一種改進的永磁同步電機模型預測控制算法
【專利摘要】本發明提出了一種改進的永磁同步電機模型預測算法，屬于計算、控制及登記表測試領域。該算法根據永磁同步電機的空間矢量圖，求解出永磁同步電機的期望電壓矢量角，并判定期望的電壓矢量所處扇區，從而確定在本次開關周期內MPC算法需要遍歷的開關狀態集合，而集合內開關狀態的數量也由原來的7種變為改進之后的3種。與傳統的MPC方法相比，本發明提出的方法可以顯著地減少算法的計算時間，從而縮短開關周期，而控制間隔的減小可使系統具有較好的動態響應特性和較小的紋波電流。
【專利說明】
-種改進的永磁同步電機模型預測控制算法
技術領域
[0001] 本發明提出了一種改進的永磁同步電機模型預測控制算法，屬于計算、控制及登 記表測試領域。
【背景技術】
[0002] 目前，在眾多永磁同步電機控制方法中，存在兩種高性能調速控制方法:磁場定向 控制(F0C)和直接轉矩控制(DTC)。
[0003] 模型預測控制(MPC)算法作為近些年興起的控制策略，同F0C相比，無需電流內環 及參數整定(其本質是用模型預測控制算法替代傳統的電流內環控制），直接產生逆變器驅 動信號而無需脈寬調制，易于處理系統約束或增加其他控制目標，具有結構簡單、動態響應 快和易于擴展等優點。
[0004] MPC與DTC相比有許多相似之處（均具有動態響應快、控制方法簡單且在一個開關 周期內只選擇一種開關狀態作為輸出等特點）。但二者在控制思想上存在不同，運也導致兩 種方法在電機控制效果上存在著優劣之分。簡單地說，DTC方法選擇開關狀態的原則是為了 消除期望轉矩與實際轉矩之間的誤差。MPC算法則是在計算周期內選擇使期望值與預測值 誤差最小的開關狀態，并且，該方法是在實際誤差產生之前應用預先確定的開關狀態，運使 得MPC方法在開關狀態選擇上更加準確有效。
[0005] 然而，傳統的MPC算法為了選出能使質量函數達到最小的開關狀態，需要對電力變 換器中所有可能的開關狀態進行評價。所W，在一般情況下，MPC算法與DTC和F0C方法相比， 計算量更大，計算時間更長。雖然對于Ξ相兩電平逆變器而言，用常規的電流預測控制方法 計算7種開關狀態的預測值并不是問題，但在一些特殊應用場合，如多電平變換器控制，多 約束條件和多目標控制、魯棒控制、無速度傳感器控制等，其增加的計算時間可能會導致開 關周期超過允許的采樣時間。即使不超過允許采樣時間，與經典的DTC和F0C相比，過長的開 關周期也會使MPC的控制效果下降。目前的研究給出了一種簡化的MPC算法，使原本需要評 價7種開關狀態的預測值降低為只要評價3種開關狀態，運使得MPC算法的計算時間顯著下 降，控制效果更優。但在運些研究中只介紹了在靜態負載條件下，如何計算期望電壓矢量 角，從而減少開光狀態的選擇，并未給出諸如電機等動態負載的期望電壓矢量角的計算方 法。
[0006] 由此可見，需要提出一種電機類動態負載期望電壓矢量角的計算方法，通過求出 電機的期望電壓矢量角，改進傳統的MPC算法，降低算法的計算量，使電機伺服系統的動態 響應更快、電流紋波更小。

【發明內容】

[0007] 本發明的內容是，根據永磁同步電機的空間矢量圖，求解出永磁同步電機的期望 電壓矢量角，并判定期望的電壓矢量所處扇區，從而確定在本次開關周期內MPC算法需要遍 歷的開關狀態集合，而集合內開關狀態的數量也由原來的7種變為改進之后的3種。與傳統 的MPC方法相比，本發明提出的方法可W顯著地減少算法的計算時間，從而縮短開關周期， 而控制間隔的減小可使系統具有較好的動態響應特性和較小的紋波電流。
[0008] 本發明采取的技術方案是：
[0009] 首先，通過電壓、電流傳感器W及增量式編碼器測量出當前時刻（用k表示)逆變器 直流母線側的電壓Ud。化）、永磁同步電機定子側電流Kk)(由id化)和iq化)組成）和永磁同 步電機轉子的電角度Θθ化)和電角速度We化）。
[0010] 然后，根據永磁同步電機空間矢量圖，求出期望的電壓矢量角:從圖中可W得到實 際的電壓矢量角方程9ν= 9β+δ+3?/2，其中功角δ = arctan(的/如），而在一個開關周期內，目e可 近似看成常量，即當前時刻測得的轉子電角度96化）。由于本發明采用的是!'^=0的控制方 案，再根據速度環反饋的期望交軸電流^可^得到當前時刻期望得到的直軸磁鏈和 交軸磁鏈|/4=每詩，從而求出當前時刻期望的功角64=arcfem如;修改上述的矢量角方程 白V二目e+S+Jl/2就得到了期望的電壓矢量角方程目vref =目e化)+δ*+3?/2。
[0011] 最后，根據求出的期望電壓矢量角9vref判定期望的電壓矢量所在扇區，將扇區邊 界的電壓矢量所對應的開關狀態(2種)和零矢量對應的開關狀態（1種)組成開關狀態集合， 再由永磁同步電機離散化方程得到與運些開關狀態相對應的電流預測值id化+l)、iq化+1)。 找出使質量函數各=|'.;-'''#+1)|葉;-'4(川)|最小的一對1<1化+1 )和1。化+1)及其對應的開關 狀態，那么，運個開關狀態就是系統在下一個開關周期化+1表示)所要應用的開關狀態。運 樣就完成了一個開關周期內的MPC算法。
[0012] 由此可見，利用本發明提出的永磁同步電機模型預測控制算法，使原本需要判定 的開關狀態數量從巧巾下降到巧巾，達到了減少計算時間、增強控制效果的目的。
[0013] 本發明的方法顯著地減少了算法的計算時間，系統的動態響應變快、紋波電流減 小。
【附圖說明】
[0014] 圖1是永磁同步電機模型預測控制框圖。
[0015] 圖2是永磁同步電機的空間矢量圖。
[0016] 圖3給出了改進的MPC算法開關狀態的選擇方式。
[0017]圖4是改進的MPC算法的流程圖。 具體實施方案
[0018] 下面結合說明書附圖和技術方案，對本發明具體實施方案作詳細說明。
[0019] 1.測量電壓、電流W及轉子的位置和速度并求出電流期望值
[0020] 如圖1是永磁同步電機模型預測控制框圖。從控制框圖可W知道算法需要測量的 量W及期望值。通過電壓傳感器可W得到逆變器直流母線側的電壓山。化）；由電流傳感器測 得永磁同步電機定子側Ξ相電流值ia化）、ib化）、ic化），經過PA服變換，可W得到旋轉坐標 系下的交、直軸電流值iq化)和id化）；再由電機上的增量式編碼器測得電機轉子的位置（電 角度)θβ化)和速度化角速度）《6化)。因為采用的是4=0的控制方案，所W直軸電流的期望 值這恒為0;而交軸電流的期望值是由速度反饋得到的(轉速誤差作用于控制器）。
[0021] 2.求出期望電壓矢量角
[0022] 圖2為忽略定子電阻壓降條件下的永磁同步電機空間矢量圖。其中0為功率因數 角，Φ為內功率因數角，δ為功角（或轉矩角），06為轉子電角度，ω e為電角速度，恥為永磁體 磁鏈。當忽略定子電阻時，定子磁鏈恥與定子上的電壓矢量Us相差V2。
[0023] 從圖中可W得到實際的電壓矢量角方程θν=θ6+δ+3?/2,其中功角5 = arctan(4q/ 恥），而在一個開關周期內，0e可近似看成常量，即當前時刻測得的轉子電角度06化）。由直、 交軸電流期望值i;和?可W得到當前時刻期望得到的直軸磁鏈和交軸磁鏈 從而求出當前時刻期望的功角S' = arctan把;JW為。修改上面的矢量角方程θν = 0e+S+Ji/2就得 到 了期望的電壓矢量角方程9vref=0e化)+δ^/2。
[0024] 3.根據期望電壓矢量角確定開關狀態集合
[0025] 傳統的模型預測控制算法是在每一個開關周期內，從全部的巧中開關狀態中，找出 使質量函數取得最小值的開關狀態。
[0026] 改進的模型預測控制算法:根據求出的期望電壓矢量角0vref判定期望的電壓矢量 所在扇區，將扇區邊界的電壓矢量所對應的開關狀態(2種)和零矢量對應的開關狀態α種） 組成開關狀態集合，如圖3所示。
[0027] 例如，當前的期望電壓矢量角處在1扇區，其相鄰的矢量是V4和V6,那么開關狀態集 合包括V4對應的開關狀態（100)、V6對應的開關狀態（110) W及零矢量對應的開關狀態 (000)。
[0028] 4.找出下一個開關周期所要應用的開關狀態
[0029] 根據永磁同步電機離散化方程（1)得到與運些開關狀態相對應的電流預測值id化 +1)、iq化+1)。
[0030]
(1)
[0031] 式中，
其中T是開關周 期，R是定子電阻，L是定子電感。ud化）、uq化)是由逆變器的輸出電壓經過PA服變換得到的， 而逆變器的輸出電壓正是由開關狀態和直流母線電壓Udc化)決定。所W，每一種開關狀態， 對應著一組電流預測值id化+l)、iq化+1)。找出使質量函數宙韋-,'d化+ l)| + |,';-,'q(川)|最小的 一組id化+1)和iq化+1)及其對應的開關狀態，那么，運個開關狀態就是系統在下一個開關周 期化+1表示)所要應用的開關狀態。運樣就完成了一個開關周期內的MPC算法。
【主權項】
1. 一種改進的永磁同步電機模型預測控制算法，其特征在于， (1) 測量電壓、電流、轉子位置和轉子速度，并求出電流期望值 通過電壓傳感器得到逆變器直流母線側的電壓UdC(k);由電流傳感器測得永磁同步電 機定子側三相電流值以1〇4(1〇丄(1〇，經過?4服變換，得到旋轉坐標系下的交、直軸電流 值iq(k)和id(k);再由電機上的增量式編碼器測得電機轉子的位置（電角度）0 e(k)和速度 (電角速度）《e(k); 采用的是/〗=〇,直軸電流的期望值4恒為〇;而交軸電流的期望值 < 是由速度反饋得到 的，轉速誤差作用于控制器； (2) 求出期望的電壓矢量角方程 電壓矢量角方程為θν= θ^+δ+π/^，其中功角5 = arctan(ilv^d)，而在一個開關周期內， 看成常量，即當前時刻測得的轉子電角度ejk); 由直、交軸電流期望值^和< 得到當前時刻期望得到的直軸磁鏈&和交軸磁鏈 < 從而求出當前時刻期望的功角/ =arctan(</i//〗）；修改上面的矢量角方程0v = 0e+5+ V2就得到了期望的電壓矢量角方程0vref = 0e(k)+S%V2; 其中P為功率因數角，Φ為內功率因數角，δ為功角或轉矩角，為轉子電角度，coe為電 角速度，Φ?為永磁體磁鏈;當忽略定子電阻時，定子磁鏈也與定子上的電壓矢量us相差π/2; (3) 根據期望電壓矢量角確定開關狀態集合 根據求出的期望電壓矢量角判定期望的電壓矢量所在扇區，將扇區邊界的電壓矢 量所對應的開關狀態(2種)和零矢量對應的開關狀態(1種)組成開關狀態集合(共3種）； (4) 找出下一個開關周期所要應用的開關狀態 根據永磁同步電機離散化方程（1)得到與這些開關狀態相對應的電流預測值id(k+l)、 iq(k+l)；式中，其中T是開關周期，R是 定子電阻，L是定子電感;Ud(k)、Uq(k)是由逆變器的輸出電壓經過PARK變換得到的，而逆變 器的輸出電壓正是由開關狀態和直流母線電壓Udc(k)決定； 每一種開關狀態，對應著一組電流預測值1<1(1^1)、"（1^1);找出使質量函數 + + Q _/q(* + 1)最小的一組id(k+l)和iq(k+l)及其對應的開關狀態，這個開關狀 態就是系統在下一個開關周期(k+Ι表示)所要應用的開關狀態。
【文檔編號】H02P21/14GK105871281SQ201610131050
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月7日
【發明人】高逍男, 陳希有
【申請人】大連理工大學