三相四开关逆变器驱动永磁同步电机的模型预测控制方法技术

本发明专利技术公开了一种三相四开关逆变器驱动永磁同步电机的模型预测控制方法。基于“旋转磁场不变”原则，以永磁同步电机定子磁链矢量为控制变量。首先采集直流侧的两个电容电压，以构建开关状态与基本电压矢量关系；然后计算(k+1)时刻定子磁链矢量参考，再通过电压矢量方程获得定子磁链预测值，根据定子磁链矢量参考值和预测值设计价值函数；最后通过优化价值函数获得三相四开关逆变器最优开关状态，逆变器根据最优开关状态输出最优电压驱动永磁同步电机。本发明专利技术中的价值函数不含权值计算，降低了因基本电压矢量减少而对系统性能的干扰，可实现直流侧中点电压均压控制。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电机驱动及控制领域，特别涉及一种三相四开关逆变器驱动永磁同步电机的模型预测控制方法。
技术介绍
传统的三相六开关逆变器作为功率变换装置，是电机驱动(下文简称，电驱)系统的重要组成部分。然而，功率开关器件是电驱系统中的薄弱环节，易发生故障，如驱动信号错误或丢失、辅助电路失效、过压或热击穿、器件损坏等。逆变器故障会导致电机输出转矩脉动加剧，影响电机性能，严重时甚至会使电机丧失运行能力。经研究发现，在交流电机调速系统中，逆变器故障率约占总故障的38％。因此，研究具有高可靠性的容错型逆变器，对于提高电驱系统的可靠性和容错运行能力具有重要意义。国内外众多学者对容错型逆变器在电驱系统中的应用进行了深入研究，其中三相四开关逆变器因其结构简单、成本低等优点受到广泛关注。三相四开关逆变器的核心设计思想为：当三相六开关逆变器某一桥臂的功率开关器件发生故障后，隔离该故障桥臂，并将其对应的电机绕组接到直流侧中点，使电机仍处于三相运行状态。三相四开关容错型逆变器电机驱动系统的控制方法主要有矢量控制和直接转矩控制。在这两种控制策略中，由于三相四开关逆变器输出基本电压矢量减少，滞环调制技术产生的转矩脉动将加剧。虽然空间矢量脉宽调制技术能有效降低转矩脉动，但是其调制过程较为复杂，而且双闭环结构需要整定的PI参数较多，不利于工程实现。此外，三相四开关逆变器直流侧中点电压不平衡这一问题一直没有得到有效解决。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术针对现有技术存在的问题，提供了一种有效提高了电机驱动系统可靠性和容错运行能力的三相四开关逆变器驱动永磁同步电机的模型预测控制方法。技术方案：本专利技术提供了一种三相四开关逆变器驱动永磁同步电机的模型预测控制方法，首先采集三相四开关逆变器直流侧电容电压，构建逆变器开关状态与基本电压矢量的对应关系；其次，通过参考转矩和定子磁链矢量之间的关系构建定子磁链矢量参考模型，利用定子磁链矢量参考模型获取(k+1)时刻定子磁链矢量参考值，根据电压矢量和定子磁链矢量之间的关系构建定子磁链矢量预测模型，利用定子磁链矢量预测模型获取(k+1)刻定子磁链矢量预测值；然后，利用定子磁链矢量参考模型和预测模型构建价值函数，通过价值函数寻找最优基本电压矢量；结合三相四开关逆变器开关状态与基本电压矢量的对应关系获得最优的三相四开关逆变器开关状态，三相四开关逆变器根据最优开关状态输出最优电压驱动永磁同步电机；其中，价值函数的值最小的时候，价值函数所对应的基本电压矢量为最优基本电压矢量。进一步，所述参考转矩的获取方法为：根据公式计算参考转矩Te*，其中，e表示参考速度ω*与实际反馈速度ω的转速差值，KP和KI分别为PI控制器的比例增益和积分增益。进一步，所述定子磁链矢量参考模型中获取(k+1)时刻定子磁链矢量参考值ψs*的方法为：根据公式计算(k+1)时刻定子磁链矢量参考值ψs*，其中，|ψs|*表示定子磁链幅值参考值，表示定子磁链位置角参考值。进一步，所述定子磁链矢量预测模型中获取(k+1)刻定子磁链矢量预测值ψs(k+1)的方法为：根据公式ψs(k+1)＝ψs(k)+Ts[ui-Rsis(k)]计算(k+1)刻定子磁链矢量预测值ψs(k+1)，其中，ψs(k)表示k时刻定子磁链矢量预测值。进一步，所述价值函数为工作原理：本专利技术基于“旋转磁场不变”原则，以永磁同步电机定子磁链矢量为直接控制对象。首先采集直流侧的两个电容电压，以构建开关状态与基本电压矢量关系；然后计算(k+1)时刻定子磁链矢量参考，再通过电压矢量方程获得定子磁链预测值，根据定子磁链矢量参考值和预测值设计价值函数；最后通过优化价值函数获得三相四开关逆变器最优开关状态，逆变器根据最优开关状态输出最优电压驱动永磁同步电机。最终，能够有效隔离故障桥臂，实现三相四开关逆变器驱动永磁同步电机调速系统的高性能控制。有益效果：与现有技术相比，本专利技术以永磁同步电机定子磁链矢量为控制变量，将三相四开关逆变器输出特性与永磁同步电机电磁特性结合，结构简单，价值函数不含权值计算，降低了因基本电压矢量减少而对系统性能的干扰，可实现直流侧中点电压均压控制，能够有效改善三相四开关逆变器驱动的永磁同步电机性能，提高电机驱动系统可靠性和容错运行能力。附图说明图1是本专利技术提供的三相四开关逆变器驱动永磁同步电机的模型预测控制方法原理图；图2是三相四开关逆变器驱动永磁同步电机调速系统结构图；图3是本专利技术提供的三相四开关逆变器驱动永磁同步电机的模型预测控制方法流程图；图4是本专利技术提供的三相四开关逆变器开关状态与基本电压矢量关系图；图5是本专利技术提供的三相四开关逆变器驱动永磁同步电机的模型预测控制方法中定子磁链矢量参考计算模块的原理图；图6是采用本专利技术控制方法的永磁同步电机三相电流仿真波形；图7是采用本专利技术控制方法的永磁同步电机转矩仿真波形；图8(a)是采用本专利技术控制方法的永磁同步电机定子磁链α、β分量仿真波形；图8(b)是采用本专利技术控制方法的永磁同步电机定子磁链圆仿真波形；图9(a)是采用本专利技术控制方法的三相四开关逆变器直流侧电容电压波形；图9(b)是采用直接转矩控制的三相四开关逆变器直流侧电容电压波形；图10是采用本专利技术控制方法的三相四开关逆变器直流侧电容电压细节图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做更进一步的解释。如图1所示，本专利技术公开的三相四开关逆变器驱动永磁同步电机的模型预测控制系统，包括：PI控制器1、定子磁链幅值参考计算模块2、定子磁链矢量参考计算模块3、定子磁链预测模块4、价值函数优化模块5、三相四开关逆变器6、永磁同步电机7和光电编码器或转子位置观测器8，光电编码器或转子位置观测器8用于测量转子为直角。其中，如图2所示，三相四开关逆变器6的三相输出分别与永磁同步电机7的输入端连接。在PI控制器1中，根据参考速度ω*与实际反馈速度ω的转速差值e获得参考转矩Te*。定子磁链幅值参考计算模块2根据参考转矩Te*到定子磁链幅值参考|ψs|*。定子磁链矢量参考计算模块3结合定子磁链幅值参考|ψs|*和参考转矩Te*计算获得(k+1)时刻定子磁链矢量参考ψs*。定子磁链预测模块4根据定子电流is和4个基本电压矢量ui计算(k+1)刻定子磁链矢量预测值ψs(k+1)。价值函数优化模块5结合(k+1)时刻定子磁链矢量参考ψs*和(k+1)时刻定子磁链矢量预测值ψs(k+1)计算价值函数gi，当价值函数gi最小值时，其对应的基本电压矢量为最优基本电压矢量uopt，根据开关状态与基本电压矢量关系获得最优开关状态Sb,c。从而实现三相四开关逆变器对永磁同步电机的驱动。如图3所示，本发提供的三相四开关逆变器驱动永磁同步电机的模型预测控制方法，首先采集三相四开关逆变器直流侧两个电容的电压，以建立三相四开关逆变器开关状态与基本电压矢量的对应关系表；其次，根据已建立的关系表设计模型预测控制方法。本专利技术中的模型预测控制方法以定子磁链矢量为直接控制对象，计算定子磁链矢量参考ψs*、预测(k+1)时刻的定子磁链矢量ψs(k+1)；然后，根据定子磁链参考值和预测值设计并优化价值函数，以寻找最优开关状态，从而实现对永磁同步电机的驱动。具体包括以下步骤：(1)利用电压传感器采集三相四开关逆变器直流侧的两个电容的电压uc1、u本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三相四开关逆变器驱动永磁同步电机的模型预测控制方法，其特征在于：首先采集三相四开关逆变器直流侧电容电压，构建逆变器开关状态与基本电压矢量的对应关系；其次，通过参考转矩和定子磁链矢量之间的关系构建定子磁链矢量参考模型，利用定子磁链矢量参考模型获取(k+1)时刻定子磁链矢量参考值，根据电压矢量和定子磁链矢量之间的关系构建定子磁链矢量预测模型，利用定子磁链矢量预测模型获取(k+1)刻定子磁链矢量预测值；然后，利用定子磁链矢量参考模型和预测模型构建价值函数，通过价值函数寻找最优基本电压矢量；结合三相四开关逆变器开关状态与基本电压矢量的对应关系获得最优的三相四开关逆变器开关状态，三相四开关逆变器根据最优开关状态输出最优电压驱动永磁同步电机；其中，价值函数的值最小的时候，价值函数所对应的基本电压矢量为最优基本电压矢量。

【技术特征摘要】
1.一种三相四开关逆变器驱动永磁同步电机的模型预测控制方法，其特征在于：首先采集三相四开关逆变器直流侧电容电压，构建逆变器开关状态与基本电压矢量的对应关系；其次，通过参考转矩和定子磁链矢量之间的关系构建定子磁链矢量参考模型，利用定子磁链矢量参考模型获取(k+1)时刻定子磁链矢量参考值，根据电压矢量和定子磁链矢量之间的关系构建定子磁链矢量预测模型，利用定子磁链矢量预测模型获取(k+1)刻定子磁链矢量预测值；然后，利用定子磁链矢量参考模型和预测模型构建价值函数，通过价值函数寻找最优基本电压矢量；结合三相四开关逆变器开关状态与基本电压矢量的对应关系获得最优的三相四开关逆变器开关状态，三相四开关逆变器根据最优开关状态输出最优电压驱动永磁同步电机；其中，价值函数的值最小的时候，价值函数所对应的基本电压矢量为最优基本电压矢量。2.根据权利要求1所述的三相四开关逆变器驱动永磁同步电机的模型预测控制方法，其特征在于：所述参考转矩的获取方法为：根据公式计算参考转矩Te*，其中，e...

【专利技术属性】
技术研发人员：花为，黄文涛，张淦，程明，王宝安，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32