基于扩展控制集的永磁同步电机无模型预测电流控制方法

本发明涉及永磁同步电机模型预测控制，特别是基于扩展控制集的永磁同步电机无模型预测电流控制方法。

背景技术：

1、与异步电机相比，永磁同步电机具有高效率、高功率密度、低噪音、低发热、高可靠性等优点，因此在船舰电力推进、电动汽车、机器人、航空航天等领域得到了广泛的应用。传统永磁同步电机控制方法主要有矢量控制和直接转矩控制，然而，矢量控制pi参数的调节繁琐，而直接转矩控制的稳态性能差。模型预测控制根据预测模型，预测电压矢量作用对系统未来性能的影响，通过遍历所有可选的电压矢量，在给定时域内在线求解出系统的优化问题，最后将选择出的最优电压矢量作用于电机。模型预测控制相较于矢量控制具有更简单的控制结构，无需pi整定，而且可以得到快速的转矩与电流的响应，同时可以为不同的系统专门设计相应的优化目标，诸如抑制谐波电流，提高负载电流的质量，降低开关频率等等；而模型预测控制与直接转矩控制相比，又可以获得较为固定的开关频率以及较好的稳态性能；因此，其受到了学术界和工业界的广泛关注。

2、虽然传统的模型预测控制具有响应速度快，易于实现等优点，但是由于传统的模型预测控制采用理想化电机建模，忽略了电机参数变化，导致模型严重依赖于电机参数的准确性。同时，实际运行过程中电机参数的不确定性必然会导致系统控制性能的下降。为解决这个问题，提高模型预测控制的鲁棒性，无模型预测控制方法被提出，然而，由于目前存在的无模型预测控制方法仅使用了7个基本电压矢量，存在电流梯度更新停滞的问题，导致该方法的电流纹波过大，严重影响了电机运行的稳定性。为了解决以上问题，迫切需要研究一种抑制电流梯度更新停滞的无模型预测控制方法。

技术实现思路

1、本发明针对上述技术中存在的不足，提出了一种具有扩展控制集的永磁同步电机转矩脉动抑制无模型预测电流控制方法；本发明通过离散空间矢量调制将控制集从7个电压矢量扩展到37个电压矢量，从而减轻转矩脉动；此外，根据电机电流和作用电压矢量进行了电流梯度估计与电压矢量预选，有效的减少了无模型预测电流控制算法的计算负担，可以有效降级模型预测控制算法对微控制器性能的要求。

2、基于扩展控制集的永磁同步电机无模型预测电流控制方法，包括如下步骤：

3、步骤1：在第k控制周期，获取三相永磁同步电机电流ia(k)、ib(k)、ic(k)、电动势ψr、反电动势es、定子电感ls、转子电角度θe和转子电角速度ωe，并通过变换得到第k控制周期α、β轴电流iα(k)和iβ(k)；

4、步骤2：利用离散空间矢量调制技术构造扩展控制集，将无模型预测电流控制方法中的原来的7个基本电压矢量扩展到37个；

5、步骤3：利用扩展后的最小基本电压矢量的α、β轴分量vα和vβ，获取基本电压矢量对应的电流梯度和并获得电压矢量作用后的k+1控制周期预测电流和

6、步骤4：通过延时补偿，得到参考电流梯度和根据和的值确定候选电压矢量所在的象限，然后缩小候选电压矢量所在区域，将候选电压矢量数目从37个减少到6个；

7、步骤5：根据候选电压矢量vxy，计算得到相应的电流梯度然后根据代价函数，从候选电压矢量中选择选出最优电压矢量，并生成逆变器控制信号。

8、进一步的，所述的利用扩展后的最小基本电压矢量的α、β轴分量vα和vβ，获取基本电压矢量对应的电流梯度和并获得电压矢量作用后的k+1控制周期预测电流和的方法为：

9、在控制周期t≤100us的情况下，由于t很短，可以假设is与es在相邻的控制周期内是等价的，利用扩展后的最小基本电压矢量的α、β轴分量vα和vβ，根据公式(1)计算基本电压矢量对应的电流梯度和根据公式(2)计算得到电压矢量作用后的k+1控制周期预测电流和计算方法如下：

10、

11、式中，gα＝vαt/lα，gβ＝vβt/lβ，δα＝x-m，δβ＝y-n，t为控制周期，lα、lβ为定子电感，x、y、m、n分别为最小基本电压矢量vα和vβ在k控制周期与k-1控制周期作用的个数。

12、进一步的，在公式(4)中，只有gα和gβ不能直接通过计算得到，因此，只需要估计gα和gβ，便可得到预测电流；gα和gβ可以计算为：

13、

14、进一步的，所述步骤2中，利用离散空间矢量调制技术构造的扩展控制集为：

15、

16、式中，ti＝ts/n，n为离散步数，为未扩展的7个基本电压矢量。

17、扩展控制集中的基本电压矢量可以计算为：

18、

19、式中，vα＝udc/9，vβ＝3udc/9，udc为直流母线电压。

20、进一步的，所述步骤4中通过与的倍数相比较缩小候选电压矢量所在区域。

21、进一步的，所述步骤4包括如下：

22、4.1)通过延时补偿，参考电流梯度和可以计算为：

23、

24、式中，与分别为α轴与β轴的参考电流，与分别为根据(4)进行延迟补偿后的α轴与β轴电流；

25、4.2)根据和的值，确定候选电压矢量所在的象限：

26、若且则候选电压矢量在ⅰ象限；

27、若且则候选电压矢量在ⅱ象限；

28、若且则候选电压矢量在ⅲ象限；

29、若且则候选电压矢量在ⅳ象限；

30、4.3)在确定的象限内，根据与的倍数相比，减少候选电压矢量数目：

31、若则候选电压矢量区域在上下区域；

32、若则候选电压矢量区域在左右区域；

33、若则候选电压矢量区域在中间区域。

34、进一步的，所述步骤5包括：

35、5.1)、根据候选电压矢量vxy，计算得到相应的电流梯度计算方法如下：

36、

37、5.2)、根据代价函数，从候选电压矢量中选择选出最优电压矢量，其中，代价函数如公式(8)：

38、

39、进一步的，通过clark变换和park变换得到第k控制周期α、β轴电流iα(k)和iβ(k)。

40、本发明的优点和积极效果是：

41、本发明提出的一种基于扩展控制集的永磁同步电机无模型预测电流控制方法，利用离散空间矢量调制技术构造了一个扩展控制集，将控制集从7个电压矢量扩展到37个电压矢量，同时提出了一种新的电流梯度建立方法，避免了电流梯度更新的停滞问题，降低了电流纹波与总谐波失真，且设计了一种新的候选向量预选方法，通过候选向量预选，减少了候选电压矢量，从而降低控制系统的计算量。

1.基于扩展控制集的永磁同步电机无模型预测电流控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于扩展控制集的永磁同步电机无模型预测电流控制方法，其特征在于，所述的利用扩展后的最小基本电压矢量的α、β轴分量vα和vβ，获取基本电压矢量对应的电流梯度和并获得电压矢量作用后的k+1控制周期预测电流和的方法为：

3.根据权利要求1所述的基于扩展控制集的永磁同步电机无模型预测电流控制方法，其特征在于，在公式(4)中，只有gα和gβ不能直接通过计算得到，因此，只需要估计gα和gβ，便可得到预测电流；gα和gβ可以计算为：

4.根据权利要求1所述的基于扩展控制集的永磁同步电机无模型预测电流控制方法，其特征在于，所述步骤2中，利用离散空间矢量调制技术构造的扩展控制集为：

5.根据权利要求1所述的基于扩展控制集的永磁同步电机无模型预测电流控制方法，其特征在于，所述步骤4中通过与的倍数相比较缩小候选电压矢量所在区域。

6.根据权利要求1所述的基于扩展控制集的永磁同步电机无模型预测电流控制方法，其特征在于，所述步骤4包括如下：

7.根据权利要求1所述的基于扩展控制集的永磁同步电机无模型预测电流控制方法，其特征在于，所述步骤5包括：

8.根据权利要求1所述的基于扩展控制集的永磁同步电机无模型预测电流控制方法，其特征在于，通过clark变换和park变换得到第k控制周期α、β轴电流iα(k)和iβ(k)。