感应电机变控制周期双矢量模型预测电流控制方法技术

本申请提供了一种感应电机变控制周期双矢量模型预测电流控制方法，该方法包括：步骤A：将所有备选电压矢量组合列出，根据降低开关频率和计算量的原则，简化电压矢量组合，将原来的64次计算降低至32次；步骤B：根据电机的数学模型，计算出电压矢量对应的电流变化率，根据电流变化率计算下一时刻的定子电流，生成价值函数；步骤C：根据电流误差最小的原则计算各个电压矢量组合对应的作用时间；步骤D：在价值函数中加入开关频率惩罚项，将所有备选电压矢量组合及其对应的作用时间代入新的价值函数，选出令价值函数最小的电压矢量组合和对应的作用时间作为最优输出。本申请降低了计算量，对硬件设备实时运算能力的要求降低。对硬件设备实时运算能力的要求降低。对硬件设备实时运算能力的要求降低。

【技术实现步骤摘要】
感应电机变控制周期双矢量模型预测电流控制方法


[0001]本专利技术涉及电学领域，更具体地，涉及感应电机变控制周期双矢量模型预测电流控制方法。

技术介绍

[0002]两电平逆变器能够提供8个基础电压矢量，传统的模型预测控制(MPC)在一个控制周期内只选择一个电压矢量，但是并不意味着最优电压矢量的作用时间应当填满整个控制周期，因此传统方法的稳态性能较差而且开关频率是变化的。传统MPC想要获得较好的稳态效果，就需要提高采样频率，相应的会导致开关频率升高。为了降低开关频率并且提高稳态性能，有学者提出了双矢量MPC，根据占空比优化的思想在一个控制周期内施加两个电压矢量，第一个为有效电压矢量，另一个为零矢量，这种方法显著提升了稳态性能。但是传统双矢量MPC选择的两个电压矢量相对比较固定，且第二个电压矢量选择零矢量来填满整个控制周期并不一定是最优的，因此又有学者提出了广义双矢量MPC，即两个矢量都可以是有效电压矢量，根据伏秒平衡的原理来分别确定两个电压矢量的作用时间，并且针对矢量组合过多，导致数字处理器难以实时运算的问题，去除了冗余矢量组合和对系统存在不利影响的矢量组合，由49种矢量组合缩减为25种，显著提升了运算性能。值得注意的是，传统双矢量MPC和广义双矢量MPC都是在固定的采样周期内计算出两个电压矢量的作用时间，导致两个电压矢量不能在期望的最优控制周期内作用，限制了系统的稳态性能。因此有学者在永磁电机上提出了一种变周期双矢量MPC，其采用磁链和转矩构建价值函数，认为两个电压矢量的各自的最优作用时间是不固定的，因此整体控制周期也是随着电压矢量作用时间变化而变化的。这种方法与传统广义双矢量控制相比，稳态性能得到了提升。但是这种方法同样是选择了一个零矢量和一个非零矢量，且电压矢量的选择方式较为复杂，在代码实现上难度较大。
[0003]提升稳态性能，降低电流谐波的方法可以在一个控制周期内插入两个电压矢量，第二个电压矢量可以是零矢量也可以是非零矢量。同样地，当两个电压矢量在固定的控制周期内作用时，两个电压矢量各自的作用时间并不是最优的。

技术实现思路

[0004]针对上述问题，本专利技术提出了一种变周期广义双矢量模型预测控制(Variable Period Arbitrary Double Vector Model Predictive Current Control,VP
‑
MPCCⅡ)，通过构建关于定子电流的价值函数并将其最小化，设置了电压矢量作用时间的可行域，得到了最优电压矢量和对应的最优作用时间。通过仿真对提出的控制算法和传统定周期广义双矢量模型预测电流控制(Arbitrary Double Vector Model Predictive Current Control,MPCCⅡ)进行了对比分析，结果表明VP
‑
MPCCⅡ相比MPCCⅡ，两个电压矢量作用的总的控制周期将不再局限于固定的采样周期，且在不增加开关频率的基础上，降低了电流谐波，提高了稳态性能。本专利技术的目的在于提出一种在不增加开关频率的前提下提升稳态
性能，且动态响应良好的感应电机变控制周期模型预测电流控制方法。
[0005]本申请提供了一种有限状态集感应电机变控制周期模型预测电流控制方法，其步骤包括：
[0006]步骤1：将所有备选电压矢量组合列出，根据降低开关频率和计算量的原则，简化电压矢量组合，将原来的64次计算降低至32次；
[0007]步骤2：根据电机的数学模型，计算出电压矢量对应的电流变化率，根据电流变化率计算下一时刻的定子电流，生成价值函数；
[0008]步骤3：根据电流误差最小的原则计算各个电压矢量组合对应的作用时间，考虑数学建模误差和离散化数字实现，设置电压矢量作用时间可行域，将不满足可行域的作用时间根据拉格朗日条件极值重新进行计算，得到最优解；
[0009]步骤4：在价值函数中加入开关频率惩罚项，将所有备选电压矢量组合及其对应的作用时间代入新的价值函数，选出令价值函数最小的电压矢量组合和对应的作用时间作为最优输出，其作用时间即为变控制周期。
[0010]步骤5：根据步骤4中预测控制器的最优输出信息构建逆变器每个开关管的驱动信号。
[0011]在一些实施例中，步骤A包括：
[0012]将第一个电压矢量选择为u1(100)，第二个电压矢量选择无需对8个矢量再次进行轮询计算，只需对u1(100)本身，相邻的两个电压矢量u2(100)和u6(100)，以及令开关动作次数最少的零矢量u0(000)共计4个电压矢量进行计算，通过这种计算原则，将原本需要进行的64次轮询计算降低为32次。
[0013]在一些实施例中，步骤B包括：
[0014]在计算出两个电压矢量对应的电流变化量之后，假设第一个电压矢量作用时间为T1，第二个电压矢量作用时间为T2；根据感应电机数学模型，当前时刻即k时刻的定子电流是已知的，考虑一拍延迟后计算得出第一个电压矢量作用完之后的中间电流和第二个电压矢量作用完之后的电流定子电流计算如下：
[0015][0016][0017]式中，为k+1时刻定子电流，和分别为两个电压矢量对应的电流变化率；
[0018]定义VP
‑
MPCCⅡ的价值函数表示如下：
[0019][0020]式中：为定子电流参考值。
[0021]在一些实施例中，步骤C包括：
[0022]根据电流误差最小的原则，将价值函数分别对T1和T2求偏导，如下式所示：
[0023][0024]令偏导数等于零，求出两个电压矢量各自的作用时间T1和T2；
[0025]考虑数学建模误差和离散化数字实现时，设置了T1和T2作用时间的可行域，可行域的四条边界如下式所示：
[0026][0027]式中：T
min
和T
max
为作用时间的最小值和最大值；T
min
＝0.3T
sc
；T
max
＝2T
sc
；T
sc
为固定值，取100us；
[0028]当T1和T2的值都在可行域内时，各个电压矢量组合对应的作用时间即为T1和T2，并将对应的矢量组合保留下来；当T1或T2不在可行域内时，对应的电压矢量作用时间即舍去，对此矢量组合对应的T1和T2进行重新计算，根据拉格朗日条件极值，对T1和T2在可行域四条边对应的四种情况分别进行计算。
[0029]在一些实施例中，步骤D包括：
[0030]计算出电压矢量组合对应的作用时间之后，为了在跟踪期望的参考电流矢量的同时限制开关频率，在价值函数中增加关于开关频率的惩罚项，表示为：
[0031]g＝g
′1+h{|S
a
‑
S
′
a
|+|S
b
‑
S
′
b
|+|S
c
‑
S
′
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种感应电机变控制周期双矢量模型预测电流控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤A：将所有备选电压矢量组合列出，根据降低开关频率和计算量的原则，简化电压矢量组合，将原来的64次计算降低至32次；步骤B：根据电机的数学模型，计算出电压矢量对应的电流变化率，根据电流变化率计算下一时刻的定子电流，生成价值函数；步骤C：根据电流误差最小的原则计算各个电压矢量组合对应的作用时间，考虑数学建模误差和离散化数字实现，设置电压矢量作用时间可行域，将不满足可行域的作用时间根据拉格朗日条件极值重新进行计算，得到最优解；步骤D：在价值函数中加入开关频率惩罚项，将所有备选电压矢量组合及其对应的作用时间代入新的价值函数，选出令价值函数最小的电压矢量组合和对应的作用时间作为最优输出，其作用时间即为变控制周期。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A包括：将第一个电压矢量选择为u1(100)，第二个电压矢量选择无需对8个矢量再次进行轮询计算，只需对u1(100)本身，相邻的两个电压矢量u2(100)和u6(100)，以及令开关动作次数最少的零矢量u0(000)共计4个电压矢量进行计算，通过这种计算原则，将原本需要进行的64次轮询计算降低为32次。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤B包括：在计算出两个电压矢量对应的电流变化量之后，假设第一个电压矢量作用时间为T1，第二个电压矢量作用时间为T2；根据感应电机数学模型，当前时刻即k时刻的定子电流是已知的，考虑一拍延迟后计算得出第一个电压矢量作用完之后的中间电流和第二个电压矢量作用完之后的电流定子电流计算如下：定子电流计算如下：式中，为k+1时刻定子电流，和分别为两个电压矢量对应的电流变化率；定义VP
‑
MPCCⅡ的价值函数表示如下：式中：为定子电流参考值。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤C包括：根据电流误差最小的原则，将价值函数分别对T1和T2求偏导，如下式所示：令偏导数等于零，求出两个电压矢量各自的作用时间T1和T2；考虑数学建模误差和离散化数字实现时，设置了T1和T2作用时间的可行域，可行域的四条边界如下式所示：
式中：T
min
和T
max
为作用时间的最小值和最大值；T
min
＝0.3T
sc
；T
max
＝2T...

【专利技术属性】
技术研发人员：张永昌，张昊男，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：