三相四開關逆變器驅動永磁同步電機的模型預測控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種三相四開關逆變器驅動永磁同步電機的模型預測控制方法?；凇靶D磁場不變”原則，以永磁同步電機定子磁鏈矢量為控制變量。首先采集直流側的兩個電容電壓，以構建開關狀態(tài)與基本電壓矢量關系；然后計算(k+1)時刻定子磁鏈矢量參考，再通過電壓矢量方程獲得定子磁鏈預測值，根據定子磁鏈矢量參考值和預測值設計價值函數；最后通過優(yōu)化價值函數獲得三相四開關逆變器最優(yōu)開關狀態(tài)，逆變器根據最優(yōu)開關狀態(tài)輸出最優(yōu)電壓驅動永磁同步電機。本發(fā)明中的價值函數不含權值計算，降低了因基本電壓矢量減少而對系統(tǒng)性能的干擾，可實現(xiàn)直流側中點電壓均壓控制。
【專利說明】
Ξ相四開關逆變器驅動永磁同步電機的模型預測控制方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于電機驅動及控制領域，特別設及一種Ξ相四開關逆變器驅動永磁同步 電機的模型預測控制方法。
【背景技術】
[0002] 傳統(tǒng)的Ξ相六開關逆變器作為功率變換裝置，是電機驅動（下文簡稱，電驅)系統(tǒng) 的重要組成部分。然而，功率開關器件是電驅系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，易發(fā)生故障，如驅動信號 錯誤或丟失、輔助電路失效、過壓或熱擊穿、器件損壞等。逆變器故障會導致電機輸出轉矩 脈動加劇，影響電機性能，嚴重時甚至會使電機喪失運行能力。經研究發(fā)現(xiàn)，在交流電機調 速系統(tǒng)中，逆變器故障率約占總故障的38%。因此，研究具有高可靠性的容錯型逆變器，對 于提高電驅系統(tǒng)的可靠性和容錯運行能力具有重要意義。
[0003] 國內外眾多學者對容錯型逆變器在電驅系統(tǒng)中的應用進行了深入研究，其中Ξ相 四開關逆變器因其結構簡單、成本低等優(yōu)點受到廣泛關注。Ξ相四開關逆變器的核屯、設計 思想為：當Ξ相六開關逆變器某一橋臂的功率開關器件發(fā)生故障后，隔離該故障橋臂，并將 其對應的電機繞組接到直流側中點，使電機仍處于Ξ相運行狀態(tài)。
[0004] Ξ相四開關容錯型逆變器電機驅動系統(tǒng)的控制方法主要有矢量控制和直接轉矩 控制。在運兩種控制策略中，由于Ξ相四開關逆變器輸出基本電壓矢量減少，滯環(huán)調制技術 產生的轉矩脈動將加劇。雖然空間矢量脈寬調制技術能有效降低轉矩脈動，但是其調制過 程較為復雜，而且雙閉環(huán)結構需要整定的ΡΙ參數較多，不利于工程實現(xiàn)。此外，Ξ相四開關 逆變器直流側中點電壓不平衡運一問題一直沒有得到有效解決。

【發(fā)明內容】

[0005] 發(fā)明目的：本發(fā)明針對現(xiàn)有技術存在的問題，提供了一種有效提高了電機驅動系 統(tǒng)可靠性和容錯運行能力的Ξ相四開關逆變器驅動永磁同步電機的模型預測控制方法。
[0006] 技術方案:本發(fā)明提供了一種Ξ相四開關逆變器驅動永磁同步電機的模型預測控 制方法，首先采集Ξ相四開關逆變器直流側電容電壓，構建逆變器開關狀態(tài)與基本電壓矢 量的對應關系；其次，通過參考轉矩和定子磁鏈矢量之間的關系構建定子磁鏈矢量參考模 型，利用定子磁鏈矢量參考模型獲取化+1)時刻定子磁鏈矢量參考值，根據電壓矢量和定子 磁鏈矢量之間的關系構建定子磁鏈矢量預測模型，利用定子磁鏈矢量預測模型獲取化+1) 刻定子磁鏈矢量預測值;然后，利用定子磁鏈矢量參考模型和預測模型構建價值函數，通過 價值函數尋找最優(yōu)基本電壓矢量;結合Ξ相四開關逆變器開關狀態(tài)與基本電壓矢量的對應 關系獲得最優(yōu)的Ξ相四開關逆變器開關狀態(tài)，Ξ相四開關逆變器根據最優(yōu)開關狀態(tài)輸出最 優(yōu)電壓驅動永磁同步電機;其中，價值函數的值最小的時候，價值函數所對應的基本電壓矢 量為最優(yōu)基本電壓矢量。
[0007] 進一步，所述參考轉矩的獲取方法為:根據公式這解+f)計算參考轉矩Te^其 中，6表示參考速度《^與實際反饋速度《的轉速差值，時和1(1分別為？1控制器的比例增益和 積分增益。
[000引進一步，所述定子磁鏈矢量參考模型中獲取化+1)時刻定子磁鏈矢量參考值恥^勺 方法為:根據公式I r;叫於fe鄧(/ X聯(lián))計算(k+1)時刻定子磁鏈矢量參考值恥*，其中，I恥I *表 示定子磁鏈幅值參考值，表示定子磁鏈位置角參考值。
[0009]進一步，所述定子磁鏈矢量預測模型中獲取化+1)刻定子磁鏈矢量預測值恥化+1) 的方法為:根據公式托化+1)=恥化)+13山-1?313化）]計算化+1；)亥1促子磁鏈矢量預測值托化 +1)，其中，恥化)表示k時刻定子磁鏈矢量預測值。
[0010] 進一步，所述價值函數為馬=1，/〇、(川}|。
[0011] 工作原理:本發(fā)明基于"旋轉磁場不變"原則，W永磁同步電機定子磁鏈矢量為直 接控制對象。首先采集直流側的兩個電容電壓，W構建開關狀態(tài)與基本電壓矢量關系;然后 計算化+1)時刻定子磁鏈矢量參考，再通過電壓矢量方程獲得定子磁鏈預測值，根據定子磁 鏈矢量參考值和預測值設計價值函數;最后通過優(yōu)化價值函數獲得Ξ相四開關逆變器最優(yōu) 開關狀態(tài)，逆變器根據最優(yōu)開關狀態(tài)輸出最優(yōu)電壓驅動永磁同步電機。最終，能夠有效隔離 故障橋臂，實現(xiàn)Ξ相四開關逆變器驅動永磁同步電機調速系統(tǒng)的高性能控制。
[0012] 有益效果:與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明W永磁同步電機定子磁鏈矢量為控制變量，將 Ξ相四開關逆變器輸出特性與永磁同步電機電磁特性結合，結構簡單，價值函數不含權值 計算，降低了因基本電壓矢量減少而對系統(tǒng)性能的干擾，可實現(xiàn)直流側中點電壓均壓控制， 能夠有效改善Ξ相四開關逆變器驅動的永磁同步電機性能，提高電機驅動系統(tǒng)可靠性和容 錯運行能力。
【附圖說明】
[0013] 圖1是本發(fā)明提供的Ξ相四開關逆變器驅動永磁同步電機的模型預測控制方法原 理圖；
[0014] 圖2是Ξ相四開關逆變器驅動永磁同步電機調速系統(tǒng)結構圖；
[0015] 圖3是本發(fā)明提供的Ξ相四開關逆變器驅動永磁同步電機的模型預測控制方法流 程圖；
[0016] 圖4是本發(fā)明提供的Ξ相四開關逆變器開關狀態(tài)與基本電壓矢量關系圖；
[0017] 圖5是本發(fā)明提供的Ξ相四開關逆變器驅動永磁同步電機的模型預測控制方法中 定子磁鏈矢量參考計算模塊的原理圖；
[0018] 圖6是采用本發(fā)明控制方法的永磁同步電機Ξ相電流仿真波形；
[0019] 圖7是采用本發(fā)明控制方法的永磁同步電機轉矩仿真波形；
[0020] 圖8(a)是采用本發(fā)明控制方法的永磁同步電機定子磁鏈α、β分量仿真波形；
[0021] 圖8(b)是采用本發(fā)明控制方法的永磁同步電機定子磁鏈圓仿真波形；
[0022] 圖9(a)是采用本發(fā)明控制方法的Ξ相四開關逆變器直流側電容電壓波形；
[0023] 圖9(b)是采用直接轉矩控制的Ξ相四開關逆變器直流側電容電壓波形；
[0024] 圖10是采用本發(fā)明控制方法的Ξ相四開關逆變器直流側電容電壓細節(jié)圖。
【具體實施方式】
[0025] 下面結合附圖對本發(fā)明做更進一步的解釋。
[0026] 如圖1所示，本發(fā)明公開的Ξ相四開關逆變器驅動永磁同步電機的模型預測控制 系統(tǒng)，包括:PI控制器1、定子磁鏈幅值參考計算模塊2、定子磁鏈矢量參考計算模塊3、定子 磁鏈預測模塊4、價值函數優(yōu)化模塊5、Ξ相四開關逆變器6、永磁同步電機7和光電編碼器或 轉子位置觀測器8,光電編碼器或轉子位置觀測器8用于測量轉子為直角。其中，如圖2所示， Ξ相四開關逆變器6的Ξ相輸出分別與永磁同步電機7的輸入端連接。在ΡΙ控制器1中，根據 參考速度0^與實際反饋速度0的轉速差值6獲得參考轉矩了6^定子磁鏈幅值參考計算模塊 2根據參考轉矩Te巧Ij定子磁鏈幅值參考I恥Γ。定子磁鏈矢量參考計算模塊3結合定子磁鏈 幅值參考I托Γ和參考轉矩Te氣十算獲得化+1)時刻定子磁鏈矢量參考恥^定子磁鏈預測模塊 4根據定子電流is和4個基本電壓矢量m計算化+1)刻定子磁鏈矢量預測值恥化+1)。價值函 數優(yōu)化模塊5結合化+1)時刻定子磁鏈矢量參考托勺日化+1)時刻定子磁鏈矢量預測值恥化+ 1)計算價值函數gi，當價值函數gi最小值時，其對應的基本電壓矢量為最優(yōu)基本電壓矢量 Unpt，根據開關狀態(tài)與基本電壓矢量關系獲得最優(yōu)開關狀態(tài)Sb,。。從而實現(xiàn)Ξ相四開關逆變 器對永磁同步電機的驅動。
[0027] 如圖3所示，本發(fā)提供的Ξ相四開關逆變器驅動永磁同步電機的模型預測控制方 法，首先采集Ξ相四開關逆變器直流側兩個電容的電壓，W建立Ξ相四開關逆變器開關狀 態(tài)與基本電壓矢量的對應關系表;其次，根據已建立的關系表設計模型預測控制方法。本發(fā) 明中的模型預測控制方法W定子磁鏈矢量為直接控制對象，計算定子磁鏈矢量參考恥^預 ^U(k+1)時刻的定子磁鏈矢量恥化+1);然后，根據定子磁鏈參考值和預測值設計并優(yōu)化價 值函數，W尋找最優(yōu)開關狀態(tài)，從而實現(xiàn)對永磁同步電機的驅動。具體包括W下步驟：
[0028] (1)利用電壓傳感器采集Ξ相四開關逆變器直流側的兩個電容的電壓Ucl、Uc2;采 用電流傳感器測量定子電流is,通過光電編碼器或轉子位置觀測器8獲得轉子位置角θτ，結 合獲得的轉子位置角θτ計算得到實際反饋速度ω ;
[0029] (2)根據步驟（1)采集的直流側兩電容電壓Uci、uc2,結合圖4,建立S相四開關逆變 器開關狀態(tài)與基本電壓矢量的對應關系表，如表1所示。Ξ相四開關逆變器開關狀態(tài)與基本 電壓矢量關系圖如圖4所示。
[0030] 表1 Ξ相四開關基本電壓矢量表
[0031]
[0032] 其中，Sb、Sc表示圖2中b、c兩個橋臂開關管的狀態(tài)，"Γ表示上開關管開、下開關管 關，"0"表示上開關管關、下開關管開。在Ξ相四開關中，有一相橋臂故障，只有兩個橋臂工 作，因此只需求解兩個橋臂即四個開關管的狀態(tài)。如圖2所示，a相故障，b、c正常。山，化，U3， U4為4個基本電壓矢量的表示符號。
[0033] (3)計算參考轉矩了6^將參考速度《^^實際反饋速度〇的轉速差值6輸入？1控制 器1，根據公式(1)獲得參考轉矩ΤΛ W；34]
")
[0035] 其中，Kp和Κι分別為PI控制器的比例增益和積分增益;s為微分算子。
[0036] (4)計算定子磁鏈幅值參考值I恥Γ:將參考轉矩Te作俞入定子磁鏈幅值參考計算模 塊2，根據公式(2)得到定子磁鏈幅值參考I恥Γ;
[0037]
(2)
[003引其中，如和分別為定子磁鏈的d、q軸分量，Lq為電機交軸電感，Pr為電機極對數， 恥I為永磁體磁鏈幅值。
[0039] (5)計算化+1)時刻定子磁鏈矢量參考值恥^如圖5所示，將定子磁鏈幅值參考I恥 巧口參考轉矩Te作俞入轉矩角參考計算模塊3-1，根據公式(3)計算轉矩角參考δ%將轉子位 置角θτ和實際反饋速度ω輸入轉子位置角參考計算模塊3-2,根據公式(4)計算化+1)刻的 轉子位置角參考Θ/;根據公式(5)將轉矩角參考δ勺日轉子位置角參考Θ/相加，得至lKk+1)時 刻定子磁鏈位置角參考值將定子磁鏈位置角參考值0S勺P定子磁鏈幅值參考I恥Γ輸入 定子磁鏈矢量參考計算模塊3-3中，根據公式(6)得到化+1)時刻定子磁鏈矢量參考恥％
[0044] 其中，Ts表示采樣時間，j表示虛數的單位。
[0045] (6)計算化+1)刻定子磁鏈矢量預測值恥化+1)的步驟:將定子電流is、4個基本電壓 矢量m輸入定子磁鏈矢量預測模塊4,根據公式(7)計算化+1)刻定子磁鏈矢量預測值恥化+ 1);
[0046] 托（k+1)二托化）+Ts[Ui-Rsis(k)] (7)
[0047] 其中，恥化)表示k時間的定子磁鏈矢量，通過電機的電流方程計算得到，Rs是電機 定子電阻，is化)是k時刻的定子電流矢量，Ui即表示表1中對應的表達式。
[004引（7)選擇逆變器最優(yōu)開關狀態(tài):將化+1)時刻定子磁鏈矢量參考恥勺日化+1)時刻定 子磁鏈矢量預測值托化+1)輸入價值函數優(yōu)化模塊5,根據公式(8)計算價值函數gi，然后判 斷此時i是否大于等于4,如果i小于4,記錄此次價值函數gi，令i值加一后，重復步驟(6);如 果此時i大于等于4,在前4次的價值函數gi中取最小值，其對應的基本電壓矢量確定為最優(yōu) 基本電壓矢量UDpt，根據開關狀態(tài)與基本電壓矢量關系獲得最優(yōu)開關狀態(tài)禮。；
[0049] g:.二嶺作川I (8)
[0050] (8)輸出最優(yōu)電壓步驟:Ξ相四開關逆變器根據步驟(7)中獲得最優(yōu)開關狀態(tài)Sb,c 調整開關，然后將最優(yōu)電壓輸送給永磁同步電機。
[0051] 圖6~圖10是利用Matlab/Simulink軟件對本發(fā)明所提控制方法的仿真結果，電機 參數如表2所示。仿真時，參考速度ω^350化/min,電機負載轉矩為lONm，直流母線電壓 440V，直流側兩個電容值均為2200UF，采樣頻率為25曲Z。
[0052] 表2電機參數
[0化3]
[0054] 如圖6所示，采用本發(fā)明的控制方法，Ξ相電流平衡且對稱度較好。如圖7所示，轉 矩較為平穩(wěn)且轉矩脈動在可接受范圍內。圖8(a)是定子磁鏈α、β分量φα和化的仿真波形，圖8 (b)是定子磁鏈圓波形。從圖8可W看出，私和恥波動較小，定子磁鏈圓幾乎為一個標準的圓 形。如圖9(a)所示，采用本發(fā)明的控制方法，Ξ相四開關逆變器直流側電容電壓逐漸收斂并 穩(wěn)定；圖9(b)中，在相同的仿真參數條件下，采用直接轉矩控制策略，Ξ相四開關逆變器直 流側電容電壓也逐漸趨于穩(wěn)定，但不平衡，電容電壓相差較大。如圖10所示，采用本發(fā)明的 控制方法，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，受Ξ相四開關逆變器固有特性影響，直流側電容電壓仍在Udc/2上 下波動。
[0055] W上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可W做出若干改進和潤飾，運些改進和潤飾也應 視為本發(fā)明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種三相四開關逆變器驅動永磁同步電機的模型預測控制方法，其特征在于:首先 采集三相四開關逆變器直流側電容電壓，構建逆變器開關狀態(tài)與基本電壓矢量的對應關 系;其次，通過參考轉矩和定子磁鏈矢量之間的關系構建定子磁鏈矢量參考模型，利用定子 磁鏈矢量參考模型獲取(k+Ι)時刻定子磁鏈矢量參考值，根據電壓矢量和定子磁鏈矢量之 間的關系構建定子磁鏈矢量預測模型，利用定子磁鏈矢量預測模型獲取(k+Ι)刻定子磁鏈 矢量預測值;然后，利用定子磁鏈矢量參考模型和預測模型構建價值函數，通過價值函數尋 找最優(yōu)基本電壓矢量;結合三相四開關逆變器開關狀態(tài)與基本電壓矢量的對應關系獲得最 優(yōu)的三相四開關逆變器開關狀態(tài)，三相四開關逆變器根據最優(yōu)開關狀態(tài)輸出最優(yōu)電壓驅動 永磁同步電機;其中，價值函數的值最小的時候，價值函數所對應的基本電壓矢量為最優(yōu)基 本電壓矢量。2. 根據權利要求1所述的三相四開關逆變器驅動永磁同步電機的模型預測控制方法， 其特征在于:所述參考轉矩的獲取方法為：計算參考轉矩T/，其中，e 表示參考速度ω#與實際反饋速度ω的轉速差值，Kp和Κι分別為PI控制器的比例增益和積分 增益。3. 根據權利要求1所述的三相四開關逆變器驅動永磁同步電機的模型預測控制方法， 其特征在于:所述定子磁鏈矢量參考模型中獲取(k+1)時刻定子磁鏈矢量參考值Φ/的方法 為:根據公式 <=卩//,Λ'χρ(/_ X 計算(k+1)時刻定子磁鏈矢量參考值ΦΛ其中，|屯Γ表示定 子磁鏈幅值參考值，％表示定子磁鏈位置角參考值，1表示采樣時間。4. 根據權利要求1所述的三相四開關逆變器驅動永磁同步電機的模型預測控制方法， 其特征在于:所述定子磁鏈矢量預測模型中獲取(k+Ι)刻定子磁鏈矢量預測值隊仏+1)的方 法為:根據公式t(k+l)=Mk)+T s[m-Rsis(k)]計算(k+Ι)刻定子磁鏈矢量預測值隊仏+1)， 其中Uk)表示k時刻定子磁鏈矢量，R s是電機定子電阻，is(k)是k時刻的定子電流矢量。5. 根據權利要求1所述的三相四開關逆變器驅動永磁同步電機的模型預測控制方法， 其特征在于:所述價值函數為晷=1<-%斤+1)1。
【文檔編號】H02P21/00GK106059428SQ201610533077
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月7日
【發(fā)明人】花為, 黃文濤, 張淦, 程明, 王寶安
【申請人】東南大學