一种基于混合电压矢量的无模型电流预测控制装置及方法
文献发布时间：2024-04-18 19:52:40
技术领域
本发明涉及永磁同步电机的电流预测技术领域，尤其是一种基于混合电压矢量的无模型电流预测控制装置及方法。
背景技术
电流脉动的降低有助于提高永磁同步电动机(PMSM)的性能，但同时逆变器开关频率显著提升，增加了半导体器件元件的开关损耗，对散热模块提出了更高的要求，并且降低了电动机的能量转换效率。对于不同的应用场合，只侧重于提高电流精度是不合理的选择，对于PMSM驱动系统，实现电流精度和逆变器开关频率的控制平衡是当前研究的重点内容。使用模型预测控制对电流精度和逆变器开关频率双目标优化具有一定的优势，但是电流脉动和逆变器开关频率存在不同的尺度，难以同时优化，仍面临巨大的技术挑战。
为了实现对电流精度和开关频率的控制，解决方案之一是采用包含这两个目标的代价函数，并设计权重因子来统一这两个不同的尺度。然而，权重因子的调整耗时较长且其结果可能是局部最优解，无法应对不同工况下的需求，这将可能导致优化过程中主要目标和次要目标地位颠倒，次要目标占据主导地位，降低PMSM驱动系统的动态及稳态性能，严重时甚至影响系统的稳定运行。
另一种解决方案是为避免使用权重因子，提出一系列无权重因子控制方案，第一种控制方案是通过建立定子磁链和开关频率相关的代价函数对目标电压矢量进行评估排序，选择平均秩值最低的电压矢量作为最优电压矢量，这种方法易于实现，降低了开关频率，摆脱了对权重因子的调整，但限制了转矩和定子磁链的可控性，可能导致控制性能不佳；第二种控制方案是采用将定子磁链和开关频率相关项转化为同一量纲的等效参考矢量，从而减少多目标优化控制的参数，实现无权重因子方法的控制。
可见，上述两种解决方案均实现了基于有限控制集模型预测控制(FiniteControl Set Model Predictive Control，FCS-MPC)的逆变器开关频率的降低，但是FCS-MPC每个控制周期仅使用一个有效电压矢量导致稳态控制精度不足，始终制约PMSM驱动系统控制性能的进一步提升。
发明内容
为克服现有电动汽车PMSM驱动系统电流控制方法的稳态控制精度不足的缺陷，本发明的首要目的在于提供一种使电动汽车PMSM驱动系统在保证电流控制精度的同时，降低逆变器开关频率，避免代价函数中权重因子的使用，提升PMSM驱动系统在不同工况下工作的可靠性的基于混合电压矢量的无模型电流预测控制装置。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种基于混合电压矢量的无模型电流预测控制装置，包括坐标变换模块、直轴电流延迟补偿模块、交轴电流延迟补偿模块、电流预测控制模块、占空比调整模块和电压矢量调制模块；
在第k个采样周期T
设n为数据窗口长度，所述直轴电流延迟补偿模块对第k-n-2个采样周期T
所述交轴电流延迟补偿模块对第k-n-2个采样周期T
令J
所述占空比调整模块对逆变器输出电压矢量占空比d和逆变器输出电压矢量相位角θ进行处理，获得第k+1个采样周期T
所述电压矢量调制模块对第k+1个采样周期T
逆变器利用逆变器控制信号S
本发明的另一目的在于提供一种基于混合电压矢量的无模型电流预测控制装置的电流预测控制方法，该方法包括下列顺序的步骤：
(1)设定PMSM驱动系统运行的采样周期为T，PMSM驱动系统由逆变器、电流传感器、位置传感器、电压传感器和直流电源组成；
(2)获得第k个采样周期T
(3)获得第k个采样周期T
(4)在第k个采样周期T
(5)在第k+1个采样周期T
(6)利用占空比调整模块对逆变器输出电压矢量占空比d和逆变器输出电压矢量相位角θ进行调整，获得第k+1个采样周期T
(7)利用电压矢量调制模块对第k+1个采样周期T
(8)将k+1赋值给k，返回步骤(2)执行，实现对永磁同步电机的基于混合电压矢量的无模型电流预测控制。
所述步骤(2)具体包括以下步骤：
(2a)利用电流传感器检测获得第k个采样周期T
(2b)利用位置传感器检测获得第k个采样周期T
(2c)利用电压传感器检测获得第k个采样周期T
(2d)利用式(1)进行坐标变换，获得基于转子磁场定向的同步旋转坐标系下永磁同步电机第k个采样周期T
其中，k≥1且k取为正整数，k＝1,2,3,…。
所述步骤(3)具体是指：定义n为数据窗口长度，根据第k-n-1个采样周期T
其中：m为第k个控制周期的采样点，α
根据式(2)建立PMSM驱动系统超局部模型，如式(3)所示，令α
其中，i
所述步骤(4)具体是指，利用式(4)在第k个采样周期T
其中，α为电压系数，i
所述步骤(5)具体是指，利用式(5)在第k+1个采样周期T
其中，α为电压系数，i
所述步骤(5)具体包括以下步骤：
(5a)采用SVPWM合成参考电压矢量时，逆变器最大电压限制为幅值
(5b)利用式(7)进行坐标变换，获得基于转子磁场定向的同步旋转坐标系下永磁同步电机第k+1个采样周期T
(5c)将式(8)代入到式(9)中得到式(10)：
式(10)中：
其中，J为定子直轴电流和定子交轴电流跟踪误差，V为与逆变器输出电压矢量占空比d和逆变器输出电压矢量相位角θ无关的计算过程值，γ为三角函数反正切值；
(5d)根据式(10)，求得逆变器输出电压矢量最优占空比d
因为逆变器输出电压矢量最优占空比d
π≤γ+θ
(5e)将式(11)代入到式(10)中，得到最优J
J
在给定最大直轴电流和交轴电流跟踪误差J
(5f)混合电压矢量包括三种电压矢量类型，分别为零矢量、零矢量和一个有效电压矢量组合、三矢量；所述步骤(5f)具体包括以下步骤：
(5f1)当V≤J
(5f2)当V＞J
由式(13)可知逆变器输出电压矢量相位角θ的范围，当此范围内包括一个有效电压矢量时，确定有效电压矢量相位角为逆变器输出电压矢量相位角θ；若此范围内包括两个有效电压矢量时，确定开关次数较低的有效电压矢量相位角为逆变器输出电压矢量相位角θ；
(5f3)当V＞J
所述步骤(6)具体是指，利用式(6)与式(7)对逆变器输出电压矢量占空比d和逆变器输出电压矢量相位角θ进行调整，获得第k+1个采样周期T
由上述技术方案可知，本发明的有益效果为：第一，基于电流预测模型推导混合电压矢量占空比和相位的解析，保证了电流预测控制的快速动态性能以及稳态电流始终在预设最大跟踪误差内，本发明使电动汽车PMSM驱动系统在保证电流快速动态响应的同时，灵活精准控制稳态电流误差范围，在保证电流控制精度的同时，降低了逆变器开关频率；第二，本发明避免了代价函数中权重因子的使用，提升了PMSM驱动系统在不同工况下工作的可靠性；第三，本发明根据不同的应用需求，结合不同电压矢量类型的混合使用，在可控预期的情况下得到满足电流约束的候选电压空间，从候选电压空间中选择能降低开关频率的最优电压向量。
附图说明
图1为本发明控制方法的方框图；
图2为占空比电流预测控制(Dutycycle ModelPredictive Control，dutycycleMPC)的PMSM电流动态和稳态性能示意图；
图3为基于混合电压矢量的无模型电流预测控制的J
图4为占空比电流预测控制与基于混合电压矢量的无模型电流预测控制的不同J
图5为占空比电流预测控制与基于混合电压矢量的无模型电流预测控制的不同J
具体实施方式
如图1所示，一种基于混合电压矢量的无模型电流预测控制装置，包括坐标变换模块、直轴电流延迟补偿模块、交轴电流延迟补偿模块、电流预测控制模块、占空比调整模块和电压矢量调制模块；
在第k个采样周期T
设n为数据窗口长度，所述直轴电流延迟补偿模块对第k-n-2个采样周期T
所述交轴电流延迟补偿模块对第k-n-2个采样周期T
令J
所述占空比调整模块对逆变器输出电压矢量占空比d和逆变器输出电压矢量相位角θ进行处理，获得第k+1个采样周期T
所述电压矢量调制模块对第k+1个采样周期T
逆变器利用逆变器控制信号S
本发明的另一目的在于提供一种基于混合电压矢量的无模型电流预测控制装置的电流预测控制方法，该方法包括下列顺序的步骤：
(1)设定PMSM驱动系统运行的采样周期为T，PMSM驱动系统由逆变器、电流传感器、位置传感器、电压传感器和直流电源组成；PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor)为永磁同步电机；
(2)获得第k个采样周期T
(3)获得第k个采样周期T
(4)在第k个采样周期T
(5)在第k+1个采样周期T
(6)利用占空比调整模块对逆变器输出电压矢量占空比d和逆变器输出电压矢量相位角θ进行调整，获得第k+1个采样周期T
(7)利用电压矢量调制模块对第k+1个采样周期T
(8)将k+1赋值给k，返回步骤(2)执行，实现对永磁同步电机的基于混合电压矢量的无模型电流预测控制。
所述步骤(2)具体包括以下步骤：
(2a)利用电流传感器检测获得第k个采样周期T
(2b)利用位置传感器检测获得第k个采样周期T
(2c)利用电压传感器检测获得第k个采样周期T
(2d)利用式(1)进行坐标变换，获得基于转子磁场定向的同步旋转坐标系下永磁同步电机第k个采样周期T
其中，k≥1且k取为正整数，k＝1,2,3,…。
所述步骤(3)具体是指：定义n为数据窗口长度，根据第k-n-1个采样周期T
其中：m为第k个控制周期的采样点，α
根据式(2)建立PMSM驱动系统超局部模型，如式(3)所示，令α
其中，i
所述步骤(4)具体是指，利用式(4)在第k个采样周期T
/>
其中，α为电压系数，i
所述步骤(5)具体是指，利用式(5)在第k+1个采样周期T
其中，α为电压系数，i
所述步骤(5)具体包括以下步骤：
(5a)采用SVPWM合成参考电压矢量时，逆变器最大电压限制为幅值
SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation)为空间电压矢量脉宽调制；
(5b)利用式(7)进行坐标变换，获得基于转子磁场定向的同步旋转坐标系下永磁同步电机第k+1个采样周期T
(5c)将式(8)代入到式(9)中得到式(10)：
式(10)中：
其中，J为定子直轴电流和定子交轴电流跟踪误差，V为与逆变器输出电压矢量占空比d和逆变器输出电压矢量相位角θ无关的计算过程值，γ为三角函数反正切值；
(5d)根据式(10)，求得逆变器输出电压矢量最优占空比d
因为逆变器输出电压矢量最优占空比d
π≤γ+θ
(5e)将式(11)代入到式(10)中，得到最优J
J
在给定最大直轴电流和交轴电流跟踪误差J
(5f)混合电压矢量包括三种电压矢量类型，分别为零矢量、零矢量和一个有效电压矢量组合、三矢量；所述步骤(5f)具体包括以下步骤：
(5f1)当V≤J
(5f2)当V＞J
由式(13)可知逆变器输出电压矢量相位角θ的范围，当此范围内包括一个有效电压矢量时，确定有效电压矢量相位角为逆变器输出电压矢量相位角θ；若此范围内包括两个有效电压矢量时，确定开关次数较低的有效电压矢量相位角为逆变器输出电压矢量相位角θ；
(5f3)当V＞J
所述步骤(6)具体是指，利用式(6)与式(7)对逆变器输出电压矢量占空比d和逆变器输出电压矢量相位角θ进行调整，获得第k+1个采样周期T
实施例一
本实施例中，采样周期T为100微秒；本实施例中以计算第8个采样周期T
其中，i
本实施例中由于两电平三相电压源逆变器同一桥臂上下开关器件不能同时导通，则逆变器的开关组态一共有8种，即对应8个有效电压矢量，包括6个非零矢量U
为了验证所提出的基于混合电压矢量的无模型电流预测控制的技术优势，建立逆变器供电的面装式永磁同步电机(SMPMSM)实验平台，实验平台采用一台2.2kW的三相异步电机作为测功机，逆变器采用英飞凌MOSFET模块，基于dSPACE/DS1007实时仿真平台实现逆变器的实时控制，逆变器开关频率10kHz，死区时间设置为3微秒，逆变器直流母线电压48V，SMPMSM运行于转矩控制方式，测功机运行于转速控制方式。SMPMSM的标称参数如表1所示。
表1面装式永磁同步电机标称参数
将系统转速控制为100转/分钟，在0.05秒时给定交轴阶跃电流指令26.749A，直轴电流指令保持为0A，采用占空比电流预测控制的SMPMSM电流动态和稳态性能如图2所示，采用所提出的基于混合电压矢量的无模型电流预测控制控制的SMPMSM电流动态和稳态性能如图3所示，图4显示了占空比电流预测控制与所提出的基于混合电压矢量的无模型电流预测控制的不同J
综上所述，本发明基于电流预测模型推导混合电压矢量占空比和相位的解析，保证了电流预测控制的快速动态性能以及稳态电流始终在预设最大跟踪误差内，本发明使电动汽车PMSM驱动系统在保证电流快速动态响应的同时，灵活精准控制稳态电流误差范围，在保证电流控制精度的同时，降低了逆变器开关频率；本发明避免了代价函数中权重因子的使用，提升了PMSM驱动系统在不同工况下工作的可靠性；本发明根据不同的应用需求，结合不同电压矢量类型的混合使用，在可控预期的情况下得到满足电流约束的候选电压空间，从候选电压空间中选择能降低开关频率的最优电压向量。