、虚拟电压矢量和占空比优化的原理框图。其中分别是转矩、基波子平面磁链的参考值；分别是αβ轴电压、转子位置角的参考值；u
opt
是所选择的虚拟电压矢量(需要和零矢量结合得到最终的电压矢量)；分别是k时刻和k 1时刻的dq轴电流；s
opt
是占空比优化后输出的驱动控制信号。
[0156]
较佳的是，如图3，本实施例结合了预测模型和无差拍直接转矩控制来准确预测下一时刻电压的位置和大小，不需要代价函数作为约束条件，从而减小计算量；电压矢量合成根据谐波子平面合成电压矢量为零合成一组虚拟电压矢量，达到降低谐波电流的目的。
[0157]
s4：利用虚拟电压矢量代替最外层的12个空间电压矢量，选取距离期望电压矢量的电角度最近的虚拟电压矢量抑制谐波电流。
[0158]
计算得到优化后的αβ子平面中合成虚拟电压矢量幅值大小与优化前相同：
[0159][0160]
实施例2
[0161]
对本方法中采用的技术效果加以验证说明，本实施例选择传统的mptc方法和采用本方法进行对比测试，以科学论证的手段对比试验结果，以验证本方法所具有的真实效果。
[0162]
为验证本方法相对传统的mptc方法能够降低计算量和减小谐波电流，本实施例中将采用传统的mptc方法和本方法分别对计算量和谐波子平面电流进行实时测量对比，结果如下表所示。
[0163]
表1：性能对比。
[0164][0165]
图4是s2扇区两矢量合成过程图，图4中左图为第二扇区两矢量在αβ子平面的合成过程图，在αβ子平面中，将两个与l4组电压矢量v
64
矢量相邻的矢量v
66
和v
44
来代替矢量v
46
，用新的三个l4组电压矢量来合成虚拟电压矢量从而优化开关序列；右图为两矢量在αβ子平面的合成过程图；通过改变t3和t4的时间可将该平面的电压分量变成零，达到和原先虚拟电压矢量一致的目的。
[0166]
图5为经本方法获得的s2扇区的合成虚拟电压矢量开关图。
[0167]
由表1和图5可见，本方法能够降低计算量，且谐波电流较小。
[0168]
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳
实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。