一种可消除零矢量共模电压尖峰的虚拟电压矢量模型预测控制方法

技术领域

本发明涉及电机驱动控制领域，特别涉及可消除零矢量共模电压尖峰的模型预测控制方法。

背景技术

本发明技术主要用于电机驱动控制领域。目前电机高性能控制策略主要有磁场定向控制、直接转矩控制和模型预测控制。

传统有限集模型预测控制(MPC)每个周期仅使用一个基本电压矢量，会产生较大的控制误差，造成转矩波动、电流谐波较大。为了抑制MPC转矩波动，现有改进的MPC策略在每个控制周期使用多个电压矢量，从而合成虚拟矢量。改进的MPC为了合成虚拟矢量，一般会用到有效矢量和零矢量。与有效矢量相比，零矢量会产生幅值很大的共模电压。共模电压一方面可能引起电机轴承损坏，另一方面会产生电磁干扰，影响电机的安全运行，降低系统的可靠性，因此必须采取有效措施来抑制。抑制共模电压的软件策略的主要思路是弃用零矢量，但由于存在死区效应的影响，即使不使用零矢量，实际输出电压在换流期间仍可能产生短时间的零矢量，从而出现共模电压尖峰。

研究发现，当逆变器在相邻有效矢量(夹角60°)间切换或在相反有效矢量(夹角180°)间切换时均不会产生零矢量，只有在夹角120°矢量间切换时才会产生零矢量，因此只要避免发生夹角120°矢量间的切换，就能消除共模电压尖峰。现有预测控制通过矢量预筛选方式避免夹角120°矢量间的切换，从而实现消除共模电压尖峰的目的；这些方法虽然能够消除共模电压尖峰，但由于存在排除最优矢量的情况，因此在一定程度上牺牲了控制性能。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种新的虚拟电压矢量模型预测控制方法，通过实时选择虚拟矢量的矢量排布，在不排除任何矢量的前提下避免出现夹角120°矢量间的切换，从而确保换流过程中不会产生零矢量，消除共模电压尖峰。本发明一种新的虚拟电压矢量模型预测控制方法，包括：

获取电流、电压、转速，并根据电流参考值计算下一周期所需的电压矢量，即参考电压矢量V

根据参考电压矢量V

计算合成下一周期V

确定下一周期V

表中OP为奇数排布方式，EP为偶数排布方式；依据虚拟矢量所在扇区，OP和EP的具体含义如下表所示：

判断占空比是否为0，并根据需要对步骤3所得占空比进行二次校正。

优选的，所述V

优选的，所述V

如果k

优选的，所述V

确定下一周期V

其中，当合成下一周期V

当合成下一周期V

当合成下一周期V

由以上过程建立两电平直接转矩控制的虚拟矢量的矢量排布表。

优选的，所述对占空比进行二次校正的方式分为两类情形；

其中，当根据步骤3获得V

当根据步骤3获得V

与现有技术相比，本发明充分发挥虚拟矢量预测控制的控制性能优势，在不排除任何备选矢量的同时消除共模电压尖峰，从而在最大程度上改善控制性能。相比于传统的单矢量MPC策略，本发明基于虚拟矢量的MPC显著提高了控制性能；相比于传统的虚拟矢量MPC，本发明MPC不使用零矢量，显著降低了共模电压幅值；相比于现有抑制共模电压的虚拟矢量MPC，本发明创新性实时选择虚拟矢量的矢量排布，无需检测电流极性，也无需依据电流扇区排除任何备选矢量，就可以避免逆变器换流过程中产生零矢量的情况，从而在消除共模电压尖峰的同时，在最大程度上改善了控制性能。采用本发明的电机控制系统，既能消除共模电压尖峰、提高系统的运行可靠性和设备使用寿命，又能发挥虚拟矢量预测控制的优势，提升转矩平稳性和电流波形质量。

附图说明

图1为本发明中所用的两电平逆变器-电机系统的结构示意图及两电平逆变器有效矢量示意图；

图2为本发明中所用的虚拟矢量合成；

图3为本发明实施中找到三角形区域内的最佳虚拟矢量(a)三角形区域内的参考电压矢量(b)三角形区域外的参考电压矢量(c)占空比超过[0，1]的范围的参考电压矢量；

图4为本发明实施中用于V

图5为本发明实施中用于当前周为V

图6为本发明实施流程示意图；

图7是电机转速500r/min条件下共模电压对比试验波形图(a)VV-MPCⅠ，(b)VV-MPCⅡ，(c)本发明VV-MPC；

图8是电机转速500r/min条件下转矩、转速、定子电流和THD对比试验波形图(a)VV-MPCⅠ，(b)VV-MPCⅡ，(c)本发明VV-MPC；

图9是(a)VV-MPCⅠ，(b)VV-MPCⅡ，(c)本发明VV-MPC的暂态对比试验波形图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明提供一种技术方案：一种可消除零矢量共模电压尖峰的虚拟电压矢量模型预测控制方法，包括：

获取电流、电压、转速，并根据电流参考值，计算下一周期所需的电压矢量，即参考电压矢量V

根据参考电压矢量V

计算合成下一周期V

确定下一周期V

判断占空比是否为0，并根据需要对所得占空比进行二次校正。

具体而言，所述选取V

CF＝|V

即从两电平逆变器的矢量六边形上找出距离V

具体而言，当V

V

当V

由此可得

从而

当V

当V

具体而言，所述V

表1

从表1可见，位于任何一个扇区内的虚拟矢量，无论采用奇数排布还是偶数排布，都是相邻有效矢量间的切换，因此在一个PWM周期内不会因死区效应产生零矢量。

确定下一周期V

其中，当合成下一周期V

当合成下一周期V

当合成下一周期V

由以上过程建立下一周期虚拟矢量的矢量排布方式选择表，如表2所示：

表2

例如，假定当前周期的虚拟电压矢量位于扇区S

具体而言，所述占空比二次校正的方式分为以下两种情形：

其中，当所得V

当所得V

例如，假定当前周期的电压矢量位于扇区S

下面结合具体的实例和附图对本发明做进一步详述。图6为本发明实施流程图，本发明实施方法包括以下步骤：

(1)根据电流参考值，计算下一周期所需的电压矢量，即参考电压矢量V

计算定子电流的两相静止坐标系分量i

计算定子电流的旋转坐标系分量i

检测电机转子的电角速度ω

将V

计算V

根据位置角θ的大小确定参考电压矢量V

(2)根据参考电压矢量V

(3)计算合成下一周期V

如果k

(4)查询下一周期虚拟矢量的矢量排布表，确定下一周期V

(5)判断占空比是否为0，并根据需要对步骤3所得占空比进行二次校正：

当根据(3)所得V

当根据(3)所得V

(6)更新开关器件驱动信号，从而驱动电机。

本发明一种可消除零矢量共模电压尖峰的虚拟电压矢量模型预测控制方法已在一台1.6kW永磁同步电机驱动系统上进行实验验证，系统动、静态性能良好，且共模电压尖峰得到有效抑制。

本发明所提出的虚拟矢量模型预测控制(VV-MPC)以查表形式实时选择虚拟矢量的排布来消除死区效应引起的CMV尖峰；与之相比，传统虚拟矢量模型预测控制不对死区效应引起的CMV尖峰进行处理，记为VV-MPCⅠ；现有改进的虚拟矢量模型预测控制通过预先排除某些备选虚拟矢量来消除CMV尖峰，记为VV-MPCⅡ。

本发明VV-MPC、VV-MPCⅠ、VV-MPCⅡ稳态下共模电压波形如图7所示。试验条件为电机转速500r/min。其中，(a)为VV-MPCⅠ，(b)为VV-MPCⅡ，(c)为本发明VV-MPC。对比图中波形可见，VV-MPCⅠ有明显的尖峰，本发明VV-MPC与VV-MPCⅡ都有效消除了共模电压尖峰。

本发明VV-MPC、VV-MPCⅠ、VV-MPCII的转矩、转速、定子电流稳态对比试验波形如图8所示。试验条件为电机转速500r/min。其中，(a)为VV-MPCⅠ，(b)为VV-MPCⅡ，(c)为本发明VV-MPC。对比图中波形可见，与VV-MPC II相比，VV-MPC I和本发明VV-MPC表现出更平滑的转矩波形和更低的电流THD。

本发明VV-MPC、VV-MPCⅠ、VV-MPCⅡ暂态转矩、转速和定子电流的波形对比试验波形如图9所示。试验条件为电机转速从500r/min阶跃至-500r/min，1秒后再阶跃回500r/min。其中，(a)为VV-MPCⅠ，(b)为VV-MPCⅡ，(c)为本发明VV-MPC。从图中波形可见，三种VV-MPC方法都表现出良好的动态性能。

在这三种方法中，只有本发明VV-MPC同时具备消除CMV尖峰和更好的稳态性能这两方面的优势，即与VV-MPCⅠ相比消除了CMV尖峰，与VV-MPCⅡ相比降低了电流THD。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。