[发明专利]一种计及矢量分区的三电平永磁同步电机模型预测控制方法

权利要求书

1.一种计及矢量分区的三电平永磁同步电机模型预测控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：通过外环转速PI控制器得到电磁转矩的参考值T_e^ref；

步骤2：获取永磁同步电机的电角度θ_r和电角速度ω_r，并将三相定子电流i_a、i_b、i_c通过Clark及Park变换得到定子电流dq轴的分量i_d和i_q；

步骤3：获取k时刻磁链测量值ψ_s(k)与d轴的夹角δ(k)以及ψ_s(k)与k+1时刻磁链参考值之间的增量角Δδ(k+1)；

步骤4：获取k+1时刻磁链参考值dq轴的分量ψ_d^ref(k+1)和ψ_q^ref(k+1)；

步骤5：对备选电压矢量进行筛选，并获取k+1时刻磁链预测值dq轴的分量ψ_d(k+1)和ψ_q(k+1)；

步骤6：通过最小化价值函数获取最优作用矢量，并以k+1时刻磁链预测值达到参考值为条件通过优化占空比获取第二作用矢量；

步骤7：通过中点电位平衡获取驱动逆变器的最优开关状态；

所述步骤3包括如下具体步骤：

首先，通过公式(5)获取k时刻dq轴的磁链分量ψ_d(k)和ψ_q(k)；然后，通过公式(6)获取k时刻αβ轴的磁链分量ψ_α(k)和ψ_β(k)；再通过公式(7)获取k时刻磁链测量值ψ_s(k)与α轴的夹角θ_s；之后，通过公式(8)获取k时刻磁链测量值ψ_s(k)与d轴的夹角δ(k)；将公式(9)所示的dq轴定子磁链方程代入公式(10)所示的电磁转矩T_e方程后对δ求导，得到公式(11)所示的转矩微分方程；根据公式(11)推导出公式(12)所示的增量角Δδ(k+1)方程：

δ(k)＝θ_s-θ_r (8)

其中，L_d、L_q分别是dq轴电感分量；ψ_f表示永磁体磁链；i_d^k、i_q^k为k时刻定子电流的dq轴分量；n_p表示永磁同步电机极对数；T_e(k)表示k时刻电磁转矩测量值；dT_e(k)/dδ(k)表示k时刻转矩T_e(k)对δ(k)角的导数；

所述步骤5包括如下具体步骤：

步骤5-1：根据公式(15)得到k+1时刻参考电压矢量u_s^ref在αβ轴的分量u_sα^ref(k+1)和u_sβ^ref(k+1)：

其中，T_s为采样时间；R_s为定子电阻；为k时刻定子电流的αβ轴分量测量值；ψ_s^ref表示定子磁链的参考值；

步骤5-2：根据公式(16)和公式(17)获得k+1时刻参考电压矢量u_s^ref与α轴的夹角θ_s^ref(k+1)；根据θ_s^ref的值判断出参考电压矢量u_s^ref所在扇区，当0θ_s^refπ/6时，参考电压矢量位于扇区1；当π/6θ_s^refπ/3时，参考电压矢量位于扇区2；当π/3θ_s^refπ/2时，参考电压矢量位于扇区3；当π/2θ_s^ref2π/3时，参考电压矢量位于扇区4；当2π/3θ_s^ref5π/6时，参考电压矢量位于扇区5；当5π/6θ_s^refπ时，参考电压矢量位于扇区6；当πθ_s^ref7π/6时，参考电压矢量位于扇区7；当7π/6θ_s^ref4π/3时，参考电压矢量位于扇区8；当4π/3θ_s^ref3π/2时，参考电压矢量位于扇区9；当3π/2θ_s^ref5π/3时，参考电压矢量位于扇区10；当5π/3θ_s^ref11π/6时，参考电压矢量位于扇区11；当11π/6θ_s^ref2π时，参考电压矢量位于扇区12；根据矢量就近原则，将参考电压矢量所在扇区内的基本矢量作为备选电压矢量，并将中点钳位式三电平逆变器备选电压矢量的数量减少至7个；由于零矢量在第二矢量作用时考虑，因此将备选电压矢量减少至4个；又考虑到正负小矢量的大小与方向相同，在中点电位平衡时考虑正小矢量，进一步将备选电压矢量减少至3个；

其中，θ₁^ref(k+1)为中间变量，范围是[0，π/2)；

步骤5-3：令扇区号表示为d，d＝1,2,3……,12，在各扇区的基本空间矢量分布中引入虚拟斜率k₁，k₂和k₃，定义逆时针方向为斜率的正方向，其中k₁为小矢量的终点到中矢量中点位置的连线，与大矢量正方向的夹角为k₂为小矢量的终点到中矢量终点位置的连线，与大矢量正方向的夹角为k₃为中矢量的终点到大矢量终点位置的连线，与大矢量正方向的夹角为然后，根据虚拟斜率所在扇区d的空间位置，确定各扇区的三个小扇区的判别条件：k₁正方向的左侧为小扇区①，k₂正方向的右侧为小扇区③，k₁和k₂之间为小扇区②；最后，判断参考电压矢量u_s^ref所在小扇区位置，确定扇区d的备选电压矢量中小扇区所包含的矢量作为最终的备选电压矢量；

步骤5-4：根据步骤5-3中筛选出的备选矢量通过公式(19)、(20)、(21)、(22)得到k+1时刻dq轴磁链预测值ψ_d(k+1)和ψ_q(k+1)：

其中，为k时刻定子电压在αβ轴上的分量；为k时刻转子电角度；表示k时刻dq轴的电压分量；表示k时刻三相定子电压，u_b^k＝(S_b-1)U_dc/2，u_c^k＝(S_c-1)U_dc/2；S_a、S_b、S_c为ABC三相的开关状态，S_i＝[0 1 2]，i＝a，b，c；i_d^k+1、i_q^k+1表示k+1时刻dq轴的电流预测值；

所述步骤6包括如下具体步骤：

首先，将步骤4和步骤5中所获取的k+1时刻磁链参考值dq轴的分量ψ_d^ref(k+1)、ψ_q^ref(k+1)和k+1时刻磁链预测值dq轴的分量ψ_d(k+1)、ψ_q(k+1)通过公式(23)所示的价值函数，从步骤5的步骤5-3筛选出的备选矢量中获取使价值函数(23)最小的最优作用矢量；然后，通过优化占空比获取第二作用矢量包括如下具体步骤：

步骤6-1：根据公式(24)计算零矢量的作用斜率S₀，再将最优作用矢量通过公式(19)和公式(20)获取最优电压矢量u_opt的q轴分量，然后代入公式(25)获得最优作用矢量的作用斜率S_opt；

步骤6-2：根据公式(26)获得最优矢量作用时间t_opt，若t_opt在0和T_s之间，则使用零矢量作为第二矢量，分配两个矢量的作用时间并结束计算，否则根据扇区内其他备选电压矢量所对应的基本电压矢量u_j的q轴分量获得u_j的作用斜率S_j；

步骤6-3：将公式(26)中的S₀替换为S_j，计算最优矢量作用时间t_opt并判断是否在0和T_s之间，如果满足条件则挑选作用斜率S_j对应的电压矢量作为第二矢量，分配两个矢量的作用时间并结束计算，如果不满足条件，判断是否j1，如果j不大于1则使j＝2继续执行步骤6-3，如果j1则判断t_opt的值，当t_optT_s则使最优矢量作用整个采样周期，当t_opt0则使零矢量作用整个采样周期；

其中，i＝1，2，3；u^k_{opt_q}表示k时刻最优矢量作用下的q轴电压。