一种无差拍预测控制近似替代电压矢量简化选择方法技术

本发明专利技术公开了一种无差拍预测控制近似替代电压矢量简化选择方法，本发明专利技术首先推导计算磁链和转矩无差拍控制理想施加电压矢量的角度和幅值，再确定备选电压矢量集合为该电压矢量与零电压矢量，最后根据理想电压矢量的幅值，选择施加零电压矢量还是非零电压矢量，本发明专利技术无需遍历所有基本电压矢量即可选择出最优电压矢量，将预测运算次数由7次减小至2次，显著降低了算法的复杂度和计算量，提高了电机的控制性能。

A Simplified Method for Selecting Approximate Substitution Voltage Vector for Deadbeat Predictive Control

【技术实现步骤摘要】
一种无差拍预测控制近似替代电压矢量简化选择方法
本专利技术属于表面式永磁同步电机控制领域，具体涉及一种无差拍预测控制近似替代电压矢量简化选择方法。
技术介绍
直接转矩控制技术基于定子磁链坐标系并直接将转矩作为控制对象，避免了旋转坐标变换时的大量计算以及对电机参数的依赖性，其动态性能好，转矩响应时间短。无差拍控制理论自从被提出以来，已经广泛的应用于工业控制的各种场合，无差拍控制也被称为最少拍控制，是一种时间的最优控制方案，在永磁同步电机中，无差拍控制理论是以电磁转矩和磁链的零跟踪误差为控制目标，直接计算出施加给电机定子端的最优电压矢量，从而消除控制系统时间周期上的误差，以满足实时、高精度的控制。但是无差拍预测控制计算出来的理想施加电压矢量合成困难，因此采用基本电压矢量近似替代该理想电压矢量的方法，即从逆变器7个电压矢量中选取与理想施加电压矢量最接近的电压矢量。但是直接采用无差拍控制实现更多控制目标，算法难以实现，同时也难以实现非线性控制环节，而模型预测控制的优势在于可以通过成本函数来增加控制目标及实现非线性控制，因此，可采用模型预测控制，构造电压矢量误差成本函数，比较逆变器7个电压矢量与理想电压矢量的误差，选择误差最小的备选电压矢量作为输出电压矢量来替代理想电压矢量。但是通过枚举法来选择最优备选电压矢量需要对所有基本电压矢量作用下的系统动态行为进行预测，因此算法的计算量较大，严重限制了模型预测控制的实用性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述不足，提供一种无差拍预测控制近似替代电压矢量简化选择方法，可将预测运算次数由7次减小至2次，显著降低了算法的复杂度和计算量，提高了电机的控制性能。为了达到上述目的，本专利技术包括以下步骤：步骤一：基于表面式永磁同步电机无差拍预测控制，推导计算磁链和转矩无差拍控制理想施加电压矢量的角度和幅值；步骤二：在获得理想施加电压矢量后，根据该理想施加电压矢量的角度判断该理想施加电压矢量所处的扇区，则确定备选电压矢量集合为该电压矢量与零电压矢量；步骤三：根据该理想电压矢量的幅值在备选非零电压矢量的投影判断替代电压矢量选择施加零电压矢量还是非零电压矢量：如果投影值小于等于阈值，则输出零电压矢量来替代理想电压矢量，如果投影值大于阈值，则输出非零电压矢量替代想电压矢量。步骤一中，在定子磁链坐标系下，表面式永磁同步电机的磁链简化模型如下式1.1所示：公式中，是当前K时刻定子磁链的幅值，是k+1时刻的定子磁链幅值,是当前要施加的电压矢量幅值，Δt是该电压矢量施加的作用时间，α是电压矢量与定子磁链矢量之间的夹角；表面式永磁同步电机的转矩预测简化模型如下式1.2所示：公式中，Te(k+1)是k+1时刻的电机转矩，p是电机的极对数，ψf是永磁体磁链，是当前K时刻定子磁链的幅值，Ld为d轴定子电感，α是电压矢量与定子磁链矢量之间的夹角，δ(k)是当前K时刻的转矩角。步骤一中，磁链和转矩无差拍控制下，理想的下一时刻磁链和转矩为下一时刻磁链和转矩参考值，如下式1.3所示：和是下一时刻磁链和转矩的参考值；在采样频率高的条件下，下一时刻磁链和转矩参考值为当前时刻磁链和转矩参考值，如下式1.4所示：和是当前K时刻磁链和转矩的参考值；由此可知，磁链和转矩理想偏差如下式1.5所示：和Te(k)是当前K时刻的磁链和转矩值，和是磁链和转矩的理想偏差；表面式永磁同步电机的磁链和转矩预测简化模型得到，磁链和转矩预测偏差如下式1.6所示：由磁链和转矩无差拍控制定义可知，磁链和转矩理想偏差应与磁链和转矩预测偏差相等，则得到：由公式1.7得到：将公式1.9代入至公式1.8得到：由公式1.10得到：由公式1.11得到：电压矢量角度如下式1.13所示：α∈[0°,360°]1.13反正切为周期为180°的周期函数，在[0°,360°]期间求得两个α，需要判断进行取舍；由于则通过与cosα是否同号来判断角度选择α或α+180°；确定得到理想施加电压矢量的角度，则求得理想施加电压矢量的幅值，如下式1.14所示：因此，求得磁链和转矩无差拍控制唯一的理想施加电压矢量。步骤二中，电压矢量所处的扇区采用两电平三相逆变器，输出八个电压矢量，其中包括六个非零电压矢量和两个零电压矢量，[-30°，30°]为第一扇区，[30°，90°]为第二扇区，依此类推，每60°为一个扇区，六个非零电压矢量[V1,V2,V3,V4,V5,V6]分别为六个扇区的角平分线。判断理想施加电压矢量所处的扇区为判断理想电压矢量角度位于哪一个非零电压矢量±30°区间内。步骤三中，预设半径的圆为半径为Udc/3的圆，其中，Udc是直流母线电压。与现有技术相比，本专利技术首先推导计算磁链和转矩无差拍控制理想施加电压矢量的角度和幅值，再确定备选电压矢量集合为该电压矢量与零电压矢量，最后根据理想电压矢量的幅值，选择施加零电压矢量还是非零电压矢量，本专利技术无需遍历所有基本电压矢量即可选择出最优电压矢量，将预测运算次数由7次减小至2次，显著降低了算法的复杂度和计算量，提高了电机的控制性能。附图说明图1是本专利技术的原理图；图2是本专利技术总空间平面内电压矢量及扇区示意图；图3是本专利技术中替代电压简化选择方法示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步说明。参见图1，本专利技术包括以下步骤：步骤一：定子磁链坐标系下，表面式永磁同步电机磁链和转矩预测简化模型如公式1.1和公式1.2所示。公式中，是当前K时刻定子磁链的幅值，是k+1时刻的定子磁链幅值,是当前要施加的电压矢量幅值，Δt是该电压矢量施加的作用时间，α是电压矢量与定子磁链矢量之间的夹角。Te(k+1)是k+1时刻的电机转矩，p是电机的极对数，ψf是永磁体磁链，是当前K时刻定子磁链的幅值，Ld为d轴定子电感，α是电压矢量与定子磁链矢量之间的夹角，δ(k)是当前K时刻的转矩角。磁链和转矩无差拍控制下，理想的下一时刻磁链和转矩为下一时刻磁链和转矩参考值，如公式1.3所示。和是下一时刻磁链和转矩的参考值。在采样频率较高条件下，下一时刻磁链和转矩参考值可近似为当前时刻磁链和转矩参考值，如公式1.4所示。和是当前K时刻磁链和转矩的参考值。由此可知，磁链和转矩理想偏差如公式1.5所示。和Te(k)是当前K时刻的磁链和转矩值，和是磁链和转矩的理想偏差。由公式1.1和公式1.2可知，磁链和转矩预测偏差如公式1.6所示：由磁链和转矩无差拍控制定义可知，磁链和转矩理想偏差应与磁链和转矩预测偏差相等，则可得：由公式1.7可知：将公式1.9代入至公式1.8可知：由公式1.10可得：由公式1.11可得：电压矢量角度如公式1.13所示。α∈[0°,360°]1.13反正切三角函数为周期为180°的周期函数，在[0°,360°]期间可求得两个α，需要判断进行取舍。由于则可通过与cosα是否同号来判断角度选择α或α+180°。确定得到理想施加电压矢量的角度，则可求得理想施加电压矢量的幅值，如公式1.14所示。因此，可求得磁链和转矩无差拍控制唯一的理想施加电压矢量。步骤二，两电平三相逆变器可以输出八个电压矢量，其中包括六个非零电压矢量和两个零电压矢量，八个电压矢量在空间平面中的位置关系如图2所示。图中，整个空间平面被平分为六部分，[-30°，30°]为第一扇区，[30°，90本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无差拍预测控制近似替代电压矢量简化选择方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：基于表面式永磁同步电机无差拍预测控制，推导计算磁链和转矩无差拍控制理想施加电压矢量的角度和幅值；步骤二：在获得理想施加电压矢量后，根据该理想施加电压矢量的角度判断该理想施加电压矢量所处的扇区，则确定备选电压矢量集合为该电压矢量与零电压矢量；步骤三：根据该理想电压矢量的幅值在备选非零电压矢量的投影判断替代电压矢量选择施加零电压矢量还是非零电压矢量：如果投影值小于等于阈值，则输出零电压矢量来替代理想电压矢量，如果投影值大于阈值，则输出非零电压矢量替代理想电压矢量。

【技术特征摘要】
1.一种无差拍预测控制近似替代电压矢量简化选择方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：基于表面式永磁同步电机无差拍预测控制，推导计算磁链和转矩无差拍控制理想施加电压矢量的角度和幅值；步骤二：在获得理想施加电压矢量后，根据该理想施加电压矢量的角度判断该理想施加电压矢量所处的扇区，则确定备选电压矢量集合为该电压矢量与零电压矢量；步骤三：根据该理想电压矢量的幅值在备选非零电压矢量的投影判断替代电压矢量选择施加零电压矢量还是非零电压矢量：如果投影值小于等于阈值，则输出零电压矢量来替代理想电压矢量，如果投影值大于阈值，则输出非零电压矢量替代理想电压矢量。2.根据权利要求1所述的一种无差拍预测控制近似替代电压矢量简化选择方法，其特征在于，步骤一中，在定子磁链坐标系下，表面式永磁同步电机的磁链简化模型如下式1.1所示：公式中，是当前K时刻定子磁链的幅值，是k+1时刻的定子磁链幅值,是当前要施加的电压矢量幅值，Δt是该电压矢量施加的作用时间，α是电压矢量与定子磁链矢量之间的夹角；表面式永磁同步电机的转矩预测简化模型如下式1.2所示：公式中，Te(k+1)是k+1时刻的电机转矩，p是电机的极对数，ψf是永磁体磁链，是当前K时刻定子磁链的幅值，Ld为d轴定子电感，α是电压矢量与定子磁链矢量之间的夹角，δ(k)是当前K时刻的转矩角。3.根据权利要求1所述的一种无差拍预测控制近似替代电压矢量简化选择方法，其特征在于，步骤一中，磁链和转矩无差拍控制下，理想的下一时刻磁链和转矩为下一时刻磁链和转矩参考值，如下式1.3所示：和是下一时刻磁链和转矩的参考值；在采样频率高的条件下，下一时刻磁链和转矩参考值为当前时刻磁链和转矩参考值，如下式1.4所示：和是当...

【专利技术属性】
技术研发人员：李耀华，赵承辉，周逸凡，秦玉贵，苏锦仕，秦辉，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61