三电平逆变器驱动永磁同步电机系统有限集预测控制方法技术方案

一种三电平逆变器驱动永磁同步电机系统有限集预测控制方法：通过对定子磁链信息(定子磁链位置角和所处扇区)的观测，进而根据转矩和磁链的变化量，通过滞环控制器，对所有基本电压矢量，进行筛选，筛选过后得到备选矢量集1，再通过中点电位滞环去掉产生中点电位偏移的小矢量，得到备选矢量集2，最后带入价值函数中进行选最优矢量，来解决现有中点电位有偏移，动态性能较差、算法复杂等问题。本发明专利技术解决了现有动态性能较差、计算负担较大、中点电位不平衡等问题，与已有方法相比算法简单，计算速度快，动态性能良好。动态性能良好。动态性能良好。

【技术实现步骤摘要】
三电平逆变器驱动永磁同步电机系统有限集预测控制方法


[0001]本专利技术涉及一种永磁同步电机有限集预测转矩控制方法。特别是涉及一种三电平逆变器驱动永磁同步电机系统有限集预测控制方法。

技术介绍

[0002]近年来，我国的牵引传动和基础建造领域快速发展，作为电能与机械能转换的电机，是此工程领域中必不可少的部分。同时中点箝位型(NPC)三电平逆变器拓扑结构发展成熟，具有较高的耐压水平、输出电压谐波较好等优点。将中点箝位型(NPC)三电平逆变器运用到电机控制领域中，尤其是高压交流电动机控制和调速领域中，有深远意义。
[0003]在电机控制中，可采用模型预测转矩控制(MPTC)。MPTC能够很好地将逆变器产生的基本电压矢量和控制目标结合在一起，它易于处理系统的约束，并能够实现对多个变量的控制。当MPTC应用于NPC三电平逆变器驱动的电机调速系统时，由于NPC三电平逆变器拓扑结构的特殊性(图1所示)，会导致三电平逆变器存在直流侧电容电压不平衡的问题。在评价函数中添加中点电位权重项，即可满足NPC三电平逆变器的运行要求，但同时也增加了权重系数整定复杂的问题，而且由于三电平基本电压矢量较多，如图2所示，遍历全部基本电压矢量，会增加计算负担，影响控制系统的动态性能，不能及时跟踪系统的动态变化，会对系统造成不良的影响，甚至损坏系统。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种具有良好动态响应特性，利用逆变器本身特性的三电平逆变器驱动永磁同步电机系统有限集预测控制方法。
[0005]本专利技术所采用的技术方案是：一种三电平逆变器驱动永磁同步电机系统有限集预测控制方法，包括如下步骤：
[0006]1)利用位置传感器对电机转子位置角θ进行采样，并对采样的位置角计算，得到电机转子电角速度ω
e
和电机转速n；将电机给定转速n
ref
与计算得到的电机转速n做差，并将所得到的转速差值作为转速外环PI控制器的输入量，该PI控制器的输出量为电磁转矩参考值T
eref
；将永磁体磁链设为定子磁链参考值ψ
sref
，该参考值为恒定值；
[0007]2)通过传感器采集逆变器直流母线电压U
dc
，以及永磁同步电机三相定子电流i
a
、i
b
、i
c
，将三相定子电流由三相静止坐标系，即a
‑
b
‑
c坐标系，变换到两相同步旋转坐标系，即d
‑
q坐标系，得到同步旋转坐标系中的定子电流d轴分量i
d
和q轴分量i
q
；
[0008]3)根据k时刻电机定子电流d轴与q轴分量i
dk
、i
qk
和电压矢量d轴与q轴分量u
dk
、u
qk
，以及k时刻电机转子电角速度ω
ek
，得到k+1时刻d轴和q轴电流的预测值i
dk+1
、i
qk+1
，以及k+1时刻电机转子电角速度ω
ek+1
，k时刻和k+1时刻电机转子电角速度相等，所述的u
dk
、u
qk
是由k
‑
1时刻施加在定子侧一个控制周期的电压矢量u
k
，进行Park变换之后得到的；根据电流预测值i
dk+1
和i
qk+1
，计算k+1时刻的定子磁链d轴与q轴分量ψ
dk+1
、ψ
qk+1
以及电磁转矩T
ek+1
；
[0009]其中，k+1时刻d轴和q轴电流的预测值i
dk+1
、i
qk+1
是利用如下电机预测模型得到：
[0010][0011]式中，R
s
是定子电阻值，T
s
为系统控制周期，L
d
、L
q
为定子d轴和q轴电感，ψ
f
为永磁体磁链，根据k+1时刻d轴和q轴电流的预测值i
dk+1
、i
qk+1
，从下式计算得到控制周期结束时，定子磁链在d轴和q轴的分量ψ
dk+1
，ψ
qk+1
：
[0012][0013]已知电机极对数p，利用下式计算得到k+1时刻的定子磁链和电磁转矩ψ
sk+1
，T
ek+1
：
[0014][0015]4)建立以定子磁链为基准的x
‑
y坐标系，将a
‑
b
‑
c坐标系中的定子电压矢量方程变换到x
‑
y坐标系中，利用x
‑
y坐标系中的定子电压矢量来表示电机定子磁链ψ
s
和电磁转矩T
e
的变化量，将电机定子磁链ψ
s
和电磁转矩T
e
对时间求导，由求导之后的公式得：磁链变化量由定子电压x轴分量u
sx
的变化量决定；转矩变化量由定子电压y轴分量u
sy
的变化量决定；
[0016]5)将k+1时刻电磁转矩T
ek+1
与电磁转矩参考值T
eref
以及k+1时刻定子磁链ψ
sk+1
与定子磁链参考值ψ
sref
，分别作为转矩滞环比较器和磁链滞环比较器的输入；根据滞环比较器的输出，将电磁转矩变化量ΔT
e
与定子磁链变化量Δψ
s
的组合分为四种情况：
[0017]a)ΔT
e
＞0、Δψ
s
＞0；
[0018]b)ΔT
e
＞0、Δψ
s
＜0；
[0019]c)ΔT
e
＜0、Δψ
s
＜0；
[0020]d)ΔT
e
＜0、Δψ
s
＞0
[0021]再结合定子磁链矢量所在磁链扇区，选出四种情况下对应的第一备选电压矢量集，其中，定子磁链矢量所在磁链扇区是通过定子磁链矢量角θ
s
进行判定；
[0022]6)依据直流侧上电容C1与下电容C2间的电压差以及冗余矢量作用下逆变器中点电流方向，对第一备选电压矢量集进行优化，舍弃使直流侧上电容C1与下电容C2间的电压差增大的冗余矢量，得到第二备选电压矢量集；
[0023]7)将第二备选电压矢量集和k+1时刻d轴和q轴电流的预测值i
dk+1
、i
qk+1
，以及k+1时刻电机转子电角速度ω
ek+1
带入电机预测模型，预测出k+2时刻第二备选电压矢量集中不同电压矢量对应的定子磁链ψ
sNk+2...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三电平逆变器驱动永磁同步电机系统有限集预测控制方法，其特征在于，包括如下步骤：1)利用位置传感器对电机转子位置角θ进行采样，并对采样的位置角计算，得到电机转子电角速度ω
e
和电机转速n；将电机给定转速n
ref
与计算得到的电机转速n做差，并将所得到的转速差值作为转速外环PI控制器的输入量，该PI控制器的输出量为电磁转矩参考值T
eref
；将永磁体磁链设为定子磁链参考值ψ
sref
，该参考值为恒定值；2)通过传感器采集逆变器直流母线电压U
dc
，以及永磁同步电机三相定子电流i
a
、i
b
、i
c
，将三相定子电流由三相静止坐标系，即a
‑
b
‑
c坐标系，变换到两相同步旋转坐标系，即d
‑
q坐标系，得到同步旋转坐标系中的定子电流d轴分量i
d
和q轴分量i
q
；3)根据k时刻电机定子电流d轴与q轴分量i
dk
、i
qk
和电压矢量d轴与q轴分量u
dk
、u
qk
，以及k时刻电机转子电角速度ω
ek
，得到k+1时刻d轴和q轴电流的预测值i
dk+1
、i
qk+1
，以及k+1时刻电机转子电角速度ω
ek+1
，k时刻和k+1时刻电机转子电角速度相等，所述的u
dk
、u
qk
是由k
‑
1时刻施加在定子侧一个控制周期的电压矢量u
k
，进行Park变换之后得到的；根据电流预测值i
dk+1
和i
qk+1
，计算k+1时刻的定子磁链d轴与q轴分量ψ
dk+1
、ψ
qk+1
以及电磁转矩T
ek+1
；其中，k+1时刻d轴和q轴电流的预测值i
dk+1
、i
qk+1
是利用如下电机预测模型得到：式中，R
s
是定子电阻值，T
s
为系统控制周期，L
d
、L
q
为定子d轴和q轴电感，ψ
f
为永磁体磁链，根据k+1时刻d轴和q轴电流的预测值i
dk+1
、i
qk+1
，从下式计算得到控制周期结束时，定子磁链在d轴和q轴的分量ψ
dk+1
，ψ
qk+1
：已知电机极对数p，利用下式计算得到k+1时刻的定子磁链和电磁转矩ψ
sk+1
，T
ek+1
：4)建立以定子磁链为基准的x
‑
y坐标系，将a
‑
b
‑
c坐标系中的定子电压矢量方程变换到x
‑
y坐标系中，利用x
‑
y坐标系中的定子电压矢量来表示电机定子磁链ψ
s
和电磁转矩T
e
的变化量，将电机定子磁链ψ
s
和电磁转矩T
e
对时间求导，由求导之后的公式得：磁链变化量由定子电压x轴分量u
sx
的变化量决定；转矩变化量由定子电压y轴分量u
sy
的变化量决定；5)将k+1时刻电磁转矩T
ek+1
与电磁转矩参考值T
eref
以及k+1时刻定子磁链ψ
sk+1
与定子磁链参考值ψ
sref
，分别作为转矩滞环比较器和磁链滞环比较器的输入；根据滞环比较器的输出，将电磁转矩变化量ΔT
e
与定子磁链变化量Δψ
s
的组合分为四种情况：a)ΔT
e
＞0、Δψ
s
＞0；b)ΔT
e
＞0、Δψ
s
＜0；
c)ΔT
e
＜0、Δψ
s
＜0；d)ΔT
e
＜0、Δψ
s
＞0再结合定子磁链矢量所在磁链扇区，选出四种情况下对应的第一备选电压矢量集，其中，定子磁链矢量所在磁链扇区是通过定子磁链矢量角θ
s
进行判定；6)依据直流侧上电容C1与下电容C2间的电压差以及冗余矢量作用下逆变器中点电流方向，对第一备选电压矢量集进行优化，舍弃使直流侧上电容C1与下电容C2间的电压差增大的冗余矢量，得到第二备选电压矢量集；7)将第二备选电压矢量集和k+1时刻d轴和q轴电流的预测值i
dk+1
、i
qk+1
，以及k+1时刻电机转子电角速度ω
ek+1
带入电机预测模型，预测出k+2时刻第二备选电压矢量集中不同电压矢量对应的定子磁链ψ
sNk+2
和电磁转矩T
eNk+2
，下标N为第二备选电压矢量集内基本电压矢量序号，带入价值函数进行计算，选出价值函数最小值对应的基本电压矢量，即为最优电压矢量；所述的价值函数g为：式中，λ
ψ
为定子磁链权重项、λ
T
为电磁转矩权重项；8)根据所述的最优电压矢量，确定三电平逆变器对应的开关状态，从而确定当前时刻逆变器三相桥臂各功率器件的驱动信号，进而使逆变器输出对应的三相电压，并作用于电机。2.根据权利要求1所述的三电平逆变器驱动永磁同步电机系统有限集预测控制方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：谷鑫，李阳，王志新，高乐，张国政，金雪峰，
申请(专利权)人：潍柴动力股份有限公司，
类型：发明
国别省市：