[发明专利]一种基于三电平虚拟矢量的模型预测直接转矩控制方法

说明书

本发明涉及一种基于三电平虚拟矢量的模型预测直接转矩控制方法。其主要由两电平逆变器、异步电机、三电平虚拟矢量及模型预测直接转矩控制组成。其特征为：传统的两电平逆变器控制异步电机时可以选择的电压矢量只有8个。本发明通过改变开关管的导通时间，增加输出电平个数，将原先的8个电压矢量扩展到27个电压矢量，其中包含19个虚拟电压矢量。为了减小模型预测直接转矩控制的计算量，采用矢量筛选的方式将所需的电压矢量减小到6个。通过仿真验证，本发明所提方案降低了电流波形的畸变率、减小了电磁转矩和磁链幅值的波动范围，提高了异步电机运行的稳定性。

技术领域

本发明涉及异步电机模型预测直接转矩控制的研究领域，具体涉及一种基于三电平虚拟矢量的模型预测直接转矩控制方法。

背景技术

异步电机在我们日常生活中应用广泛，从发电到各种工业应用，再到我们平常人家的各类家电，都包含了异步电机。因此，对于异步电机的控制至关重要。异步电机的控制主要分为标量控制和矢量控制，矢量控制主要包含磁场定向、反馈线性比、直接转矩控制和基于被动量的控制等。随着电力电子器件的发展，对于异步电机的控制从原先的标量控制变成矢量控制，且控制方法在不断扩充。

模型预测控制是出现于上个世纪70年代的一种控制方法，其控制方法在工业控制领域得到广泛的应用。模型预测控制算法的当前的控制动作是在每一个采样瞬间通过求解一个有限时域开环最优控制问题而获得。考虑过去微处理器的计算能力有限，且控制需要实时性，因此模型预测控制方法很难在电机控制领域得到应用。随着微处理器性能的大幅提升，且其成本在不断下降，使得在低成本的数字信号处理器上可以实现模型预测控制算法。使得模型预测控制算法应用于异步电机的控制成为可能。

直接转矩控制是通过转矩和磁链滞环比较器来直接控制异步电机的转矩和磁链，因此其动态性能良好，但其具有转矩脉动大和开关频率不固定的劣势。模型预测控制作为一种控制方法，具有动态响应快，鲁棒性高等优点，可以应用于异步电机的控制。通过对上诉两种方法的结合，利用模型预测直接转矩控制对异步电机的磁链和电磁转矩直接进行控制，将磁链和电磁转矩写到代价函数当中，并计算不同电压矢量作用下代价函数的最小值。而传统的模型预测控制由于应用于两电平的逆变器，可以选择的电压矢量较小，使得输出磁链幅值和电磁转矩脉动大，电流畸变率高，使得模型预测直接转矩控制效果并不理想。为了解决以上存在的问题，通过控制开关管的开通时间，增加输出电平，产生虚拟电压矢量来增加电压矢量的个数，但是模型预测控制的计算量却大大提高了，这对微处理器的性能又有一个较大的要求。为了解决模型预测控制计算量过大的问题，通过磁链所在扇区和电磁转矩的差值，判断下一时刻作用的电压矢量范围，通过矢量筛选的方法将电压矢量减小，降低了模型预测直接转矩控制的计算量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于三电平虚拟矢量的模型预测直接转矩控制方法，用以解决传统模型预测直接转矩控制中磁链幅值和电磁转矩脉动大，电流畸变率高等问题。同时考虑增加虚拟电压矢量后计算量过大的问题，采用电压矢量筛选的方法，将27个电压矢量减小到6个，大大减小了计算量。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于三电平虚拟矢量的模型预测直接转矩控制方法，包括如下步骤：

步骤S1、通过传感器获得当前时刻变量的采样值，其中包括三相电流i_a(k)，i_b(k)，i_c(k)，感应电机的转子转速ω_r；并通过坐标变换，得到i_α(k)和i_β(k)，其公式如(1)所示：