[发明专利]基于几何法的永磁同步电机两矢量预测控制方法

权利要求书

1.一种基于几何法的永磁同步电机两矢量预测控制方法，所述方法基于几何法的永磁同步电机两矢量预测控制系统，该控制系统包括转速PI控制器模块、电流采集模块、转子位置反馈模块、坐标变换模块、无差拍电压计算模块、双电压矢量选择及占空比计算模块、电压矢量作用序列模块、逆变器模块和五相永磁同步电机；

转速参考值和经转子位置反馈模块得到的实际转速相比较，其转速差值输入至转速PI控制器；转速PI控制器输出基波空间中电流参考值，并输入给无差拍电压计算模块；电流采集模块获取电机定子绕组各相电流值，结合转子位置反馈模块得到的转子位置信息，经过坐标变换模块计算得到旋转坐标系下的直轴电流与交轴电流实际值；无差拍电压计算模块利用测量和计算得到的直轴电流与交轴电流实际值和参考值，根据无差拍控制思想计算出参考电压矢量；双电压矢量选择及占空比计算模块通过判断参考电压矢量的位置角和幅值确定两个基本电压矢量及对应的占空比；电压矢量作用序列模块将两个基本电压矢量及对应的占空比转化为各相绕组开关状态输出至逆变器；逆变器输出最优电压至永磁同步电机；其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一：根据无差拍控制思想获得参考电压矢量；

步骤二：通过参考电压矢量的位置角快速筛选出三个电压矢量，包括两个非零矢量和一个零矢量，作为备选矢量；

步骤三：利用几何法从三个备选矢量中选择出两个电压矢量，并计算出对应的占空比；

步骤四：将选择的两电压矢量及占空比转化为对应的开关序列，并经逆变器输出最优电压至永磁同步电机；

步骤一中所述根据无差拍控制思想获得参考电压矢量的具体方法包括如下步骤：

(11)计算基波空间直轴电流与交轴电流参考值i_d^*、i_q^*：获取电机实际转速n，将转速参考值n^*与实际转速n的差值e_n输入转速PI控制器，根据公式(1)获得基波空间电流参考值i^*；对于i_d＝0控制方式，i_q^*＝i^*，i_d^*＝0；对于最大转矩电流比的控制方式，则按照相应的控制算法确定i_d^*、i_q^*与i^*的关系：

其中，K_P和K_I分别为转速PI控制器的比例增益和积分增益；

(12)计算基波空间直轴电流与交轴电流实际值i_d、i_q：利用电流传感器模块获取定子绕组各相电流值，结合获取的转子位置信息，进行坐标变换，得到基波空间直轴电流与交轴电流实际值i_d、i_q；

(13)计算直轴参考电压矢量与交轴参考电压矢量u_d^*、u_q^*：利用电机电流微分方程，根据无差拍控制思想，将基波空间直轴电流与交轴电流实际值i_d、i_q和参考值i_d^*、i_q^*带入方程，根据公式(5)，计算得出直轴参考电压矢量与交轴参考电压矢量u_d^*、u_q^*；

其中，R_s为定子每相绕组电阻，L_d为直轴电感，L_q为交轴电感，ω为电机转子电角频率，ψ_f为直轴永磁磁链，T_s为采样周期；

步骤二中所述通过参考电压矢量的位置角快速筛选出三个电压矢量，包括两个非零矢量和一个零矢量，作为备选矢量的具体方法包括如下步骤：

(21)计算静止坐标系下参考电压矢量的位置角：将步骤一得到的直轴参考电压矢量与交轴参考电压矢量u_d^*、u_q^*经过公式(6)Park逆变换得到静止坐标系下的参考电压矢量u_α^*、u_β^*；

θ为转子位置电角度；

(22)计算参考电压矢量的空间位置角：根据公式(7)，通过反正切函数可以由u_α^*、u_β^*计算出该矢量的位置角；

其中，θ_u为参考电压矢量所在的空间相位角；

(23)确定备选电压矢量：对于n相永磁同步电机，对应于两电平n相电压源逆变器，共有2ⁿ个基本电压矢量，包括2个零矢量与(2ⁿ-2)个非零矢量；非零矢量按照作用时间可以合成2n个均匀分布的虚拟电压矢量，其分布从0度开始，逆时针旋转，间隔为π/n，到2π共2n个虚拟电压矢量，依次定义为V_i(i＝1,2,3,…,2n)，零矢量定义为V₀；2n个虚拟电压矢量可将空间分割为2n个扇区；根据空间相位角θ_u即可确定备选电压矢量，当θ_u位于扇区k[(k-1)π/n，kπ/n],(k＝1,2,3,…,2n)时，选择的备选电压矢量为V_k、V_k+1和V₀；当k＝2n时，选择的备选电压矢量V_k+1为V₁；

步骤三中所述利用几何法从三个备选矢量中选择出两个电压矢量的具体方法是：利用几何法从三个备选矢量中选择出最优的两个电压矢量u_i和u_j，并确定对应作用时间t_i和t_j，使得公式(8)中模型预测控制的价值函数g达到最小值；

g＝||u_αβ^*-t_iu_i-t_ju_j|| (8)

步骤四中所述将选择的两电压矢量及占空比转化为对应的开关序列，并经逆变器输出最优电压至永磁同步电机的具体方法是：θ_u位于扇区k时，选择的备选电压矢量为V_k、V_k+1和V₀；若选择的两个矢量为V_k和V₀，则通过作用时间可以控制合成矢量末端为矢量V_k所在迹线上的任意一点；若选择的两个矢量为V_k+1和V₀，则通过作用时间可以控制合成矢量末端为矢量V_k+1所在迹线上的任意一点；若选择的两个矢量为V_k和V_k+1，则通过作用时间可以控制合成矢量末端为矢量V_k和V_k+1末端连线上的任意一点；由此可知通过两个电压矢量可以确定一个电压矢量三角形的三条边；

求解价值函数g的最小值，可以等效转化为参考电压矢量u_αβ^*的末端点到三角形的三条边的最小距离；由此可以引入三角心的内心O，通过连接内心O与三角形三个端点A、B、C，可将三角形分割成3个小的三角形区域；θ_u位于扇区k时，三角形的内心连接的点为矢量V_k的首末端点为区域Ⅰ，内心连接的点为矢量V_k+1的首末端点为区域Ⅱ，另一个为区域Ⅲ；参考电压矢量u_αβ^*位于区域Ⅰ中则选择V_k和V₀，参考电压矢量u_αβ^*位于区域Ⅱ中则选择V_k+1和V₀，参考电压矢量u_αβ^*位于区域Ⅲ中则选择V_k和V_k+1，作为u_i和u_j；

两矢量作用时间的计算：根据求得的两作用矢量使价值函数达到最小值，可知对应于在三角形的某一条边上所做垂线的长度；此时，占空比可根据在该边上的投影长度与该边长的比值确定；当两个电压矢量及其时间确定后，占空比控制模块设计对称式占空比信号并输送至逆变器，逆变器输出最优电压至永磁同步电机。