一种基于最优二矢量组合的模型预测控制方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于最优二矢量组合的模型预测控制方法及系统，该方法应用于三相两电平逆变器驱动的永磁同步电机控制系统，采用模型预测电流控制策略，同时考虑所有二矢量组合及作用时间得到合成矢量集合，在全部待选集合中考察代价函数并选取最优的合成矢量；为了简化优化过程，给出了等效的电压方程，提出扇区变换方法，将待选二矢量组合集合转化为固定的多条线段；给出了一种快速算法，将部分复杂的计算转化到离线进行，有效减小了新方法的实时计算量。本发明专利技术的模型预测控制方法结构简单、实时计算量小、易于实现；电机响应速度快，电流纹波和畸变小，开关频率低，系统动态和稳态性能优异。

【技术实现步骤摘要】
一种基于最优二矢量组合的模型预测控制方法及系统
本专利技术属于工业自动化
，更具体地，涉及一种基于最优二矢量组合的模型预测控制方法及系统。
技术介绍
目前，有很多种交流电机控制技术，如矢量控制、直接转矩控制、滑模控制和模糊控制等。但是，上述控制方法均存在一定的不足，如矢量控制动态响应慢，直接转矩控制低速特性不够理想，转矩脉动大等。模型预测控制(ModelPredictiveControl，MPC)诞生于上世纪70年代，随着计算机技术与微控制器的飞速发展，近年来在实时快速动态系统中的应用成为研究热点。MPC应用于永磁同步电机(Permanent-MagnetSynchronousMotor，PMSM)控制系统，能明显提高系统响应特性，抑制转矩波动、改善稳态性能、并减少逆变器开关损耗。传统的MPC方法采用单一矢量作用于整个控制周期，系统的稳态性能较差。大量研究指出，通过增加单周期内电压矢量数目能够显著提高系统性能，常见的有基于占空比的二矢量MPC和基于电压空间矢量调制(SpaceVoltageModulation，SVM)的MPC，其中SVMMPC控制方法稳态性能最优，但是，系统计算量较大、开关频率高，而且需要复杂的调制过程。基于占空比的二矢量MPC方案系统性能改善比较明显，但是已有方法采用级联策略，先选择有效矢量，再选择零矢量，最后计算占空比，没有同时考虑矢量组合在所有的占空比下的作用效果，输出矢量并非最优，对系统稳态性能提升不够理想，造成较大的电流纹波。因此，MPC方法通过增大预测域，能够进一步提高系统性能。状态预测、代价函数和占空比计算在所有的组合中进行，计算量随着预测步长的增大而呈指数增加，过大的计算量使得MPC算法在工业应用中尤为困难。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于最优二矢量组合的模型预测控制方法及系统，以定子电流为目标基于模型预测电流控制(MPCC)，同时考虑所有可能的二矢量组合与相应作用时间下的合成矢量集合，在全部集合中选择使得代价函数最小的合成矢量，且对于MPC计算量较大的缺点，给出了可行的快速算法。由此解决现有技术中模型预测方法中电流纹波较大以及计算量较大的技术问题。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于最优二矢量组合的模型预测控制方法，包括：(1)以永磁同步电机的定子电流为状态变量，结合三相两电平电压逆变器开关状态计算电流矢量和电压矢量，并通过Clarke，Park坐标变换转化到dq旋转坐标系下，利用永磁同步电机的数学模型预测下一时刻的电流矢量：i＝(0,…,7)，其中X(k)＝[id(k)iq(k)]T为k时刻的电流矢量，ui(k)为输入变量，为对应ui(k)的在k+1时刻的预测电流矢量，F(k)、GC(k)和H(k)为系数矩阵；(2)在七个电流矢量中选择两个作为第一电流矢量、第二电流矢量：则合成电流矢量为：其中，i＝1,2,…表示无限集，d为占空比，表示第一电流矢量的作用时间比例且0≤d≤1；(3)根据合成矢量构造代价函数：(i＝1,2,…)，选出合成矢量集合中的最优合成矢量使得代价函数最小，其中，X*(k+1)＝[id*(k+1)iq*(k+1)]T为k+1时刻的目标电流矢量，id*(k+1)与iq*(k+1)为dq坐标系下电流分量的参考值。优选地，步骤(3)具体包括以下子步骤：(3.1)通过公式：将dq坐标系下的参考电流复矢量idq*转化为dq坐标系下的参考电压复矢量vdq*，其中，为反电动势的估算值，为对应输入u(k-1)的预测电流矢量，Rs与Ls分别为定子电阻和定子电感，Ts为采样周期；(3.2)将dq坐标系下的参考电压复矢量vdq*经过Park逆变换转化到αβ坐标系下的参考电压复矢量vαβ*；(3.3)将αβ坐标系下的参考电压复矢量vαβ*转换到N1扇区：其中，vN1*为转化到N1扇区的参考电压复矢量，θN1*为vN1*的相角，Udc为采样的母线电压；(3.4)将αβ坐标系中的逆变器基本电压矢量幅值进行归一化处理，得到八个归一化的基本电压矢量(i＝0,1,…,7)；(3.5)在αβ坐标系下，从基本电压矢量中选取矢量集中的两个，结合作用时间得到五个待选二矢量组合集合；(3.6)将五个待选二矢量组合转化为对应的五条直线：其中，占空比为0≤d≤1，与为可用的电压矢量中的两个矢量；(3.7)计算N1扇区的参考电压复矢量vN1*的终点到五条直线的距离，将距离最小时对应的待选二矢量组合作为最优二矢量组合。优选地，占空比d采用无差拍控制法求解，优选地，将最优二矢量组合的选取和占空比计算转化到离线进行，将N1扇区内参考电压复矢量vN1*和相角θN1*的范围分别细化为N、M等分，则参考电压复矢量vN1*的寻址坐标为(n,m)，其中，vN1*＝rN1*∠θN1*(0≤|rN1*|≤1,0≤θN1*＜π/3)离线计算得到N1扇区中所有N*M点的分布和对应的占空比，存储到两个数表中，最优二矢量组合及相应占空比通过查表直接获得。按照本专利技术的另一方面，提供了一种基于最优二矢量组合的模型预测控制系统，包括：电流矢量预测模块，用于以永磁同步电机的定子电流为状态变量，结合三相两电平电压逆变器开关状态计算电流矢量和电压矢量，并通过Clarke，Park坐标变换转化到dq旋转坐标系下，利用永磁同步电机的数学模型预测下一时刻的电流矢量：i＝(0,…,7)，其中X(k)＝[id(k)iq(k)]T为k时刻的电流矢量，ui(k)为输入变量，为对应ui(k)的在k+1时刻的预测电流矢量，F(k)、GC(k)和H(k)为系数矩阵；合成电流矢量生成模块，用于在七个电流矢量中选择两个作为第一电流矢量、第二电流矢量：则合成电流矢量为：其中，i＝1,2,…表示无限集，d为占空比，表示第一电流矢量的作用时间比例且0≤d≤1；最优合成矢量选择模块，用于根据合成矢量构造代价函数：(i＝1,2,…)，选出合成矢量集合中的最优合成矢量使得代价函数最小，其中，X*(k+1)＝[id*(k+1)iq*(k+1)]T为k+1时刻的目标电流矢量，id*(k+1)与iq*(k+1)为dq坐标系下电流分量的参考值。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要有以下优点：(1)以定子电流为控制对象，代价函数不受力矩、磁链及输入序列的加权系数干扰，得以简化，而且方法计算量减小，系统电流性能得到提高；(2)不限制选出的两个矢量为有效矢量还是零矢量，同时考虑全部二矢量组合与相应的作用时间，在合成矢量集合中选取最优，消除了级联策略的局限性，为全局最优；(3)本专利技术给出等效的电压方程，将电流矢量等效转化为电压矢量，进一步提出扇区变换，将电压矢量转换到指定扇区进行统一处理，很大程度地减小了计算的复杂程度；(4)给出快速计算方案，将最优二矢量组合的选取和占空比计算转化到离线进行，采用查表法直接获取，显著减小了实时计算量；(5)方法结构简单、实时计算量小、易于实现，运用于PMSM控制系统，电机动态响应速度快，定子电流纹波和畸变小，逆变器开关频率相对较低，系统动态和稳态性能优异。附图说明图1为本专利技术实施例公开的一种基于本专利技术MPC方法的PMSM控制系统的结构示意图；图2为本专利技术方法的流程本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于最优二矢量组合的模型预测控制方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)以永磁同步电机的定子电流为状态变量，结合三相两电平电压逆变器开关状态计算电流矢量和电压矢量，并通过Clarke，Park坐标变换转化到dq旋转坐标系下，利用永磁同步电机的数学模型预测下一时刻的电流矢量：

【技术特征摘要】
1.一种基于最优二矢量组合的模型预测控制方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)以永磁同步电机的定子电流为状态变量，结合三相两电平电压逆变器开关状态计算电流矢量和电压矢量，并通过Clarke，Park坐标变换转化到dq旋转坐标系下，利用永磁同步电机的数学模型预测下一时刻的电流矢量：其中X(k)＝[id(k)iq(k)]T为k时刻的电流矢量，ui(k)为输入变量，为对应ui(k)的在k+1时刻的预测电流矢量，F(k)、GC(k)和H(k)为系数矩阵；(2)在七个电流矢量中选择两个作为第一电流矢量、第二电流矢量：则合成电流矢量为：其中，i＝1,2,…表示无限集，d为占空比，表示第一电流矢量的作用时间比例且0≤d≤1；(3)根据合成矢量构造代价函数：选出合成矢量集合中的最优合成矢量使得代价函数最小，其中，X*(k+1)＝[id*(k+1)iq*(k+1)]T为k+1时刻的目标电流矢量，id*(k+1)与iq*(k+1)为dq坐标系下电流分量的参考值。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)具体包括以下子步骤：(3.1)通过公式：将dq坐标系下的参考电流复矢量idq*转化为dq坐标系下的参考电压复矢量vdq*，其中，为反电动势的估算值，为对应输入u(k-1)的预测电流矢量，Rs与Ls分别为定子电阻和定子电感，Ts为采样周期；(3.2)将dq坐标系下的参考电压复矢量vdq*经过Park逆变换转化到αβ坐标系下的参考电压复矢量vαβ*；(3.3)将αβ坐标系下的参考电压复矢量vαβ*转换到N1扇区：其中，vN1*为转化到N1扇区的参考电压复矢量，θN1*为vN1*的相角，Udc为采样的母线电压；(3.4)将αβ坐标系中的逆变器基本电压矢量幅值进行归一化处理，得到八个归一化的基本电压矢量(3.5)在αβ坐标系下，从基本电压矢量中选取矢量集中的两个，结合作用时间得到五个待选二矢量组合集合；(3.6)将五个待选二矢量组合转化为对应的五条直线：其中，占空比为0≤d≤1，与为...

【专利技术属性】
技术研发人员：程善美，刘莹，刘江，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42