[发明专利]矢量筛选和占空比结合的电机模型预测控制系统及方法

说明书

本发明公开了一种矢量筛选和占空比结合的电机模型预测控制系统及方法，根据无差拍控制的思想获得参考电压矢量；通过参考电压矢量的位置角判断参考电压矢量所在的扇区，同时快速筛选出有效的两个非零电压矢量；以参考电压矢量和快速筛选出的非零基本电压矢量之间的比较作为价值函数；提出了一种新的价值函数，采用一种占空比控制的方法，计算出非零电压矢量作用的时间；基于开关损耗最小化原则，根据非零电压矢量选择合适的零电压矢量，计算出零电压矢量作用的时间。将非零电压矢量开关状态及其作用时间，零电压矢量开关状态及其作用时间依次作用于逆变器，逆变器将开关状态转变成电压输出给永磁同步电机，驱动电机运行。

技术领域

本发明涉及一种基于矢量快速筛选和占空比控制相结合的永磁同步电机模型预测控制系统及方法，属于电机驱动及控制技术。

背景技术

永磁同步电机凭借电力电子技术、微型计算机技术、电机控制技术的飞速发展，控制技术有了长足的进步，目前正向着高精度、低成本、小型化的趋势发展。而永磁同步电机作为核心执行部件，在机床、家电，船舶、电梯、机器人及电动汽车等领域都得到了广泛的应用。尽管针对永磁同步电机的各种控制技术都陆续提出并得到了广泛研究，如矢量控制、直接转矩控制、滑模控制和模糊控制等，但在实际工程中，这些控制技术都存在一定不足，如低速特性不够理想、动态响应慢、转矩脉动大等。

有限控制集模型预测控制(finite control set-model predictive control，简称FCS-MPC)由于原理简单，容易处理系统非线性约束等优点，在当前变频调速系统中受到了广泛关注。与经典的磁场定向控制(field-orientation-control，简称FOC)相比，FCS-MPC无需脉宽调制，可直接产生逆变器驱动信号，更容易实现降低开关频率等非线性约束。另外，MPC无需坐标变换，无需电流内环及参数整定，具有结构简单、动态响应快等优点。与直接转矩控制(direct-torque-control，简称DTC)相比，FCS-MPC通过在线优化的方式来选择最佳电压矢量，在矢量选择上更加直接、精确、有效。

然而，不可否认的是在寻找最优电压矢量的过程中，模型预测控制需要遍历逆变器所有开关状态所对应的基本电压矢量，导致每个周期内的算法计算量大，尤其是针对多电平和多相电机应用场合。此外，预测值的大量计算亦会导致系统延迟，预测变得不精准。如何减少在线执行时间且不影响控制性能成为了预测模型控制的一个关键研究问题。

中国发明专利《一种永磁同步电机准无差拍模型预测磁链控制方法》(专利号为CN201610188463.4，公开日期为2016.07.13)，公开了一种准无差拍模型预测磁链控制的方法，该方法利用无差拍控制思想，获得参考电压矢量，通过参考电压矢量的位置角判断参考电压矢量所在的扇区，利用扇区选择三个有效电压矢量，最终从三个电压矢量中选择出最理想的有效电压。该专利提出了一种快速筛选电压矢量的方法，但该专利的不足之处在于，在一个控制周期内只选择一个基本电压矢量，因此会产生很大的转矩脉动和磁链脉动。

中国发明专利《有限状态集异步电机模型预测磁链控制方法及装置》(专利号为CN104092422A，公开日期为2014.10.08)，公开了一种有限状态集异步电机模型预测磁链控制方法，该方法解决了传统模型预测控制中的诸多问题，包括权重系数需繁复调试、稳态转矩与电流纹波大、采样频率要求高以及开关频率不固定等。本发明方法和该发明专利相比，首先，控制对象不同；其次，本发明方法采用控制基本电压矢量的方法，实施起来更为简单方便；此外，本发明方法采用了一种快速判断电压矢量的方法，保证了控制方法的快速性；最后，相较于该专利中的占空比计算方法，本发明方法所提出的一种新的占空比计算方法更加简单明了。因此，本发明将新的占空比计算方法和快速矢量筛选结合起来可以极大减少计算量。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术无法解决转矩脉动和磁链脉动较大的问题，提供了一种有效提高永磁同步电机驱动性能的控制系统及方法，通过将矢量快速筛选和占空比控制相结合，既降低了转矩脉动又减少了控制器的计算时间。