[发明专利]一种基于最优二矢量组合的模型预测控制方法及系统

说明书

本发明公开了一种基于最优二矢量组合的模型预测控制方法及系统，该方法应用于三相两电平逆变器驱动的永磁同步电机控制系统，采用模型预测电流控制策略，同时考虑所有二矢量组合及作用时间得到合成矢量集合，在全部待选集合中考察代价函数并选取最优的合成矢量；为了简化优化过程，给出了等效的电压方程，提出扇区变换方法，将待选二矢量组合集合转化为固定的多条线段；给出了一种快速算法，将部分复杂的计算转化到离线进行，有效减小了新方法的实时计算量。本发明的模型预测控制方法结构简单、实时计算量小、易于实现；电机响应速度快，电流纹波和畸变小，开关频率低，系统动态和稳态性能优异。

技术领域

本发明属于工业自动化技术领域，更具体地，涉及一种基于最优二矢量组合的模型预测控制方法及系统。

背景技术

目前，有很多种交流电机控制技术，如矢量控制、直接转矩控制、滑模控制和模糊控制等。但是，上述控制方法均存在一定的不足，如矢量控制动态响应慢，直接转矩控制低速特性不够理想，转矩脉动大等。模型预测控制(Model Predictive Control，MPC)诞生于上世纪70年代，随着计算机技术与微控制器的飞速发展，近年来在实时快速动态系统中的应用成为研究热点。MPC应用于永磁同步电机(Permanent-Magnet Synchronous Motor，PMSM)控制系统，能明显提高系统响应特性，抑制转矩波动、改善稳态性能、并减少逆变器开关损耗。

传统的MPC方法采用单一矢量作用于整个控制周期，系统的稳态性能较差。大量研究指出，通过增加单周期内电压矢量数目能够显著提高系统性能，常见的有基于占空比的二矢量MPC和基于电压空间矢量调制(Space Voltage Modulation，SVM)的MPC，其中SVMMPC控制方法稳态性能最优，但是，系统计算量较大、开关频率高，而且需要复杂的调制过程。基于占空比的二矢量MPC方案系统性能改善比较明显，但是已有方法采用级联策略，先选择有效矢量，再选择零矢量，最后计算占空比，没有同时考虑矢量组合在所有的占空比下的作用效果，输出矢量并非最优，对系统稳态性能提升不够理想，造成较大的电流纹波。

因此，MPC方法通过增大预测域，能够进一步提高系统性能。状态预测、代价函数和占空比计算在所有的组合中进行，计算量随着预测步长的增大而呈指数增加，过大的计算量使得MPC算法在工业应用中尤为困难。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于最优二矢量组合的模型预测控制方法及系统，以定子电流为目标基于模型预测电流控制(MPCC)，同时考虑所有可能的二矢量组合与相应作用时间下的合成矢量集合，在全部集合中选择使得代价函数最小的合成矢量，且对于MPC计算量较大的缺点，给出了可行的快速算法。由此解决现有技术中模型预测方法中电流纹波较大以及计算量较大的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于最优二矢量组合的模型预测控制方法，包括：

(1)以永磁同步电机的定子电流为状态变量，结合三相两电平电压逆变器开关状态计算电流矢量和电压矢量，并通过Clarke，Park坐标变换转化到dq旋转坐标系下，利用永磁同步电机的数学模型预测下一时刻的电流矢量：i＝(0,…,7)，其中X(k)＝[i_d(k) i_q(k)]^T为k时刻的电流矢量，u_i(k)为输入变量，为对应u_i(k)的在k+1时刻的预测电流矢量，F(k)、G_C(k)和H(k)为系数矩阵；

(2)在七个电流矢量中选择两个作为第一电流矢量、第二电流矢量：则合成电流矢量为：其中，i＝1,2,…表示无限集，d为占空比，表示第一电流矢量的作用时间比例且0≤d≤1；