[发明专利]永磁同步电机的两相模型预测占空比控制方法

说明书

本发明公开了一种永磁同步电机的两相模型预测占空比控制方法，预先获取每个逆变器开关组合产生的电压空间矢量，在控制过程中，设置转矩代价函数，在预设搜索空间内搜索转矩代价函数值最小的定子磁链角度增量，确定最优的定子磁链角度增量，从而确定α，β相的占空比，并根据最优定子磁链角度增量确定下一时刻的α，β相的基准电压，根据占空比计算公式确定下一时刻的相电压空间矢量，生成永磁同步电机的PWM控制信号，对永磁同步电机实现控制。本发明可以根据控制要求直接调整占空比，实现复杂度小、鲁棒性高的永磁同步电机控制。

技术领域

本发明属于永磁同步电机控制技术领域，更为具体地讲，涉及一种永磁同步电机的两相模型预测占空比控制方法。

背景技术

永磁同步电机(PMSM)以其结构简单、功率因数高、调速范围宽等优点在现代工业中得到了广泛的应用。由于永磁同步电机的传统控制方案存在局限性，近年来，模型预测控制(MPC)因其较高的动态控制性能，越来越多的学者参与到永磁同步电机的模型预测控制的研究中，随着微控制技术的发展，MPC作为一种在线优化的闭环控制算法已成功地应用于永磁同步电机驱动系统中。模型预测控制主要分为有限控制集模型预测控制(FCS-MPC)和连续控制集模型预测控制(CCS-MPC)，FCS-MPC因其算法简单易懂且动态性能优良而广受关注，它以绝缘栅双极晶体管(IGBT)的开关信号为控制变量，采用枚举遍历有限数量输入的方式，计算所有输入的代价函数值得到最优的IGBT开关信号输出到逆变器，在不借助空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术的情况下精确调节电磁转矩和磁通，实现了优异的动态控制性能。目前FCS-MPC已被应用于各种变换器中，如矩阵变换器、多电平逆变器和两电平逆变器，体现了其良好的通用性和实用性。

目前，学者们已经提出了各种改进的FCS-MPC算法，主要集中在减小转矩脉动，降低模型的计算度和提高模型的参数鲁棒性，这三大方面的改进研究总结如下：

1)为了降低稳态电流和转矩脉动：经典FCS-MPC使用的控制集(CS)只包含系统在运行变流器拓扑结构能够产生的有限个基本矢量电压，再加上输出矢量占空比为1的输出方式，因此出现离散周期内由于输出矢量数量有限和单矢量输出而造成的单周期内电磁转矩和磁通的控制自由度受限问题，从而导致严重的稳态转矩和磁通波动。为此，有学者从增加输出矢量数量的思路出发，提出多矢量输出的模型预测控制算法，通过引入占空比的方式，在每个控制周期内通过加入零矢量调节有效电压矢量的作用时间，生成幅值可调的电压矢量。然而，电压矢量的方向却不能改变。相关研究通过提出广义的双矢量模型预测电机控制，电压矢量的组合方式不再局限于有效矢量和零矢量，将第二个电压矢量选择范围扩大到任意电压矢量，使得两个有效电压矢量能够生成方向可调的电压矢量，但矢量的幅值不能够任意改变。为了进一步增加CS可选电压矢量，有研究提出了虚拟电压矢量或者扩展电压矢量的概念，在输出矢量合成前预先通过CS中有限的矢量合成更多方向的电压矢量，从而获得更多的有效矢量和占空比组合，提高电流的控制精度，然而，这些策略虽然能够逐渐提高输出矢量在方向和幅值上的精度，但可能无法实现MPC的一些优势，例如，多步预测和多变量预测。多步预测相关研究提出三相直接占空比控制，通过两阶段的多步预测算法，在三相占空比与电磁转矩和磁链数学模型上计算和生成高精度电压矢量输出。然而，其两阶段优化计算没有考虑到计算成本关系，在满足稳态控制性能客观的条件下计算成本巨大。

2)为了提高参数鲁棒性：无论是标准FCS-MPC还是改进的FCS-MPC，无论切换模式是单基本矢量模式还是多矢量模式，在优化过程中都不可避免地使用了大量电机参数。因此，反参数扰动能力已成为衡量PTC策略性能的重要指标。相关研究分析了定子电阻、电感等对FCS-MPC的影响，并得出结论，定子电感失配是导致稳态控制恶化的主要原因，此外，还设计了一个干扰观测器，对电感波动进行补偿。类似地，一些改进的FCS-MPC算法采用自适应观测器、Luenberger观测器和Kalman观测器来解决因参数失配导致的稳态性能下降问题。综上所述，观测器技术已经成为改善参数的重要途径MPC的鲁棒性。然而，观测器的构造及其参数配置会增加算法的难度，降低算法的可用性。