一种双三相电机高精度模型预测电流控制系统及控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种双三相电机高精度模型预测电流控制系统及控制方法，涉及多相电机控制技术领域。本发明专利技术将传统12虚拟电压矢量控制集进行扩展，在不损失电压利用率的前提下，设计了24个幅值相等，相角均匀的虚拟电压矢量，提高控制精度。提出一种基于最小误差的占空比计算方法，即使在单一有效虚拟电压矢量的情况下，也能同时跟踪d轴和q轴的电流，保证输出最优的占空比。此外，简化预测控制中遍历所有电压矢量的过程，降低算法的计算负担。本发明专利技术通过扩展控制集和降低占空比计算误差两方面强有力的提升了模型预测控制的精度，降低了5、7次谐波，改善转矩脉动。且保证即使在24个电压矢量作用下，计算量依然较低，提升算法的执行效率。效率。效率。

【技术实现步骤摘要】
一种双三相电机高精度模型预测电流控制系统及控制方法


[0001]本专利技术属于多相电机预测控制
，尤其涉及一种双三相电机高精度模型预测电流控制系统及控制方法。

技术介绍

[0002]随着交通运输、航天航空和国防军工等高端领域的飞速发展，电机系统作为装备的核心部件，对其要求进一步提高。多相永磁电机具有功率密度高、效率高和良好的容错能力等优势，已成为先进电机系统的首选。其中，中心点隔离，两套绕组相移30
°
连接的双三相永磁同步电机，因其特殊的结构，进而消除了6次转矩脉动，得到了广泛的应用。模型预测控制策略因具有多变量控制、易于处理非线性约束以及直观易实现的优点在功率变换器应用场合中具有良好的性能表现，逐步体现出良好的工程应用价值。但其存在计算量大以及转矩脉动高等缺点。中国专利技术专利《一种低计算量的双电机串联系统模型预测转矩控制方法》(专利号：202110774817.4)公开了一种低计算量的模型预测控制方法，该方法只需计算两个电压矢量的价值函数，相对减小了计算量，但是该方法需要计算参考电压矢量所在的位置，因此增加了两个观测器，使得系统变得复杂。中国专利技术专利《一种减小PMSM转矩脉动和磁链波动的模型预测控制方法》(专利号：202210499366.2)公开了一种减小永磁同步电机转矩脉动和磁链脉动的方法，该方法通过在单个周期内使用多个电压矢量拓宽调制范围，虽取得一定效果，但计算复杂。当模型预测控制算法应用到多相电机领域时，其备选电压矢量也呈指数倍增长，计算量也相对增大。同时，多相电机包含谐波平面，在系统运行过程中，必须对其加以控制，否则不利于电机性能，且产生较大的损耗。因此，为了提升模型预测控制在多相电机领域的应用，急需开展减少算法计算负担的相关研究，亦或是与改善转矩及磁链脉动相结合的有关技术。

技术实现思路

[0003]专利技术目的：针对双三相永磁电机模型预测控制具有转矩脉动大及计算负担重等问题，对控制集进行重新设计。将传统12虚拟电压矢量控制集进行扩展，在不损失电压利用率的前提下，设计了24个幅值相等，相角均匀的虚拟电压矢量，提高控制精度。进一步的，提出一种基于最小误差的占空比计算方法，即使在单一有效虚拟电压矢量的情况下，也能同时跟踪d轴和q轴的电流，保证输出最优的占空比。此外，简化预测控制中遍历所有电压矢量的过程，降低算法的计算负担。本专利技术通过扩展控制集和降低占空比计算误差两方面强有力的提升了模型预测控制的精度，降低了5、7次谐波，改善转矩脉动。且保证即使在24个电压矢量作用下，计算量依然较低，提升算法的执行效率。
[0004]技术方案：为实现上述专利技术目的，本专利技术所采用的技术方案如下：一种双三相电机高精度模型预测电流控制系统，包括系统硬件和系统软件(在编程中实现)，系统硬件包括双三相永磁电机、直流电源、PWM模块、逆变器、位置传感器、电流传感器；系统软件包括：合成的24虚拟电压矢量模块、转速控制器、坐标转换模块、延时模块、预测模块、占空比计算模
块、简化模块和价值函数模块；
[0005]所述双三相永磁电机由两套三相绕组空间相移30
°
构成；所述逆变器输入端与直流电源连接，逆变器信号端与PWM模块连接；逆变器为六相两电平拓扑结构，逆变器输出端与双三相电机A、B、C、D、E、F相连接，负责将PWM信号转换为驱动电机所需的六相正弦交流电；所述位置传感器采用旋转变压器，与双三相永磁电机同轴连接，所述电流传感器与逆变器连接，负责采样电机六相电流；
[0006]所述的坐标转换模块输入端连接电流传感器，输出端连接延时补偿模块，用于将自然坐标系下的六相电流转换为旋转坐标系下的电流，实现解耦控制；
[0007]所述延时模块输入端连接坐标变换模块，输出端连接预测模型，用以弥补数字系统采样带来的“一拍延时”问题；
[0008]所述预测模型模块输入端连接延时补偿模块、24虚拟电压矢量模块以及位置传感器，负责输出不同电压矢量作用下dq轴电流变化位置；
[0009]所述转速控制器由PI控制用以获取q轴参考电流，其输入端为给定转速与实际转速的误差，输出端为q轴电流的参考值；
[0010]所述的占空比计算模块输入端连接所述转速控制器以及预测模型模块，用以计算各电压矢量作用下最优电压矢量所在位置及其占空比；
[0011]所述的简化模块及价值函数模块输入端连接占空比计算模块，用以降低算法的迭代次数并选出最优矢量及其占空比；所述PWM模块输入端连接价值函数模块，将软件系统获得的最优矢量及占空比转换为相应的PWM信号，输出至逆变器，完成调制，从而驱动电机运行。
[0012]本专利技术的一种双三相电机高精度模型预测电流控制系统的控制方法，所述控制方法包括如下步骤：
[0013]步骤1)构造24个虚拟电压矢量；
[0014]步骤2)优化电压矢量的开关次序，使其标准化；
[0015]步骤3)通过位置传感器获得转速及位置角、通过电流传感器获得六相电流，再经坐标变换模块获得旋转坐标系下的电流；
[0016]步骤4)推导双三相永磁电机的预测模型；
[0017]步骤5)使用最小误差的方法计算电压矢量作用的占空比；
[0018]步骤6)简化遍历寻优的过程；
[0019]步骤7)通过价值函数选出最优电压矢量及其占空比，并输出至PWM模块，通过逆变器调制，输出相应的电压矢量，完成整个控制。
[0020]进一步，步骤1)的具体步骤包括：
[0021]双三相永磁电机配置成中性点隔离的方式，采用六相两电平电压源逆变器进行驱动，由于每个桥臂的上下两个开关器件都工作在互补导通状态，所以每个桥臂都有两个开关状态，整个逆变器共有26＝64个开关状态，与转换开关对应的64个电压矢量由下式决定：
[0022][0023]其中，a＝e
j30
°
，s
A
～s
F
分别代表各个桥臂的开关状态，u
αβ
代表αβ平面的电压矢量，
u
xy
代表xy平面的电压矢量，U
dc
表示直流母线电压，上桥臂开通为“1”，上桥臂关断则为“0”，基本电压矢量的编号按照ABC和DEF的顺序，将开关状态组合用八进制来进行表示；
[0024]虚拟电压矢量原则要求矢量在谐波平面的作用之和为零，其合成原则如下：
[0025][0026]其中，u
x i
,u
y i
表示基本电压矢量在x轴和y轴的分量，D
i
表示各基本电压矢量作用的占空比；
[0027]为保证电压利用率，选用基波平面最外围的12个大矢量及1个零矢量作为合成虚拟电压矢量的基本电压矢量，采用相邻三矢量原则进行合成新的虚拟电压矢量控制集，其合成原则如下：
[0028][0029]其中，V
i
表示第i个待合成的虚拟电压矢量，其中i＝1,2,3
…
24；u
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双三相电机高精度模型预测电流控制系统，其特征在于，包括系统硬件和系统软件，系统硬件包括双三相永磁电机、直流电源、PWM模块、逆变器、位置传感器、电流传感器；系统软件包括：合成的24虚拟电压矢量模块、转速控制器、坐标转换模块、延时模块、预测模块、占空比计算模块、简化模块和价值函数模块；所述双三相永磁电机由两套三相绕组空间相移30
°
构成；所述逆变器输入端与直流电源连接，逆变器信号端与PWM模块连接；逆变器为六相两电平拓扑结构，逆变器输出端与双三相电机A、B、C、D、E、F相连接，负责将PWM信号转换为驱动电机所需的六相正弦交流电；所述位置传感器采用旋转变压器，与双三相永磁电机同轴连接，所述电流传感器与逆变器连接，负责采样电机六相电流；所述的坐标转换模块输入端连接电流传感器，输出端连接延时补偿模块，用于将自然坐标系下的六相电流转换为旋转坐标系下的电流，实现解耦控制；所述延时模块输入端连接坐标变换模块，输出端连接预测模型，用以弥补数字系统采样带来的“一拍延时”问题；所述预测模型模块输入端连接延时补偿模块、24虚拟电压矢量模块以及位置传感器，负责输出不同电压矢量作用下dq轴电流变化位置；所述转速控制器由PI控制用以获取q轴参考电流，其输入端为给定转速与实际转速的误差，输出端为q轴电流的参考值；所述的占空比计算模块输入端连接所述转速控制器以及预测模型模块，用以计算各电压矢量作用下最优电压矢量所在位置及其占空比；所述的简化模块及价值函数模块输入端连接占空比计算模块，用以降低算法的迭代次数并选出最优矢量及其占空比；所述PWM模块输入端连接价值函数模块，将软件系统获得的最优矢量及占空比转换为相应的PWM信号，输出至逆变器，完成调制，从而驱动电机运行。2.根据权利要求1所述的一种双三相电机高精度模型预测电流控制系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：步骤1)构造24个虚拟电压矢量；步骤2)优化电压矢量的开关次序，使其标准化；步骤3)通过位置传感器获得转速及位置角、通过电流传感器获得六相电流，再经坐标变换模块获得旋转坐标系下的电流；步骤4)推导双三相永磁电机的预测模型；步骤5)使用最小误差的方法计算电压矢量作用的占空比；步骤6)简化遍历寻优的过程；步骤7)通过价值函数选出最优电压矢量及其占空比，并输出至PWM模块，通过逆变器调制，输出相应的电压矢量，完成整个控制。3.根据权利要求2所述的一种双三相电机高精度模型预测电流控制系统的控制方法，其特征在于，步骤1)的具体步骤包括：双三相永磁电机配置成中性点隔离的方式，采用六相两电平电压源逆变器进行驱动，由于每个桥臂的上下两个开关器件都工作在互补导通状态，所以每个桥臂都有两个开关状态，整个逆变器共有26＝64个开关状态，与转换开关对应的64个电压矢量由下式决定：
其中，a＝e
j30
°
，s
A
～s
F
分别代表各个桥臂的开关状态，u
αβ
代表αβ平面的电压矢量，u
xy
代表xy平面的电压矢量，U
dc
表示直流母线电压，上桥臂开通为“1”，上桥臂关断则为“0”，基本电压矢量的编号按照ABC和DEF的顺序，将开关状态组合用八进制来进行表示；虚拟电压矢量原则要求矢量在谐波平面的作用之和为零，其合成原则如下：其中，表示基本电压矢量在x轴和y轴的分量，D
i
表示各基本电压矢量作用的占空比；为保证电压利用率，选用基波平面最外围的12个大矢量及1个零矢量作为合成虚拟电压矢量的基本电压矢量，采用相邻三矢量原则进行合成新的虚拟电压矢量控制集，其合成原则如下：其中，V
i
表示第i个待合成的虚拟电压矢量，其中i＝1,2,3
…
24；u
1st
、u
2nd
、和u
3rd
分别表示第一个、第二个和第三个基本电压矢量；上标“α”、“β”、“x”和“y”表示电压矢量在对应坐标轴的分量，D1、D2、D3和D0分别表示第一个、第二个、第三个基本电压矢量和零矢量作用的占空比；规定每个基本电压矢量的幅值为0.59Udc，起始位置为0
°
，相邻两个电压矢量之间的夹角为15
°
，最终在αβ平面合成24个虚拟电压矢量，其在xy平面的分量为零。4.根据权利要求3所述的一种双三相电机高精度模型预测电流控制系统的控制方法，其特征在于，步骤2)的具体步骤包括：为了保证所合成的虚拟电压矢量能够在工业应用中实现，针对合成的24个虚拟电压矢量的开关次序进行优化，使其全部标准化，在V2、V6、V
10
、V
14
、V
18
和V
22
处采用内外两层电压矢量合成的方法代替相邻三矢量合成方法，最终合成的24个虚拟电压矢量如表1所示；表1 24虚拟电压矢量分布情况
其中，u1、
…
u0、
…
u
11
、
…
u
66
、
…
u
12
、
…
u
64
分别表示相应的64个基本电压矢量。5.根据权利要求2所述的一种双三相电机高精度模型预测电流控制系统的控制方法，其特征在于，步骤3)的具体步骤包括：位置传感器的测量转子的转轴角位移以及角速度，将其转换成电信号传输至控制器，经解码后获得电机的转速及转子的位置角信息。6个电流传感器采样电机的相电流记为：i
A
、i
B
、i
C
、i
D
、i
E
和i
F
，采用VSD坐标变换法，将自然坐标系的各个变量转换到静止坐标系，其变换矩阵为：其中，i
α
、i
β
、i
x
、i
y
、i
o1
和i
o2
表示静止坐标系α轴、β轴、x轴、y轴、o1轴、o2轴的电流...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵文祥，崔佳，吉敬华，黄林森，杜育轩，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：