[實用新型]矢量篩選和占空比結合的電機模型預測控制系統

有效

• 申請號: 201720439430.2
• 申請日: 2017-04-24
• 公開（公告）號: CN207166388U
• 公開（公告）日: 2018-03-30
• 發明（設計）人: 花為;殷芳博;黃文濤;丁石川
• 申請（專利權）人: 東南大學鹽城新能源汽車研究院
• 主分類號: H02P21/28
• 分類號: H02P21/28;H02P21/18;H02P21/20;H02P27/12;H02P6/10
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙)32249
• 代理人: 徐激波

技術領域

本實用新型涉及一種基于矢量快速篩選和占空比控制相結合的永磁同步電機模型預測控制系統，屬于電機驅動及控制技術。

背景技術

永磁同步電機憑借電力電子技術、微型計算機技術、電機控制技術的飛速發展，控制技術有了長足的進步，目前正向著高精度、低成本、小型化的趨勢發展。而永磁同步電機作為核心執行部件，在機床、家電，船舶、電梯、機器人及電動汽車等領域都得到了廣泛的應用。盡管針對永磁同步電機的各種控制技術都陸續提出并得到了廣泛研究，如矢量控制、直接轉矩控制、滑模控制和模糊控制等，但在實際工程中，這些控制技術都存在一定不足，如低速特性不夠理想、動態響應慢、轉矩脈動大等。

近年來國際上興起了一種新型控制技術，即模型預測控制。有限控制集模型預測控制(finite control set-model predictive control，簡稱FCS-MPC)由于原理簡單，容易處理系統非線性約束等優點，在當前變頻調速系統中受到了廣泛關注。與經典的磁場定向控制(field-orientation-control，簡稱FOC)相比，FCS-MPC無需脈寬調制，可直接產生逆變器驅動信號，更容易實現降低開關頻率等非線性約束。另外，MPC無需坐標變換，無需電流內環及參數整定，具有結構簡單、動態響應快等優點。與直接轉矩控制(direct-torque-control，簡稱DTC)相比，FCS-MPC通過在線優化的方式來選擇最佳電壓矢量，在矢量選擇上更加直接、精確、有效。

然而，不可否認的是在尋找最優電壓矢量的過程中，模型預測控制需要遍歷逆變器所有開關狀態所對應的基本電壓矢量，導致每個周期內的算法計算量大，尤其是針對多電平和多相電機應用場合。此外，預測值的大量計算亦會導致系統延遲，預測變得不精準。如何減少在線執行時間且不影響控制性能成為了預測模型控制的一個關鍵研究問題。

中國實用新型專利《一種永磁同步電機準無差拍模型預測磁鏈控制方法》(專利號為CN201610188463.4，公開日期為2016.07.13)，公開了一種準無差拍模型預測磁鏈控制的方法，該方法利用無差拍控制思想，獲得參考電壓矢量，通過參考電壓矢量的位置角判斷參考電壓矢量所在的扇區，利用扇區選擇三個有效電壓矢量，最終從三個電壓矢量中選擇出最理想的有效電壓。該專利提出了一種快速篩選電壓矢量的方法，但該專利的不足之處在于，在一個控制周期內只選擇一個基本電壓矢量，因此會產生很大的轉矩脈動和磁鏈脈動。

中國實用新型專利《有限狀態集異步電機模型預測磁鏈控制方法及裝置》(專利號為CN104092422A，公開日期為2014.10.08)，公開了一種有限狀態集異步電機模型預測磁鏈控制方法，該方法解決了傳統模型預測控制中的諸多問題，包括權重系數需繁復調試、穩態轉矩與電流紋波大、采樣頻率要求高以及開關頻率不固定等。本實用新型方法和該實用新型專利相比，首先，控制對象不同；其次，本實用新型方法采用控制基本電壓矢量的方法，實施起來更為簡單方便；此外，本實用新型方法采用了一種快速判斷電壓矢量的方法，保證了控制方法的快速性；最后，相較于該專利中的占空比計算方法，本實用新型方法所提出的一種新的占空比計算方法更加簡單明了。因此，本實用新型將新的占空比計算方法和快速矢量篩選結合起來可以極大減少計算量。

實用新型內容

本實用新型的目的在于針對現有技術無法解決轉矩脈動和磁鏈脈動較大的問題，提供了一種有效提高永磁同步電機驅動性能的控制系統，通過將矢量快速篩選和占空比控制相結合，既降低了轉矩脈動又減少了控制器的計算時間。

本實用新型采用的技術方案為：一種矢量快速篩選和占空比結合的電機模型預測控制系統，包括PI控制器、位置反饋模塊、定子電流采集模塊、電流微分方程計算模塊、PARK逆變換模塊、扇區判斷模塊、矢量快速選擇開關表、占空比計算模塊、最優價值函數模塊和逆變器；

轉速參考值和經位置反饋模塊得到的轉速反饋值做差，差值輸入轉速PI控制器；轉速PI控制器輸出的參考轉矩值經轉矩PI控制器得到交軸參考電流值；采樣得到的定子電流采集模塊經電流微分方程計算模塊得到交直軸參考電壓；交直軸參考電壓經 PARK逆變換模塊輸出參考電壓值的幅值和相角；參考電壓相角經扇區判斷模塊和矢量快速選擇開關表輸出快速篩選后的備選電壓矢量；進行備選電壓矢量的占空比計算模塊；備選電壓矢量及占空比值經最優價值函數模塊輸出最優非零開關狀態；最優非零開關狀態及其對應的最優零開關狀態給逆變器。

一種采用上述控制系統的矢量快速篩選和占空比結合的電機模型預測控制方法，包括以下步驟：