一种开绕组永磁同步电机五电平模型预测控制方法

技术领域

本发明属于电机设计技术领域，尤其属于开绕组电机驱动领域，涉及一种高电能质量输出的模型预测控制策略，具体是一种开绕组永磁同步电机五电平模型预测控制方法。

背景技术

以永磁同步电机为代表的电力驱动系统因其性能优越、运行高效、结构紧凑等特点，具备巨大的发展潜力与广阔的应用前景，正得到了越来越多的关注。开绕组永磁同步电机的拓扑形式可以看作是将常规星形连接永磁同步电机的中性点打开，在电机绕组两侧各接入一套逆变器所形成的特殊连接形式的电机。由于改变了电机的电路接线方式，打破了各相绕组之间的电气耦合，因而开绕组电机能够容许更大的功率，也提高了对直流母线电压的利用率，使得该类型拓扑更加适用于大电流、高功率应用场合，已成为具有重要工程意义的研究方向。

除此之外，由于解除了星形连接电机各相绕组电流之间的固有约束，因而开绕组电机系统能够在控制层面获得更高的自由度，也能够实现更优异的多电平效果。例如在开绕组系统两侧逆变器直流母线电压相等的情况下，双两电平逆变器的组合能够输出三电平作用效果，控制精度能够得到显著提高，可以获得更低的电流总谐波失真效果。而通过两条直流母线之间的电压配合，双两电平OW-PMSM系统能够实现四电平、五电平以及更多电平数量的高电能质量输出。

发明内容

本发明公开了一种开绕组永磁同步电机五电平模型预测控制方法。本发明通过控制电机两侧逆变器直流母线电压比例为3:1以实现等效五电平输出，旨在为开绕组电机驱动领域提供一种高电能质量输出效果。同时考虑到两侧逆变器组合产生的多样化电压矢量分布，而给模型预测控制带来的较大遍历预测计算负担，通过采用无差拍方法对电压空间矢量图进行定位，从而减小每个控制周期的计算量，同时保证精确的矢量选择效果。

本发明提出了一种适用于开绕组永磁同步电机驱动系统的五电平模型预测控制方法，能够获得低计算负担与高电能质量效果的模型预测控制策略，以提高模型预测控制方法的控制精度。

本发明方案具体实施步骤如下。

一种开绕组永磁同步电机五电平模型预测控制方法，包括以下步骤：

步骤一，对开绕组永磁同步电机的三相电流进行采样信息获取，得到d轴电流与q轴电流实际值

步骤二，通过所建立的开绕组永磁同步电机数学模型，对采样得到的d-q轴电流进行一拍的延时补偿，得到

步骤三，利用d-q轴电流参考值

步骤四，建立的3:1电压比例下的空间矢量分布图，结合α-β坐标系下的参考电压矢量u

步骤五，结合不同的控制优化目标，依据仅包含常规电压矢量或是包含虚拟电压矢量的最优矢量选取方法，确定2组或3组待选矢量。

步骤六，将所选定的待选矢量代入开绕组永磁同步电机模型中进行遍历预测计算，通过价值函数选择最优矢量进行输出。

本发明利用无差拍方法得到参考电压矢量的幅值以及相角，依据u

本发明虚拟矢量所对应的预测电流表示为下两式的叠加：

其中，

进一步本发明方法所述步骤二中，首先在ABC自然坐标系下建立开绕组永磁同步电机三相电压与三相电流的关系方程如下：

其中u

上式通过Clark变换，可以得到d-q两相同步旋转坐标系下的电压状态方程：

式中，ψ

通过一阶欧拉公式的离散化，可以将电压状态方程从连续域转换至离散域中，表示如下：

式中，u

同时，d-q轴电流的离散状态方程也可以表示如下：

进一步本发明方法所述步骤三中，无差拍控制是一种离散化的状态反馈控制方法，其控制的实现也依赖于电机的数学模型，利用电流参考值以及预测模型计算得到电压空间矢量参考值。因而按照原理而分类，无差拍控制也属于广义上的预测控制范畴，同样具有较优的动态响应效果。

本发明所采用无差拍的方法，仅依靠其计算得到的参考电压矢量对最优矢量所在的最小子扇区进行空间定位，以减小待选矢量的数量。

离散化的d-q轴电压分量参考值

而由于空间矢量分布图是建立在α-β坐标系下的，因此需要将式中的d-q轴电压分量参考值通过Park逆变换操作将其转换至α-β坐标系内。

式中，u

参考电压矢量的模值|u

进一步本发明方法所述步骤四中，为了减小待选电压矢量的数量以及每周期遍历计算所占用的计算量，需要对3:1电压比例的空间矢量图进行更细化的分类。以第一扇区为例，以U

在利用无差拍方法得到了参考电压矢量的幅值以及相角的基础上，能够依据u

进一步本发明方法所述步骤五中，根据不同控制目标的优化倾向，可以将基于无差拍方法的等效5电平MPC策略的最优矢量的选取依据分为两类，即仅包含常规矢量的低平均开关频率矢量选取方法，以及含虚拟矢量的高输出电能质量矢量选取方法。下面将分别对这两种最优矢量选取方法展开介绍。

在仅包含常规矢量的等效5电平MPC策略的最优矢量选取中，由于其空间矢量图中所有矢量均为实际的真实矢量，而不包含虚拟矢量，因而每个开关周期仅选取单个电压矢量进行输出。与传统MPC方法相类似，也具备平均开关频率较低的特点。

在仅包含常规矢量的情况下，可以将最小子扇区依据其顶点所包含的电压矢量数目划分为两类：仅包含2个电压矢量的子扇区，如2,3,4,5,7,8,12,13,15等子扇区；以及包含3个电压矢量的子扇区，如1,6,9,10,11,15,16等子扇区。而在依据5.3节无差拍方法对参考电压矢量进行最小子扇区定位之后，仅需要将上述子扇区顶点所对应的2个或3个电压矢量列为待选矢量，后续过程即可依据此待选矢量集合进行预测计算以及寻优判断。

在3:1比例下仅包含常规矢量的矢量分布中，由于两逆变器所产生的电压矢量模值以及矢量间距离关系的变化，电压矢量图中不存在矢量的冗余或重叠情况，这允许双逆变器驱动系统能够输出更多不同作用效果的矢量。同时，电压比例为3:1情况下的矢量分布仍较为密集且呈规律分布，能够实现矢量间距不相等的5电平输出，在特定调制度区间内能够拥有理想的作用效果。在仅包含常规矢量的矢量选取方法中，通过无差拍方法对3:1比例等效5电平的矢量图最小子扇区进行精确定位，能够在较低平均开关频率的情况下确保较高的电压矢量选择精度。

当将双逆变器3:1比例下的空间矢量分布图中空缺用合成的虚拟矢量进行填补之后，能够大幅度减小参考电压矢量距离待选矢量的最大电压误差，使得电压矢量的分布更加密集，从而提升在不同调制度区间内的综合输出电能质量水平。

为了更清晰地阐述虚拟矢量合成机制，以第一扇区为例，对虚拟矢量流程展开介绍。在第一扇区内有V

其中

在使用合成后的虚拟矢量对3:1比例下的空间矢量图中存在的空缺进行填补过后，每一个最小子扇区三角形顶点上均存在一个可选择的电压矢量。在采用无差拍方法对参考电压矢量进行定位并确定最小子扇区之后，需要将该最小子扇区所对应的全部3组电压矢量选择为待选矢量。若待选矢量中不包含虚拟矢量，则仍依照传统MPC方法进行预测计算与遍历寻优；而若待选矢量中包含有虚拟矢量，则需要按照本小节中的上述分析对虚拟矢量进行遍历计算，并与其他常规矢量的预测结果共同经过价值函数过程寻优。

经过所合成的虚拟矢量对空间矢量图空缺处进行填补，可以得到包含49个常规矢量和12个虚拟矢量，共计61种不同的矢量作用效果。且电压矢量之间的分布均匀致密而规律，各电压矢量之间空间距离均保持相等，能够产生等电压差的5电平输出效果，大大提升了双逆变器驱动系统的输出电能质量。

进一步本发明方法所述步骤六中，对待选矢量进行遍历预测是模型预测控制方法的核心步骤之一。在这个过程中，首先需要对所有待选矢量的作用效果进行遍历，将各个矢量所对应的开关状态代入上述数学模型进行逐个预测计算。

在经过无差拍方法得到两组或三组待选矢量之后，对各个待选矢量所对应的在下一周期d-q轴电流分量的预测可以经过如下方程进行计算得到：

模型预测控制的特点之一是方便地对多维度控制对象进行多目标控制。传统针对d-q轴电流的模型预测电流控制方法，其价值函数F可以表示为：

其中

有益效果：本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明方法所采用的永磁同步电机使用了开绕组的连接形式，能够大幅提高电机绕组中所容许的最大电流，提高了系统在大功率场合的表现。同时双逆变器的接入也带来了更多控制方向的自由度，增强了系统在控制层面的灵活性以及优异的容错运行性能。

本发明方法所采用的独立母线双电源供电结构，实现了两侧直流电压母线的相互隔离，避免了常规共直流母线结构中存在的零序回路，无需采用额外零序电流抑制策略，降低了控制器的设计难度和复杂度。

本发明方法将两侧直流母线电压比例控制为3:1，从而能够实现五电平的电压输出效果。3:1的电压比例减少了电压空间矢量的重叠和冗余，增加了矢量空间中不同作用效果的矢量数目，从而提升了模型预测控制器的矢量选择范围，改善了系统控制精度。

本发明方法采用模型预测控制作为电流控制器，能够显著提升系统的动态响应性能，并降低系统的平均开关频率，减小了开关管的开关损耗。

本发明方法通过对无差拍方法得到的参考电压矢量进行定位而得到最小子扇区，从而仅对最小子扇区内的两组或三组电压矢量进行遍历计算，大大减小了待选矢量的数目，降低了系统所占用的计算量。

本发明方法通过仅包含常规矢量的最优矢量选取方法，在3:1电压比例下能够保证五电平输出效果的同时，能够实现较低的开关频率运行效果，降低了系统的开关损耗。

本发明方法通过包含虚拟矢量的最优矢量选取方法，通过将实际电压矢量进行合成，从而填补了空间矢量图中的空缺，改善了在特定调制度区间下的矢量选择效果，进一步提升了控制精度与输出电能质量。

附图说明

图1为本发明开绕组永磁同步电机五电平模型预测控制方法流程图；

图2为本发明开绕组永磁同步电机五电平模型预测控制方法原理框图；

图3为3:1电压比例开绕组永磁同步电机硬件系统结构图；

图4为3:1电压比例下依据参考电压矢量所进行的最小子扇区定位原理图；

图5为3:1电压比例下仅常规矢量等效5电平空间矢量图；

图6为3:1电压比例下包含虚拟矢量的5电平空间矢量分布图；

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进一步说明，具体实施方式是对本发明原理的进一步说明，不以任何方式限制本发明，与本发明相同或类似技术均没有超出本发明保护的范围。

图1为本发明开绕组永磁同步电机五电平模型预测控制方法的控制流程图。包括如下步骤：

步骤一，对开绕组永磁同步电机的三相电流进行采样信息获取，得到d轴电流与q轴电流实际值

步骤二，通过所建立的开绕组永磁同步电机数学模型，对采样得到的d-q轴电流进行一拍的延时补偿，得到

步骤三，利用d-q轴电流参考值

步骤四，通过所建立的3:1电压比例下的空间矢量分布图，结合α-β坐标系下的参考电压矢量u

步骤五，结合不同的控制优化目标，依据仅包含常规电压矢量或是包含虚拟电压矢量的最优矢量选取方法，确定2组或3组待选矢量。

步骤六，将所选定的待选矢量代入开绕组永磁同步电机模型中进行遍历预测计算，通过价值函数选择最优矢量进行输出。

步骤二中，首先在ABC自然坐标系下建立开绕组永磁同步电机三相电压与三相电流的关系方程如下：

其中u

上式通过Clark变换，可以得到d-q两相同步旋转坐标系下的电压状态方程：

式中，ψ

通过一阶欧拉公式的离散化，可以将电压状态方程从连续域转换至离散域中，表示如下：

式中，u

同时，d-q轴电流的离散状态方程也可以表示如下：

步骤三中，无差拍控制是一种离散化的状态反馈控制方法，其控制的实现也依赖于电机的数学模型，利用电流参考值以及预测模型计算得到电压空间矢量参考值。因而按照原理而分类，无差拍控制也属于广义上的预测控制范畴，同样具有较优的动态响应效果。

本发明所采用无差拍的方法，仅依靠其计算得到的参考电压矢量对最优矢量所在的最小子扇区进行空间定位，以减小待选矢量的数量。

离散化的d-q轴电压分量参考值

而由于空间矢量分布图是建立在α-β坐标系下的，因此需要将式中的d-q轴电压分量参考值通过Park逆变换操作将其转换至α-β坐标系内。

式中，u

参考电压矢量的模值|u

如图4所示，在步骤四中，为了减小待选电压矢量的数量以及每周期遍历计算所占用的计算量，需要对3:1电压比例的空间矢量图进行更细化的分类。以第一扇区为例，以U

在利用无差拍方法得到了参考电压矢量的幅值以及相角的基础上，能够依据u

步骤五中，根据不同控制目标的优化倾向，可以将基于无差拍方法的等效5电平MPC策略的最优矢量的选取依据分为两类，即仅包含常规矢量的低平均开关频率矢量选取方法，以及含虚拟矢量的高输出电能质量矢量选取方法。下面将分别对这两种最优矢量选取方法展开介绍。

在如图5所示，仅包含常规矢量的等效5电平MPC策略的最优矢量选取中，由于其空间矢量图中所有矢量均为实际的真实矢量，而不包含虚拟矢量，因而每个开关周期仅选取单个电压矢量进行输出。与传统MPC方法相类似，也具备平均开关频率较低的特点。

在仅包含常规矢量的情况下，可以将最小子扇区依据其顶点所包含的电压矢量数目划分为两类：仅包含2个电压矢量的子扇区，如2,3,4,5,7,8,12,13,15等子扇区；以及包含3个电压矢量的子扇区，如1,6,9,10,11,15,16等子扇区。而在依据5.3节无差拍方法对参考电压矢量进行最小子扇区定位之后，仅需要将上述子扇区顶点所对应的2个或3个电压矢量列为待选矢量，后续过程即可依据此待选矢量集合进行预测计算以及寻优判断。

在3:1比例下仅包含常规矢量的矢量分布中，由于两逆变器所产生的电压矢量模值以及矢量间距离关系的变化，电压矢量图中不存在矢量的冗余或重叠情况，这允许双逆变器驱动系统能够输出更多不同作用效果的矢量。同时，电压比例为3:1情况下的矢量分布仍较为密集且呈规律分布，能够实现矢量间距不相等的5电平输出，在特定调制度区间内能够拥有理想的作用效果。在仅包含常规矢量的矢量选取方法中，通过无差拍方法对3:1比例等效5电平的矢量图最小子扇区进行精确定位，能够在较低平均开关频率的情况下确保较高的电压矢量选择精度。

如图6所示，当将双逆变器3:1比例下的空间矢量分布图中空缺用合成的虚拟矢量进行填补之后，能够大幅度减小参考电压矢量距离待选矢量的最大电压误差，使得电压矢量的分布更加密集，从而提升在不同调制度区间内的综合输出电能质量水平。

为了更清晰地阐述虚拟矢量合成机制，以第一扇区为例，对虚拟矢量流程展开介绍。在第一扇区内有V

其中

在使用合成后的虚拟矢量对3:1比例下的空间矢量图中存在的空缺进行填补过后，每一个最小子扇区三角形顶点上均存在一个可选择的电压矢量。在采用无差拍方法对参考电压矢量进行定位并确定最小子扇区之后，需要将该最小子扇区所对应的全部3组电压矢量选择为待选矢量。若待选矢量中不包含虚拟矢量，则仍依照传统MPC方法进行预测计算与遍历寻优；而若待选矢量中包含有虚拟矢量，则需要按照本小节中的上述分析对虚拟矢量进行遍历计算，并与其他常规矢量的预测结果共同经过价值函数过程寻优。

经过所合成的虚拟矢量对空间矢量图空缺处进行填补，可以得到包含49个常规矢量和12个虚拟矢量，共计61种不同的矢量作用效果。且电压矢量之间的分布均匀致密而规律，各电压矢量之间空间距离均保持相等，能够产生等电压差的5电平输出效果，大大提升了双逆变器驱动系统的输出电能质量。

步骤六中，对待选矢量进行遍历预测是模型预测控制方法的核心步骤之一。在这个过程中，首先需要对所有待选矢量的作用效果进行遍历，将各个矢量所对应的开关状态代入上述数学模型进行逐个预测计算。

在经过无差拍方法得到两组或三组待选矢量之后，对各个待选矢量所对应的在下一周期d-q轴电流分量的预测可以经过如下方程进行计算得到：

模型预测控制的特点之一是方便地对多维度控制对象进行多目标控制。传统针对d-q轴电流的模型预测电流控制方法，其价值函数F可以表示为：

其中

图2为本发明所提出的开绕组永磁同步电机五电平模型预测控制方法的原理框图。首先经过外环的转速PI控制器，将转速的误差值转变为q轴电流的参考值

图3为3:1电压比例开绕组永磁同步电机硬件系统结构图，由于电路中采用两个相互独立的电压源分别为两侧逆变器的直流母线供电，因而能够实现两侧直流母线之间相互隔离，避免了零序电流通路问题，所以无需对零序电流进行抑制。本发明案例将开绕组永磁同步电机两侧直流电压源的电压比例控制为3:1，使得两侧的电压源共同为系统提供能量，两组独立电源相互配合产生等效5点的作用效果。