[發明專利]一種永磁同步電機模型預測電流過調制控制方法

有效

• 申請號: 202010958528.5
• 申請日: 2020-09-11
• 公開（公告）號: CN112054736B
• 公開（公告）日: 2022-02-11
• 發明（設計）人: 於鋒;李凱凱;劉興;趙雙雙
• 申請（專利權）人: 南通大學
• 主分類號: H02P21/22
• 分類號: H02P21/22;H02P21/14
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 吳旭

1.一種優化分區調制的永磁同步電機模型預測電流過調制控制方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1：在每一個采樣周期，采樣電流傳感器輸出的三相電流信息i_s以及編碼器輸出的電機轉速N及電角度θ_e，并利用Clark/Park變換計算定子電流dq軸分量i_d和i_q；

步驟2：由轉速環PI控制器輸出得到q軸電流參考值i_q^ref，采用i_d＝0控制方式，設置d軸電流參考值i_d^ref為零；

步驟3：通過電流預測模型獲得8個基本電壓作用下的dq軸預測電流值i_d(k+1)和i_q(k+1)；

步驟4：根據無差拍控制原理計算出期望電壓矢量dq分量u_d^ref與u_q^ref，由期望電壓矢量幅值|U_ref|與輸出電壓矢量幅值|U_out|關系劃分調制區，并根據調制區選擇相應的電壓矢量；

步驟5：通過價值函數篩選出使得價值函數最小的電壓矢量以及使得價值函數次最小的電壓矢量，即最優電壓矢量u_opt和次最優電壓矢量u_sub；

步驟6：在不同的調制區域構建帶有罰函數的誤差評估函數，通過罰函數確定各個電壓矢量的最優作用時間，獲得逆變器的最優驅動信號；

所述步驟3包括如下具體步驟：將兩電平電壓源逆變器的8種工作模式對應的8個電壓矢量分別代入式(1)，即得到相應的dq軸預測電流值i_d(k+1)和i_q(k+1)；

式中，i_d(k)、i_q(k)分別為當前采樣時刻的d、q軸電流；R為定子電阻；ω_e為電角速度；L_d、L_q分別為d、q軸電感值；T_s為采樣周期；u_d(k)、u_q(k)分別為當前采樣時刻作用的電壓矢量d、q軸電壓值，ψ_f為永磁體磁鏈；

所述步驟4包括如下具體步驟：

根據無差拍控制原理，令式dq軸電流預測值與dq軸電流參考值i_d^ref、i_q^ref相等，如式(2)所示：

由式(1)和式(2)，計算出期望電壓矢量的dq軸分量為：

由式(4)計算得到期望電壓矢量幅值：

兩電平電壓源逆變器在線性區輸出不失真的最大電壓矢量幅值|U_out|_Lmax為U_dc為逆變器直流母線電壓，在過調制區輸出的最大電壓矢量幅值|U_out|_Omax為2U_dc/3；當|U_ref||U_out|_Lmax，定義系統處于線性調制區；當|U_out|_Lmax|U_ref||U_out|_Omax，定義系統處于過調制Ⅰ區；|U_ref||U_out|_Omax，則定義系統處于過調制Ⅱ區；由矢量合成平行四邊形法則可得，在所述線性調制區作用兩個有源矢量、一個零矢量，在所述過調制Ⅰ區作用兩個有源矢量，在所述過調制Ⅱ區作用一個有源矢量；

所述步驟5中篩選電壓矢量的具體方法為：

首先，由式(5)定義dq軸電流參考值與預測值的誤差：

式中，u_i,d表示有源電壓矢量u_i的d軸分量，u_i,q表示有源電壓矢量u_i的q軸分量，i∈{1,2,3,4,5,6}；

構建如式(6)所示的價值函數：

通過比較6個g(u_i)值，將使得價值函數最小的電壓矢量記為最優電壓矢量u_opt以及使得價值函數次最小的電壓矢量記為次最優電壓矢量u_sub；

所述步驟6包括如下具體步驟：

設u₁為最優電壓矢量u_opt，作用時間為t₁，設u₂為次最優電壓矢量u_sub，作用時間為t₂，設u₀為零矢量，作用時間為t₀；

當系統處于線性調制區：首先計算出u₀、u₁和u₂單獨作用下的dq軸預測電流值，再計算出相應的dq軸電流誤差：E_d(u_0,d)、E_q(u_0,q)、E_d(u_1,d)、E_q(u_1,q)、E_d(u_2,d)及E_q(u_2,q)，通過調制u₀、u₁和u₂三個電壓矢量，使得如式(9)所示的誤差評估函數最小：

f(t)＝g₀t₀²+g₁t₁²+g₂t₂²,(0＜t₀＜T_s,0＜t₁＜T_s,0＜t₂＜T_s,t₀+t₁+t₂＝T_s) (9)

式中，dq軸電流誤差的平方和g₀，g₁及g₂由式(10)給出；

構建帶有罰函數的誤差評估函數F(t)：

F(t)＝g₀t₀²+g₁t₁²+g₂t₂²+k(t₀+t₁+t₂-T_s)² (11)

式中，k為懲罰因子；

由式(12)計算誤差評估函數的偏導數，當偏導數函數為零時的解為使得F(t)最小的解：

由式(12)計算出t₀、t₁和t₂，結果如式(13)所示：

當k→∞時，滿足約束條件t₀+t₁+t₂-T_s＝0時使F(t)達到最小值的解即為f(t)的解：

當系統處于過調制Ⅰ區：首先由式(1)計算出u₁和u₂單獨作用下的dq軸預測電流值，再由式(5)計算出相應的dq軸電流誤差：E_d(u_1,d)、E_q(u_1,q)、E_d(u_2,d)及E_q(u_2,q)，通過調制u₁和u₂兩個電壓矢量，使得如式(15)所示的誤差函數最小：

f(t)＝g₁t₁²+g₂t₂²,(0＜t₁＜T_s,0＜t₂＜T_s,t₁+t₂＝T_s) (15)

構建帶有罰函數的誤差評估函數F(t)：

F(t)＝g₁t₁²+g₂t₂²+k(t₁+t₂-T_s)² (16)

式中，k為懲罰因子；

由式(17)計算誤差評估函數的偏導數，當偏導數函數為零時的解為使得F(t)最小的解：

由式(17)計算出t₁和t₂，結果如式(18)所示：

當k→∞時，滿足約束條件t₁+t₂-T_s＝0時使F(t)達到最小值的解即為f(t)的解：

當系統處于過調制Ⅱ區：在此區域，最優電壓矢量u₁作用整個采樣周期，t₁等于T_s；

最后根據矢量作用時間，利用七段法輸出逆變器驅動信號。