[发明专利]离散空间矢量调制的永磁同步电动机模型预测控制方法

说明书

本发明涉及一种离散空间矢量调制的模型预测控制方法，以提高永磁同步电动机电流、转矩和转速控制性能。本发明采用离散空间矢量调制的方法，利用基本电压矢量合成了大量离散电压矢量，但电压矢量数量的增多会明显增加计算量和计算复杂度，因此本发明采用了扇区划分的方法来减小计算量。本发明将模型预测控制方法和离散空间矢量调制方法结合，兼具了两种方法的优点，提高了稳态性能，嵌入非线性约束条件，增加了电压矢量的数量，并采用扇区划分的方法降低了计算量，有效地提高了永磁同步电动机的电流、转矩和转速控制性能。

技术领域

本发明属于永磁同步电动机控制技术领域，特别涉及一种离散空间矢量调制的模型预测控制方法，以提高永磁同步电动机电流、转矩和转速控制性能。

背景技术

永磁同步电动机以永磁体作为转子，省去了容易出现问题的集电环和电刷，提高了电动机运行的可靠性和稳定性，又因其不需要施加励磁电流，所以没有励磁损耗，提高了电动机的效率和功率密度。由于上述优点，永磁同步电动机被广泛应用于精度要求较高的速度和位置驱动，在高精度速度驱动系统要求永磁同步电动机具有低转速误差、低转矩脉动、低电流谐波和低噪声等特性，因此，改善永磁同步电动机的电流、转矩和转速的控制性能具有重要的应用价值。

近几年，伴随数字处理器和电力电子器件的快速发展，国内外专家学者提出了许多用于提高永磁同步电动机的控制性能的方法，这些控制方法大致可分为三种。第一种方法是磁场定向控制，该方法在旋转坐标系下实现了定子电流转矩分量和励磁分量的解耦，具有良好的静态性能，但转矩响应速度较慢。第二种方法是直接转矩控制，该方法根据转矩和磁链从开关表中选择合适的开关状态，其结构简单，响应速度快，但转矩脉动大且开关频率不固定。第三种方法是模型预测控制，该方法根据永磁同步电动机离散数学模型预测出下一时刻的电流、转矩或磁链，通过使期望值与预测值之间的误差最小，选择最优电压矢量，该方法稳态性能好、结构简单且易于嵌入非线性约束条件，但计算量较大。

典型的模型预测控制采用的是典型的空间矢量调制，具有八个基本电压矢量，包括六个有效电压矢量和两个零电压矢量。为了增加电压矢量的数量，本发明采用离散空间矢量调制的方法，利用基本电压矢量合成了大量离散电压矢量，但电压矢量数量的增多会明显增加计算量和计算复杂度，因此本发明采用了扇区划分的方法来减小计算量。本发明将模型预测控制方法和离散空间矢量调制方法结合，兼具了两种方法的优点，提高了稳态性能，嵌入非线性约束条件，增加了电压矢量的数量，并采用扇区划分的方法降低了计算量，有效地提高了永磁同步电动机的电流、转矩和转速控制性能。

发明内容

本发明的目的是针对高性能永磁同步电动机速度驱动系统，提供了一种离散空间矢量调制的模型预测控制方法来提高电流、转矩和转速控制性能。

模型预测控制根据其离散数学模型来实现定子电流、定子磁链或电磁转矩的预测计算，然后利用期望值与预测值之间的误差来选择最优电压矢量，期望值与预测值之间的误差关系用一个价值函数来表示，误差最小的电压矢量即为最优电压矢量。然而，过多的物理量预测会增加额外的计算量、计算误差和控制复杂度，因此本发明选择电流作为预测量，实现了简单而有效的控制。

典型的空间矢量调制仅有八个基本电压矢量，因此在电压调制时会产生较大误差，为了增加可用的电压矢量数量，将每个采样周期等比例划分为三段，则八个基本电压矢量可以在每个采样周期内合成三十个离散电压矢量，使总电压矢量的数量增加到三十八个，有效地提高了电压矢量的选取精度。但是，在三十八个候选电压矢量中选择最优电压矢量具有计算量大的缺点，为了克服此问题，根据六个有效电压矢量将三十八个电压矢量划分为六个扇区，每个扇区包括八个电压矢量，通过优先确定最优扇区的方法，将三十八个候选电压矢量减少为十三个，明显地降低了计算量。

本发明方法的具体步骤如下：

步骤1：根据八个基本电压矢量确定三十个离散电压矢量，使总电压矢量的数量增加为三十八个，并将其作为候选电压矢量。各离散电压矢量的大小和方向可用八个基本电压矢量表示为：