一种三相四开关感应电动机变频调速系统的预测控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种三相四开关感应电动机变频调速系统的预测控制方法，包括：A、通过感应电机驱动系统中电流传感器、电压传感器和速度传感器分别测出三相电流、两个直流侧电容电压和电机转速；B、通过测量的直流电容电压计算出四种开关组合(00,01,11,10)对应的电压矢量；C、根据测量的相电流和转速估算感应电机的定子、转子磁链；D、预测四个电压矢量对应定子磁链的绝对值、预测转矩和预测直流电压；E、计算四个电压矢量代价函数：预测值与参考值分别相减后取绝对值，各项乘以权重系数相加。F、将使得代价函数最小的电压矢量所对应的开关状态施加到逆变器中。该方法适用于三相四开关驱动的各种变频调速系统。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于感应电动机变频调速领域，更具体地，涉及一种三相四开关功率变换器拓扑下感应电机变频调速系统的预测控制方法。
技术介绍
以感应电动机为主体的变频调速系统在航空航天、军事、工业等领域得到了广泛应用，其功率变换器均由六开关三相全控型电力电子器件组成。这其中，变换器能量密度高，电力电子器件又相对“脆弱”，一旦变换器某只功率管发生开路或短路故障，整个系统便丧失了正常工作的能力，甚至发生灾难性后果。随着对变频调速系统安全性、可靠性的要求越来越高，实时容错控制受到高度重视，然而大部分变频调速系统不配备冗余备份，这使得无冗余备份的三相四开关拓扑结构受到更大的关注。在众多针对三相四开关变频调速系统控制策略的专利和文献中，其大致方法分为两类：一类是假定直流电容电压是恒定不变的，在此基础上设计控制算法，由于电机的一相直接接到了电容中性点，相电流的流动会导致电容电压的波动和漂移，因此这类方法并不能用于实际系统；另一类是针对电容电压波动和漂移设计控制算法，但是这种算法一般是开环的控制策略，调速系统的动态性能差。
技术实现思路
为了克服现有三相四开关变频调速系统控制策略的不足，本专利技术提出了一种三相四开关功率变换器拓扑下预测控制方法。该方法能在电容电压波动的情况下，实现高性能的磁链和转矩闭环控制，而且还能抑制电容电压的漂移，不需要脉宽调制器和坐标变换。该方法适用于三相四开关驱动的各种变频调速系统。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种三相四开关功率变换器拓扑下感应电机变频调速系统的预测控制方法，所述方法包括：(1)通过感应电机驱动系统中已有的电流霍尔传感器、电压霍尔传感器和光电码盘速度传感器分别测出三相电流iak,ibk,ick，两个直流侧电容电压UC1k,UC2k和电机转速ω；(2)通过测量的两个直流侧电容电压UC1k,UC2k计算四种开关组合对应的电压矢量V1,V2,V3,V4当前时刻的值，并根据测量的三相电流iak,ibk,ick信号计算电流矢量的值，其中四种开关组合为00,10,11,01；(3)通过测量的电机转速ω和电流矢量估算定子磁链和转子磁链ψ^→rk;]]>(4)根据电机模型和逆变器模型预测所有电压矢量V1,V2,V3,V4对应电容电压定子磁链和电磁转矩(5)利用预测得到的各个电压矢量V1,V2,V3,V4对应的电容电压定子磁链和电磁转矩计算代价函数，取使得代价函数最小化的电压矢量为最优的电压矢量；(6)施加最优电压矢量对应的开关信号，其中电压矢量与开关信号的对应关系如步骤(2)中相同。本专利技术的优点在于，通过对电机模型的精确建模，在电容电压波动的情况下，能够实现感应电动机的磁场，转矩和转速的闭环高性能控制，同时实现了在这种不对称电力电子变换器拓扑下，三相电流的均衡控制。为了保证系统的可靠性，本专利技术对电容电压的漂移进行抑制。本专利技术直接输出开关信号，不需要脉宽调制器。所有变量均在定子坐标系下完成，不需要坐标变换。控制结构简单易懂，易于物理实现。附图说明图1为本专利技术方法适用的感应电机驱动系统及其基本结构图；图2为本专利技术方法的控制原理框图；图3为本专利技术三相四开关驱动的感应电动机模型预测控制方法的控制流程图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。如图1所示，本专利技术所涉及的是感应电动机变频调速系统的功率变换器结构和感应电动机的连接模型。电机的三相中的两相接正常的开关桥臂，第三相接直流侧的电容中性点。如图2所示，本专利技术所涉及的控制框图，以及与三相四开关驱动的感应电机系统的连接框图，结合附图2说明本专利技术采用的技术方案的原理：为了实现高性能的闭环控制策略，速度外环控制采用传统的比例积分控制器获得转矩的给定值，电流内环控制采用模型预测控制器，本方案包含磁链估计，转矩、磁链和电容电压预测，代价函数最优化三个步骤。首先，采用感应电机电流模型估计当前的感应电动机定子和转子磁链。电容电压的波动会导致逆变器的电压矢量在相角和幅值上产生波动，这种波动会导致基于电压模型磁链估计算法产生巨大误差，导致磁链估计不精确，本方案采用基于电流模型的磁链估计算法，利用转速，相电流可测量估算当前的定子和转子磁链，克服电容电压波动对磁链估计的影响。其次，利用电压传感器，测量电容的实时电压，计算当前电压矢量的精确值，然后，利用感应电机的数学模型，将当前四种开关状态对应的四个电压矢量一一代入模型中，预测不同电压矢量下的下一采样周期的定子磁链，定子电流，电磁转矩，电容电压。最后，将预测的磁链绝对值，电磁转矩，电容电压同参考值分别作差，求其绝对值，并乘以相应的权重系数，相加后得到代价函数，四个电压矢量对应四个代价函数取值，将代价函数取值的最小电压矢量对应的开关信号施加到逆变器。通过霍尔传感器从电机中获取电机的三相电流，从光电码盘速度传感器测出转速信号。从功率变换器中，通过电压霍尔传感器获取电容电压。以上变量作为控制系统的输入量参与系统控制。控制系统直接输出离散的开关信号，简化了控制结构。控制系统分为内外两个控制环：外环为传统的PI调节器，实现转速的闭环控制，并通过速度调节器产生转矩给定；内环为模型预测控制器，实现电机转矩和磁链的闭环控制，同时在内环也实现了电容电压漂移的抑制。如图3所示，为本专利技术三相四开关驱动的感应电动机模型预测控制方法的控制流程图，如图所示，所述方法包括：1、初始化将代价函数g初始化为一个足够大的值。2、通过感应电机驱动系统中已有的电流霍尔传感器、电压霍尔传感器和光电码盘速度传感器分别测出三相电流iak,ibk,ick，两个直流侧电容电压UC1k,UC2k和电机转速ω；3、通过测量的两个直流侧电容电压UC1k,UC2k计算四种开关组合对应的电压矢量V1,V2,V3,V4当前时刻的值，并根据测量的三相电流iak,ibk,ick信号计算电流矢量的值，其中四种开关组合为00,10,11,01；电压矢量的计算方法，按表1所示。表1电流矢量的计算方法如下：i→sk=iak+j·33(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三相四开关功率变换器拓扑下感应电机变频调速系统的预测控制方法，其特征在于，所述方法包括：(1)通过感应电机驱动系统中已有的电流霍尔传感器、电压霍尔传感器和光电码盘速度传感器分别测出三相电流iak,ibk,ick，两个直流侧电容电压UC1k,UC2k和电机转速ω；(2)通过测量的两个直流侧电容电压UC1k,UC2k计算四种开关组合对应的电压矢量V1,V2,V3,V4当前时刻的值，并根据测量的三相电流iak,ibk,ick信号计算电流矢量的值，其中四种开关组合为00,10,11,01；(3)通过测量的电机转速ω和电流矢量估算定子磁链和转子磁链ψ^→rk;]]>(4)根据电机模型和逆变器模型预测所有电压矢量V1,V2,V3,V4对应电容电压定子磁链和电磁转矩(5)利用预测得到的各个电压矢量V1,V2,V3,V4对应的电容电压定子磁链和电磁转矩计算代价函数，取使得代价函数最小化的电压矢量为最优的电压矢量；(6)施加最优电压矢量对应的开关信号，其中电压矢量与开关信号的对应关系如步骤(2)中相同。

【技术特征摘要】
1.一种三相四开关功率变换器拓扑下感应电机变频调速系统的预测控
制方法，其特征在于，所述方法包括：
(1)通过感应电机驱动系统中已有的电流霍尔传感器、电压霍尔传感
器和光电码盘速度传感器分别测出三相电流iak,ibk,ick，两个直流侧电容电压
UC1k,UC2k和电机转速ω；
(2)通过测量的两个直流侧电容电压UC1k,UC2k计算四种开关组合对应
的电压矢量V1,V2,V3,V4当前时刻的值，并根据测量的三相电流iak,ibk,ick信号计
算电流矢量的值，其中四种开关组合为00,10,11,01；
(3)通过测量的电机转速ω和电流矢量估算定子磁链和转子磁链
ψ^→rk;]]>(4)根据电机模型和逆变器模型预测所有电压矢量V1,V2,V3,V4对应电容
电压定子磁链和电磁转矩(5)利用预测得到的各个电压矢量V1,V2,V3,V4对应的电容电压
定子磁链和电磁转矩计算代价函数，取使得代价函数最
小化的电压矢量为最优的电压矢量；
(6)施加最优电压矢量对应的开关信号，其中电压矢量与开关信号的
对应关系如步骤(2)中相同。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中通过测
量的电容电压UC1k,UC2k计算四种开关组合对应的电压矢量V1,V2,V3,V4当前时
刻的值，具体为：
开关组合00对应的电压矢量V1＝2·UC2k/3；
开关组合10对应的电压矢量V2=(UC2k-UC1k)/3-j·3(UC1k+UC2k)/3;]]>开关组合11对应的电压矢量V3=(UC2k-UC1k)/3+j·3(UC1k+UC2k)/3;]]>开关组合01对应的电压矢量V4＝-2·UC1k/3。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中根
据测量的三相电流iak,ibk,ick信号计算电流矢量的值，具体根据下式计算：
i→sk=iak+j·33(iak+2×ibk).]]>4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中通
过测量的电机转速ω和电流...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵金，周德洪，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42