基于简化模型预测的三相四开关逆变器永磁同步电机系统磁链控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于简化模型预测的三相四开关逆变器永磁同步电机系统磁链控制方法，通过引入偏移电压矢量概念，将电压选择的过程在不随电容电压波动而变化的理想电压矢量平面中实现，使评估函数能在正交的理想电压矢量平面中进行扇区判断，避免了复杂的三角函数计算，同时预测计算次数减少，电压矢量选择过程得到简化，系统计算负担降低。本发明专利技术的优点在于引入偏移电压矢量的概念，选择最优开关信号时消去电容电压波动的影响，算法的优化使预测计算的次数减少，系统计算负担降低，提高了系统动态响应速度，电机运行可靠。

Flux linkage control of permanent magnet synchronous motor system with three phase four switch inverter based on simplified model prediction

The invention discloses a flux control method for a three-phase four-switch inverter permanent magnet synchronous motor system based on a simplified model prediction. By introducing the concept of offset voltage vector, the voltage selection process is realized in an ideal voltage vector plane that does not vary with the capacitor voltage fluctuation, so that the evaluation function can be orthogonal to the ideal electricity. Sector judgment in voltage vector plane avoids complicated calculation of trigonometric function, reduces the number of prediction calculation, simplifies the selection process of voltage vector, and reduces the computational burden of the system. The invention has the advantages of introducing the concept of offset voltage vector and eliminating the influence of capacitor voltage fluctuation when selecting the optimal switching signal. The optimization of the algorithm reduces the times of prediction calculation, reduces the calculation burden of the system, improves the dynamic response speed of the system and ensures the reliable operation of the motor.

【技术实现步骤摘要】
基于简化模型预测的三相四开关逆变器永磁同步电机系统磁链控制方法
本专利技术属于电机控制
，具体涉及一种基于简化模型预测的三相四开关逆变器永磁同步电机系统磁链控制方法。
技术介绍
电机系统驱动控制部分常采用三相六开关电压源逆变器，系统长期运行时开关器件难免发生故障造成电机某相绕组开路。缺相运行的电机输出转矩波动大，机械噪音恶化，整体性能降低，因此有必要研究故障运行下的电机控制策略。三相四开关电压源逆变器是在故障拓扑结构基础上将故障相接入两电容之间构成新的拓扑结构以实现电机容错运行，该拓扑优势体现在不需增加额外开关器件，结构简单，硬件成本低。传统模型预测控制策略利用评估函数评估每个电压矢量的控制效果，并从中选取最优电压矢量，原理简单，选择准确率高，能有效降低电机转矩和磁链脉动。但由于评估函数由转矩误差和磁链误差组成，两者数量等级不一，需进行大量工程试验选择合适的权重因子平衡两者对评估函数的影响，增加了系统复杂性。公开号为CN107453664A的中国专利技术专利提出了一种优化算法，以磁链表示转矩使评估函数仅与磁链误差有关，从而消除评估函数权重因子影响，但该方法仍需采用遍历法将每个可选矢量代入评估函数选取最优解，系统计算负担大。
技术实现思路
鉴于上述，本专利技术提供了一种基于简化模型预测的三相四开关逆变器永磁同步电机系统磁链控制方法，通过引入偏移电压矢量概念，将电压选择的过程在不随电容电压波动而变化的理想电压矢量平面中实现，使评估函数能在正交的理想电压矢量平面中进行扇区判断，避免了复杂的三角函数计算，同时预测计算次数减少，电压矢量选择过程得到简化，系统计算负担降低。一种基于简化模型预测的三相四开关逆变器永磁同步电机系统磁链控制方法，包括如下步骤：(1)采集电机的三相定子电流ia～ic、转子位置角θr、转速ωr以及三相四开关逆变器中A相上桥臂电容电压VC1和A相下桥臂电容电压VC2；(2)根据步骤(1)中采集到的信息计算出电机的磁链补偿量以及磁链给定矢量(3)根据电容电压VC1和VC2确定偏移电压矢量Voffset，进而结合dq坐标系下的磁链给定矢量计算出电机在αβ坐标系下的偏移磁链误差矢量Δψs,αβ|offset；(4)根据偏移磁链误差矢量Δψs,αβ|offset从四组有效电压矢量V1(00)、V2(10)、V3(11)、V4(01)中选择一组作为最佳电压矢量，并对三相四开关逆变器施加最佳电压矢量所对应的开关信号以控制电机系统。进一步地，所述步骤(2)中通过以下公式计算电机的磁链补偿量Δia＝KpΔVDC其中：ΔVDC为直流偏置量，Δia为故障相补偿电流，s为拉普拉斯算子，Kp为设定的比例增益系数，Ld和Lq分别为电机的直轴电感和交轴电感，j为虚数单位。进一步地，所述步骤(2)中通过以下公式计算电机的磁链给定矢量其中：Ψf为电机的转子永磁体磁链，Np为电机的极对数，Lq为电机的交轴电感，为电机转矩给定量，j为虚数单位。进一步地，所述步骤(3)中通过以下公式确定偏移电压矢量Voffset：Voffset＝(VC2-VC1)/3+j·0其中：j为虚数单位。进一步地，所述步骤(3)中通过以下公式计算电机在αβ坐标系下的偏移磁链误差矢量Δψs,αβ|offset：ψs,dq|offset＝ψs,dq0+(cosθr-jsinθr)·Voffset·tsψs,αβ|offset＝(cosθr+jsinθr)ψs,dq|offset其中：ts为逆变器中功率开关器件的开关周期，ψs,dq0为电机在dq坐标系下的定子磁链矢量，ψs,dq|offset为电机在dq坐标系下的磁链误差矢量,ψs,αβ|offset为电机在αβ坐标系下的磁链误差矢量,为αβ坐标系下的磁链给定矢量，j为虚数单位。进一步地，所述定子磁链矢量ψs,dq0的表达式如下：ψs,dq0＝(1-Rsts/Ld)ψd|k+ωrtsψq|k+RsΨfts/Ld+j(-ωrtsψd|k+(1-Rsts/Lq)ψq|k)其中：Rs为电机的定子电阻，Ld和Lq分别为电机的直轴电感和交轴电感，ψd|k和ψq|k分别为电机定子磁链的d轴分量和q轴分量，Ψf为电机的转子永磁体磁链。进一步地，所述步骤(4)中根据偏移磁链误差矢量Δψs,αβ|offset选择最佳电压矢量的标准如下：当满足以下关系式时，选择有效电压矢量V1(00)作为最佳电压矢量；当满足以下关系式时，选择有效电压矢量V2(10)作为最佳电压矢量；当满足以下关系式时，选择有效电压矢量V3(11)作为最佳电压矢量；当满足以下关系式时，选择有效电压矢量V4(01)作为最佳电压矢量；其中：Δψs,α|offset和Δψs,β|offset分别为偏移磁链误差矢量Δψs,αβ|offset的α轴分量和β轴分量，ts为逆变器中功率开关器件的开关周期，Vdc为逆变器的直流母线电压。进一步地，所述步骤(4)中的有效电压矢量V1(00)对应的BC两相开关信号分别为0、0，即表示逆变器B相下桥臂和C相下桥臂的功率开关器件导通；有效电压矢量V2(10)对应的BC两相开关信号分别为1、0，即表示逆变器B相上桥臂和C相下桥臂的功率开关器件导通；有效电压矢量V3(11)对应的BC两相开关信号分别为1、1，即表示逆变器B相上桥臂和C相上桥臂的功率开关器件导通；有效电压矢量V4(01)对应的BC两相开关信号分别为0、1，即表示逆变器B相下桥臂和C相上桥臂的功率开关器件导通。本专利技术的优点在于引入偏移电压矢量的概念，选择最优开关信号时消去电容电压波动的影响，算法的优化使预测计算的次数减少，系统计算负担降低，提高了系统动态响应速度，电机运行可靠。附图说明图1为三相四开关永磁同步电机系统的结构示意图。图2为本专利技术简化模型预测系统的控制框图。图3为稳态运行时电机的转速、电磁转矩、磁链幅值和定子电流波形图。图4为稳定运行时电机α-β轴定子磁链矢量轨迹示意图。图5为突变速度给定实验波形图。图6为突变转矩给定实验波形图。图7为负载干扰下电机的转矩和转速波形图。图8(a)为比例控制系数K＝0.03情况下逆变器的直流母线电容电压波形图。图8(b)为比例控制系数K＝0.05情况下逆变器的直流母线电容电压波形图。图9(a)为采用传统模型预测转矩控制方法的计算时间波形图。图9(b)为采用模型预测磁链控制方法的计算时间波形图。图9(c)为采用本专利技术简化模型预测磁链控方法的计算时间波形图。具体实施方式为了更为具体地描述本专利技术，下面结合附图及具体实施方式对本专利技术的技术方案进行详细说明。如图1所示，在三相四开关永磁同步电机系统中，电机的bc两相接正常开关桥臂，a相接直流侧的电容中性点。如图2所示，本专利技术三相四开关逆变器永磁同步电机系统磁链控制方法，包括如下步骤：(1)利用编码器测得永磁同步电机1的转子电角度θr并经微分处理模块2得到转子电角速度ωr，利用电流传感器采集三相定子电流Is(ia～ic)，利用电容电压传感器采集直流侧电容电压VC1、VC2。(2)经磁链补偿器模块3将直流母线电容电压VC1、VC2、电机转速ωr作为输入得到电容中点电压的直流偏置量ΔVdc并经比例控制获得故障相补偿电流Δia再基于公式得到磁链给定补偿具体计算公式如下：Δia＝KpΔVdc(3)给定本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于简化模型预测的三相四开关逆变器永磁同步电机系统磁链控制方法，包括如下步骤：(1)采集电机的三相定子电流ia～ic、转子位置角θr、转速ωr以及三相四开关逆变器中A相上桥臂电容电压VC1和A相下桥臂电容电压VC2；(2)根据步骤(1)中采集到的信息计算出电机的磁链补偿量

【技术特征摘要】
1.一种基于简化模型预测的三相四开关逆变器永磁同步电机系统磁链控制方法，包括如下步骤：(1)采集电机的三相定子电流ia～ic、转子位置角θr、转速ωr以及三相四开关逆变器中A相上桥臂电容电压VC1和A相下桥臂电容电压VC2；(2)根据步骤(1)中采集到的信息计算出电机的磁链补偿量以及磁链给定矢量(3)根据电容电压VC1和VC2确定偏移电压矢量Voffset，进而结合dq坐标系下的磁链给定矢量计算出电机在αβ坐标系下的偏移磁链误差矢量Δψs,αβ|offset；(4)根据偏移磁链误差矢量Δψs,αβ|offset从四组有效电压矢量V1(00)、V2(10)、V3(11)、V4(01)中选择一组作为最佳电压矢量，并对三相四开关逆变器施加最佳电压矢量所对应的开关信号以控制电机系统。2.根据权利要求1所述的三相四开关逆变器永磁同步电机系统磁链控制方法，其特征在于：所述步骤(2)中通过以下公式计算电机的磁链补偿量Δia＝KpΔVDC其中：ΔVDC为直流偏置量，Δia为故障相补偿电流，s为拉普拉斯算子，Kp为设定的比例增益系数，Ld和Lq分别为电机的直轴电感和交轴电感，j为虚数单位。3.根据权利要求1所述的三相四开关逆变器永磁同步电机系统磁链控制方法，其特征在于：所述步骤(2)中通过以下公式计算电机的磁链给定矢量其中：Ψf为电机的转子永磁体磁链，Np为电机的极对数，Lq为电机的交轴电感，为电机转矩给定量，j为虚数单位。4.根据权利要求1所述的三相四开关逆变器永磁同步电机系统磁链控制方法，其特征在于：所述步骤(3)中通过以下公式确定偏移电压矢量Voffset：Voffset＝(VC2-VC1)/3+j·0其中：j为虚数单位。5.根据权利要求1所述的三相四开关逆变器永磁同步电机系统磁链控制方法，其特征在于：所述步骤(3)中通过以下公式计算电机在αβ坐标系下的偏移磁链误差矢量Δψs,αβ|offset：ψs,dq|offset＝ψs,dq0+(cosθr-jsinθr)·Voffset·tsψs,αβ|offset＝(cosθr+jsinθr)ψs,dq|offset其中：ts为逆变器中功率开关器件的开关周...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙丹，程一飞，苏均攀，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33