[發明專利]一種PMSM的可拓展電壓空間矢量輸出的FCS-MPDTC控制系統及方法

有效

• 申請號: 201910625376.4
• 申請日: 2019-07-11
• 公開（公告）號: CN110601627B
• 公開（公告）日: 2021-09-21
• 發明（設計）人: 杜明星;田野;王白文
• 申請（專利權）人: 天津理工大學
• 主分類號: H02P21/05
• 分類號: H02P21/05;H02P21/30;H02P21/20;H02P6/10;H02P25/024;H02P27/06
• 代理公司: 天津市君硯知識產權代理有限公司 12239
• 代理人: 程昊

1.一種PMSM的可拓展電壓空間矢量輸出的FCS-MPDTC控制系統，其特征在于它包括比例積分PI控制器模塊、模型預測模塊、矢量調整模塊、電壓觀測模塊、二電平電壓源型逆變器2L-VSI模塊、永磁同步電動機PMSM、擬輸出電壓空間矢量選擇模塊、一拍滯后補償模塊以及ABC-αβ轉換模塊；其中，所述比例積分PI控制器模塊的輸入端為采集的電機轉速信號與電機轉速參考輸入信號的偏差值，其輸出端輸出轉矩的參考輸入量，與模型預測模塊的輸入端和擬輸出電壓空間矢量選擇模塊的輸入端連接；所述模型預測模塊的輸入端為轉矩和磁鏈的參考輸入量、經過一拍補償的電流、磁鏈和采集的電機的電角速度信號，且與擬輸出電壓空間矢量選擇模塊的輸出端連接；所述模型預測模塊輸出磁鏈預測偏差值g_f和轉矩預測偏差值g_T，其輸出端連接矢量調整模塊的輸入端；所述矢量調整模塊的輸入端與模型預測模塊和擬輸出電壓空間矢量選擇模塊的輸出端連接，其輸出端分別與2L-VSI模塊的輸入端及電壓觀測模塊的輸入端相連接；所述2L-VSI模塊與永磁同步電動機PMSM連接，通過電流傳感器采集PMSM的電流信號，其輸出端連接電壓觀測模塊的輸入端；所述ABC-αβ轉換模塊的輸入端為采集的永磁同步電動機PMSM的電流信號，經轉換后的信號送入一拍滯后補償模塊；所述一拍滯后補償模塊的輸入端為經過ABC-αβ轉換的永磁同步電動機PMSM的電流信號、電機的電角速度信號及電壓觀測模塊的電壓輸出信號，其輸出端輸出經一拍補償后的磁鏈信號和電流信號給擬輸出電壓空間矢量選擇模塊；

所述PMSM的可拓展電壓空間矢量輸出的FCS-MPDTC控制系統的工作方法為：

1)由電流傳感器對目標電機PMSM的兩相電流i_a(k)、i_b(k)進行采樣，利用直流采樣電路對直流側電壓V_dc(k)進行采樣，由編碼器或旋轉變壓器對電角速度ω_e(k)進行采樣；將采樣后的電流信號i_a(k)、i_b(k)輸入ABC-αβ轉換模塊對其進行坐標轉換處理，得到變換后的定子電流i_s(k)，在兩相靜止坐標系αβ下，建立永磁同步電動機的數學模型；

2)將上一運行周期經步驟7)進行矢量調整計算后輸出的最優電壓空間矢量V_x(k)的開關信號量S_{a，b，c}作用于二電平電壓源型逆變器模塊，以輸出至目標電機PMSM進行控制；

3)將直流電壓信號V_dc(k)和步驟2)中的最優電壓空間矢量V_x(k)輸入電壓觀測模塊，對于在本運行周期內作用于二電平電壓源型逆變器的電壓空間矢量V_x(k)進行電壓觀測處理，將得到作用于電機的定子電壓u_s(k)，之后將u_s(k)輸入到一拍滯后補償模塊，并將電角速度信號ω_e(k)作為電機運轉信息分別依次輸入一拍滯后補償模塊以及模型預測模塊；

4)在一拍滯后補償模塊中，利用定子電流i_s(k)進行一拍滯后補償的計算，即得到i_s(k+1)和ψ_s(k+1)，并將結果輸入擬輸出電壓空間矢量選擇模塊，該過程進行的一拍滯后補償處理是為了解決測量和計算過程所消耗的時間造成控制延遲的問題，用以提高控制精度；

5)利用步驟4)中的信息ψ_s(k+1)判斷定子磁鏈所在扇區S_n，利用步驟4)中的信息i_s(k+1)和ψ_s(k+1)計算出電磁轉矩T_e(k+1)，并根據由|ψ_s(k+1)|和T_e(k+1)及其相應的定子磁鏈參考輸入量和轉矩參考輸入量計算出的磁鏈參考偏差δψ_s和轉矩參考偏差δT_e與定子磁鏈所在扇區S_n，選擇出參與預測計算的擬輸出電壓空間矢量之后，將擬輸出電壓空間矢量和磁鏈所在扇區S_n與步驟4)中得到的i_s(k+1)和ψ_s(k+1)共同輸入模型預測模塊；

6)在模型預測模塊中，對步驟5)中選擇的擬輸出電壓空間矢量的作用效果進行預測，計算預測磁鏈ψ_s(k+2)和預測轉矩T_e(k+2)，并且計算磁鏈預測偏差值g_f和轉矩預測偏差值g_T；將g_f、g_T、及S_n共同輸入矢量調整模塊；

7)在矢量調整模塊中，利用步驟6)中所計算的磁鏈預測偏差值g_f，轉矩預測偏差值g_T對步驟5)中選取的擬輸出電壓空間矢量進行調整并輸出；

8)返回步驟1)，開始下一運行周期；

所述步驟5)中擬輸出電壓空間矢量的預選方法是利用可拓展電壓空間矢量輸出的FCS-MPDTC直接轉矩控制方法，具體包括以下內容：

在進行模型預測前，根據計算出的磁鏈參考偏差δψ_s、轉矩參考偏差δT_e和定子磁鏈所在扇區S_n，采用如表4所示的轉矩控制開關表以確定參與預測計算的矢量即：參與預測計算的擬輸出電壓空間矢量是根據表4所示的直接轉矩控制開關表對其進行選取：

表4轉矩控制開關表

根據模型預測計算中所涉及的控制目標的磁鏈預測偏差值g_f、轉矩預測偏差值g_T和定子磁鏈所在扇區S_n對所選的擬輸出電壓空間矢量進行步驟7)中所涉的矢量調整并輸出，此外，在實際控制系統的實時運算中需要考慮補償時間延時，即進行公式(11)和公式(12)所示的一拍滯后補償計算；一拍滯后補償計算所涉及的離散化電流和磁鏈計算方程如公式(11)和公式(12)所示，i_s(k+1)，ψ_s(k+1)分別為經一拍滯后補償的定子電流和定子磁鏈：

ψ_s(k+1)＝ψ_s(k)+T_s[u_s(k)-R_si_s(k)] (12)

其中，i_s為步驟1)中經測量和ABC-αβ坐標變換后得到的定子電流；L_s為定子電感；u_s為步驟3)中經電壓觀測得到定子電壓；R_s為定子電阻；ω_e為電機的電角速度；ψ_s為定子磁鏈，且ψ_s(k)是上一運行周期即k-1時刻經過如公式(12)所示的一拍滯后補償計算后得到的定子磁鏈結果；

由擬輸出電壓空間矢量選擇模塊對擬輸出電壓空間矢量進行預選，擬輸出電壓空間矢量包括由如表1所示的8個基本有效電壓空間矢量調制出的6個電壓空間矢量，分別記作V₁-V₆；

表1作用于二電平逆變器的基本電壓空間矢量

表1中，8個基本電壓空間矢量，記作U₀～U₇；V_dc是直流電壓信號；U_α、U_β分別為基本電壓空間矢量在兩相靜止坐標系下的α軸分量和β軸分量；S_a、S_b、S_c是二電平電壓源型逆變器的三個上橋臂開關信號量；

為了確定定子磁鏈ψ_s的位置，在兩相靜止坐標系αβ坐標軸所在平面劃分扇區，兩相靜止坐標系αβ中，在二電平電壓源型逆變器模塊作用下的電壓空間矢量周期性的改變π/3，則αβ坐標平面可以被分為6個扇區，如表2所示：

表2 α-β平面的矢量扇區

或者用公式(14)對其進行描述：

其中，定子磁鏈所在的扇區為S_n，n為所在扇區的序號，n∈{1，...，6}；

則ψ_s所在的位置角可用公式(15)表示：

式中，θ_s為ψ_s所在的位置角，ψ_αs和ψ_βs分別為定子磁鏈的α軸分量和β軸量；

所述步驟5)中由|ψ_s(k+1)|和T_e(k+1)計算出的磁鏈參考偏差δψ_s和轉矩參考偏差δT_e是指：

由表4，磁鏈參考偏差δψ_s及轉矩參考偏差δT_e可分別表示為：

其中：為定子磁鏈幅值的參考量，為電磁轉矩的參考輸入量；

步驟5)中選擇出參與預測計算的擬輸出電壓空間矢量具體是指：根據步驟5)中得到的磁鏈參考偏差δψ_s和轉矩參考偏差δT_e，即可得到磁鏈和轉矩的增減信號，再結合定子磁鏈位置所處的扇區，即可選擇參與模型預測計算的擬輸出電壓空間矢量，具體包括以下內容：

當δψ_s＞0時表示磁鏈增加信號，當δψ_s＜0時表示磁鏈減少信號，轉矩增減信號同理；根據表2可以確定定子磁鏈所在的扇區，再結合公式V_x＝D_m(U_a+U_b)+d(U₀或U₇)，即可得到參與預測模型計算的擬輸出電壓空間矢量；選取出的電壓空間矢量將參與模型預測的計算，且每次參與預測計算的電壓空間矢量數目僅有一個；式中，D_m是調制增益，d是占空比；

所述步驟5)中的模型預測模塊用于對磁鏈和轉矩在選定的擬輸出電壓空間矢量V_i^p作用后的控制效果的預測計算；經過一拍補償后所預測的離散化電流和磁鏈方程如公式(16)和公式(17)所示：

ψ_s(k+2)＝ψ_s(k+1)+T_s[u_s(k+1)-R_si_s(k+1)] (17)

則電磁轉矩為：

式中，u_s為定子電壓；L_s為定子電感；T_s為采樣周期；R_s為定子電阻；p為電機的極對數；表示叉乘；

根據模型預測的公式(16)～(18)計算出的磁鏈ψ_s(k+2)和轉矩T_e(k+2)，取其輸入參考值的預測偏差，分別得到如式(19)所示的磁鏈預測偏差值和式(20)所示的轉矩預測偏差值：

將得到的偏差值g_f、g_T與所選取的電壓矢量及磁鏈所在扇區信息輸入至矢量調整模塊。