一种基于无差拍的五相永磁同步电机模型预测容错控制方法技术

本发明专利技术公开一种基于无差拍的五相永磁同步电机模型预测容错控制方法，该方法首先对电压方程进行离散化，对该离散化的电压方程进行一次迭代，得出下一时刻电流，并由无差拍思想计算出参考电压。其次设计电压代价函数。然后，以抑制三次谐波电流为零的原则对故障后的电压矢量进行合成，得到虚拟电压矢量，并将虚拟电压矢量进行等幅处理。最后，对处理后的虚拟电压矢量进行扇区划分，实现在每个扇区内参考电压矢量对应的最优电压矢量就是该扇区内的虚拟电压矢量。采用本发明专利技术可以有效减小开路故障下五相永磁同步电机有限集模型预测容错控制计算量，并且抑制故障导致的转矩脉动和电流谐波，具有较好的应用前景。具有较好的应用前景。具有较好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于无差拍的五相永磁同步电机模型预测容错控制方法


[0001]本专利技术属于多相电机容错控制领域，尤其涉及五相永磁同步电机(PMSM)开路故障容错控制。适用于航空航天、电动汽车、舰船推进等对电机运行可靠性要求较高的场合。

技术介绍

[0002]PMSM具有转矩密度大、效率高、可靠性高等优点，近年来在航空航天、电动汽车、舰船推进等领域得到了广泛的应用。由于多相电机相比于三相电机具有更多的控制自由度，能够应用于对可靠性要求较高的场合，因此受到了国内外学者的广泛关注。
[0003]多相电机在故障发生后，采用容错控制算法，能够使电机保持和正常运行时相似的性能。目前，五相PMSM的容错控制算法主要是基于矢量控制以及直接转矩控制。模型预测控制算法由于计算量较大，对硬件要求较高，所以在提出时并没有得到重视，随着计算机技术和电力电子技术的成熟，越来越多的学者开始深入研究模型预测控制算法。
[0004]用于PMSM的有限集模型预测控制，将每个可用电压矢量转换成对应的电流值，代入电流代价函数，迭代得到使代价函数最小的电压矢量。对于五相PMSM，在正常运行时，可用电压矢量有32个，进行电压矢量筛选的计算量相较于矢量控制和直接转矩控制大幅增加，对硬件要求较高，稳态性能较差。因此，有学者提出利用虚拟电压矢量来减少计算量，并引入占空比控制来提高算法的稳态性能。尽管该方法能够有效地提升控制性能，但是主要针对电机正常运行。当电机发生故障后，电流畸变严重，转矩脉动变大，基于模型预测的容错控制算法还需要进一步深入研究。
[0005]当电机任一相发生故障后(以A相开路为例)，可用电压矢量由32个变为16个，而且基波空间电压矢量幅值不等，分布不均匀。为抑制转矩脉动以及减小计算量和电流谐波含量，中国专利技术专利申请号201810282582.5公开了一种基于虚拟电压矢量的有限集模型预测容错控制方法，取得了较好的容错控制效果。然而，采用虚拟矢量还是需要进行8次电流代价函数迭代，计算时间较长。为了减小计算量，文献IEEE Transactions on Industry Applications，vol.55， no.6，pp.6001
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6010，Nov.
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Dec.2019(Performance Improvement of Model Predictive CurrentControl of Fault
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Tolerant Five
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Phase Flux
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Switching Permanent Magnet Motor Drive)提出了电压矢量预挑选控制策略，将每次迭代的电压矢量由15个减小到3个，大幅减小计算量；但是该策略最后挑选的电压矢量为大矢量，没有考虑三次谐波问题，导致谐波含量较高，稳态性能较差。因此，需要进一步研究模型预测容错控制，在保证动态性能不变的前提下进一步减小计算量以及提升算法的稳态性能。

技术实现思路

[0006]本专利技术针对现有模型预测容错控制技术的不足与缺陷，提出了一种用于五相PMSM的基于无差拍的模型预测容错控制策略。目的在于减少故障后模型预测计算时间，简化占空比计算方式，确保故障后模型预测控制获得优良的动态和稳态性能。
[0007]本专利技术的技术方案具体步骤如下：一种基于无差拍的五相永磁同步电机PMSM模型预测容错控制方法，包括如下步骤：
[0008]步骤1，将检测到的五相PMSM的实际转速，作为电机的反馈转速n，电机的给定转速 n
ref
与n做差，得到电机的转速误差，经PI控制器得到电机的q轴电流，并将此电流作为q 轴参考电流同时采用i
d
＝0控制，d轴参考电流
[0009]步骤2，基于铜耗最小原则，重构A相开路故障情况下五相PMSM的容错降阶变换矩阵
[0010][0011]式中：α＝0.4π；
[0012]步骤3，采用容错降阶变换矩阵将电流传感器采集到的剩余非故障相电流i
B
、i
C
、i
D
、i
E
变换到两相静止坐标系的基波空间和谐波空间的电流i
α
、i
β
、i
y
，再经Park变换得到d
‑
q坐标系中的电流
[0013]步骤4，建立单相开路故障的五相PMSM在d
‑
q坐标系中的电压方程并离散化，得到在 k+1时刻的电流值在此基础上对离散电压方程进行一次迭代得到k+2时刻电流值
[0014][0015]式中：R为定子电阻；L为定子电感；ω为电角度；为永磁磁链；T
s
为控制周期；为k+1时刻电流；为k+2时刻电流；为k+1时刻电压；
[0016]步骤5，将d
‑
q坐标系上的参考电流和分别赋给和基于无差拍思想推导出参考电压和再采用Park逆变换矩阵将其变换到两相静止坐标系上，得到两相静止坐标系上的参考电压和在两相静止坐标系中设计新型电压代价函数为
[0017][0018]式中：为参考电压，为k+1时刻静止坐标系下电压。
[0019]步骤6，采用容错降阶变换矩阵将PMSM逆变器中功率器件不同开关状态对应的非故障相电压变换到两相静止坐标系上，得到开路故障之后基波空间和谐波空间的电压矢量分布图；
[0020]步骤7，以抑制三次谐波电流i
y
＝0为原则将两相静止坐标系谐波空间的电压矢量
合成为零，进而获得在两相静止坐标系基波空间内的合成虚拟电压矢量，并以幅值最短的虚拟电压矢量幅值为基值，对虚拟电压矢量进行等幅处理，得到处理后的虚拟电压矢量为 vv
i
＝k(d1u
i+
d2u
j
)，i＝1
…
8，u
i
为与所合成的虚拟电压矢量的一个基本电压矢量，u
j
为与所合成的虚拟电压矢量的另一个基本电压矢量，d1、d2分别为对应的两个基本电压矢量的作用系数， k为使所有虚拟电压矢量幅值相同的系数；
[0021]步骤8，在基波空间对等幅虚拟电压矢量进行扇区划分，二个相邻虚拟电压矢量围成的区域为等腰三角形，以等腰三角形的顶角平分线为各个扇区的分界线，将每个等腰三角形对应扇区等份划分，每个虚拟电压矢量落在每个扇区的中心线上；
[0022]步骤9，根据步骤5求得的两相静止坐标系上的参考电压，计算出这两参考电压对应的参考电压矢量所在扇区，再根据步骤5中的电压代价函数就能确定参考电压矢量所在扇区中的虚拟电压矢量为所需寻优的最优电压矢量，并将该最优电压矢量投影到参考电压矢量上，再由几何法得出最优电压矢量在每个控制周期内的最优作用时间t
opt
；
[0023]步骤10，将所选最优电压矢量以及最优作用时间换算成基本电压矢量以及每个基本电压矢量的作用时间
[0024][002本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于无差拍的五相永磁同步电机PMSM模型预测容错控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，将检测到的五相PMSM的实际转速，作为电机的反馈转速n，电机的给定转速n
ref
与n做差，得到电机的转速误差，经PI控制器得到电机的q轴电流，并将此电流作为q轴参考电流同时采用i
d
＝0控制，d轴参考电流步骤2，基于铜耗最小原则，重构A相开路故障情况下五相PMSM的容错降阶变换矩阵式中：α＝0.4π；步骤3，采用容错降阶变换矩阵将电流传感器采集到的剩余非故障相电流i
B
、i
C
、i
D
、i
E
变换到两相静止坐标系的基波空间和谐波空间的电流i
α
、i
β
、i
y
，再经Park变换得到d
‑
q坐标系中的电流步骤4，建立单相开路故障的五相PMSM在d
‑
q坐标系中的电压方程并离散化，得到在k+1时刻的电流值在此基础上对离散电压方程进行一次迭代得到k+2时刻电流值在此基础上对离散电压方程进行一次迭代得到k+2时刻电流值式中：R为定子电阻；L为定子电感；ω为电角度；为永磁磁链；T
s
为控制周期；为k+1时刻电流；为k+2时刻电流；为k+1时刻电压；步骤5，将d
‑
q坐标系上的参考电流和分别赋给和基于无差拍思想推导出参考电压和再采用Park逆变换矩阵将其变换到两相静止坐标系上，得到两相静止坐标系上的参考电压和在两相静止坐标系中设计新型电压代价函数为式中：为参考电压，为k+1时刻静止坐标系下电压。步骤6，采用容错降阶变换矩阵将PMSM逆变器中功率器件不同开关状态对应的非故障相电压变换到两相静止坐标系上，得到开路故障之后基波空间和谐波空间的电压矢量分布图；步骤7，以抑制三次谐波电流i
y
＝0为原则将两相静止坐标系谐波空间的电压矢量合成为零，进而获得在两相静止坐标系基波空间内的合成虚拟电压矢量，并以幅值最短的虚拟电压矢量幅值为基值，对虚拟电压矢量进行等幅处理，得到处理后的虚拟电压矢量为vv
i
＝k(d1u
i
+d2u
j
)，i＝1
…
8，u
i
为与所合成的虚拟电压矢量的一个基本电压矢量，u
j
为与所合成的虚拟电压矢量的另一个基本电压矢量，d1、d2分别为对应的两个基本电压矢量的作用系
数，k为使所有虚拟电压矢量幅值相同的系数；步骤8，在基波空间对等幅虚拟电压矢量进行扇区划分，二个相邻虚拟电压矢量围成的区域为等腰三角形，以等腰三角形的顶角平分线为各个扇区的分界线，将每个等腰三角形对应扇区等份划分，每个虚拟电压矢量落在每个扇区的中心线上；步骤9，根据步骤5求得的两相静止坐标系上的参考电压，计算出这两参考电压对应的参考电压矢量所在扇区，再根据步骤5中的电压代价函数就能确定参考电压矢量所在扇区中的虚拟电压矢量为所需寻优的最优电压矢量，并将该最优电压矢量投影到参考电压矢量上，再由几何法得出最优电压矢量在每个控制周期内的最优作用时间t
opt
；步骤10，将所选最优电压矢量以及最优作用时间换算成基本电压矢量以及每个基本电压矢量的作用时间式中：t1为第一个基本电压矢量作用时间；t2为第二个基本电压矢量作用时间；t
opt
为最优电压矢量作用时间；d1为虚拟矢量中第一个基本电压占比；d2为虚拟电压矢量中第二个基本电压矢量占比；k为新虚拟电压幅值比例系数，T
s
为控制周期；将所选择的基本电压矢量和作用时间输入到PWM模块中，生成PWM波形，控制逆变器中功率器件的导通与关断，实现五相PMSM的容错控制。2.根据权利要求1所述的一种基于无差拍的五相PMSM模型预测容错控制方法，其特征在于，所述步骤4中单相开路故障的五相PMSM在d
‑
q坐标系上的数学模型经前项欧拉法离散化，得到由此，通过迭代法得到k+2时刻电流值3.根据权利要求1所述的一种基于无差拍的五相PMSM模型预测容错控制方法，其特征在于，所述步骤5的具体过程为：步骤5.1...

【专利技术属性】
技术研发人员：周华伟，王成明，孙大万，陈前，张多，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：