阅读说明：本技术 一种ow-pmsm系统的有限开关序列模型预测电流控制方法 (Limited switch sequence model prediction current control method of OW-PMSM system ) 是由 吴迪 朱芮 陈继峰 胡家全 华国武 王影 于 2020-05-19 设计创作，主要内容包括：一种OW-PMSM系统的有限开关序列模型预测电流控制方法,采取每个周期作用三个电压矢量的策略,并且以减少开关次数为目标,对开关状态作用顺序进行分配,使每个周期在实现电流跟踪控制的同时,固定开关频率；矢量组合序列选定后,先确定序列中各个开关状态对应的作用时间,再根据无差拍控制思想,按照每个周期作用三个电压矢量,重新建立电流预测模型,计算每组开关序列中各个矢量的作用时间,得到预测电流值,最后通过价值函数进行遍历,在考虑开关作用顺序的基础上,选出系统最优输出开关组合序列。该方法在抑制零序电流的同时,解决转矩磁链脉动较大及开关频率不固定的问题,提高系统的控制性能。(A limited switching sequence model prediction current control method of an OW-PMSM system adopts a strategy of acting three voltage vectors in each period, and takes reducing the switching times as a target to distribute the acting sequence of the switching states, so that the switching frequency is fixed while the current tracking control is realized in each period; after the vector combination sequence is selected, determining action time corresponding to each switch state in the sequence, then acting three voltage vectors according to each period according to the dead beat control thought, reestablishing a current prediction model, calculating the action time of each vector in each group of switch sequences to obtain a predicted current value, traversing through a value function, and selecting the optimal output switch combination sequence of the system on the basis of considering the switch action sequence. The method solves the problems of large torque flux linkage pulsation and unfixed switching frequency while inhibiting zero sequence current, and improves the control performance of the system.)

一种OW-PMSM系统的有限开关序列模型预测电流控制方法

技术领域

本发明涉及电动机模型预测电流控制技术领域，特别是一种OW-PMSM 系统的有限开关序列模型预测电流控制方法。

背景技术

共直流母线OW-PMSM系统仅由单一电源供电，结构简单、可靠性高、且由单电源供电可降低成本，应用前景非常广阔。

但是，区别于双电源OW-PMSM，该系统在运行时会产生零序电流通路，影响系统的控制性能；所以，对于单电源供电的双逆变器OW-PMSM系统来说，在提出适用算法的同时需要兼顾对零序电流的抑制工作，这对电机性能的改善和对电机系统损耗的降低都极为重要。

尤其在OW-PMSM控制过程中，不但要满足控制系统的动静态性能，还要考虑不同的限制条件，硬件系统无法同时解决过多的约束。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种可以通过价值函数增加系统目标的自由度，实现对多个控制目标变量的同时控制并满足系统约束条件，从算法层面解决多约束问题的OW-PMSM系统的有限开关序列模型预测电流控制方法。

本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的。本发明是一种OW-PMSM系统的有限开关序列模型预测电流控制方法，该方法在剔除含零序电压开关状态的前提下，遵循开关频率最小原则，将有限集确定为6 组开关序列，利用无差拍控制方式依次求取各组矢量对应的作用时间，最终通过在线寻优获得最优开关序列。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，对于以上所述的OW-PMSM系统的有限开关序列模型预测电流控制方法，该方法具体步骤如下：

(1)在第kT_s周期，进行OW-PMSM系统的采样观测，得到定子三相电流i_abc ^k以及电机转速ω_e ^k；

(2)转矩电流参考值i_q ^ref由速度反馈经PI控制器，i_d ^ref＝0；

(3)求取电压矢量的对应斜率，并根据式1依次对控制集中的有限矢量组合序列求取对应电压矢量的作用时间；

其中，S_d1、S_d2、S_d0和S_q1、S_q2、S_q0分别为序列中各个矢量对应的电流变化率，t₁，t₂，t₀分别为各个矢量对应的作用时间；

(4)根据式2进行可行性判断，选出符合要求的开关序列；并通过式3 对需要调整的矢量序列进行作用时间的再分配；

式中，t₁，t₂表示有效电压矢量作用时间；t₀表示零矢量作用时间；

式中：t_a、t_b为调整后的有效矢量作用时间；t_z为调整后零电压矢量作用时间；

(5)根据式4计算不同斜率下的预测电流值：i_dq ^k+1；

其中，S_d1、S_d2、S_d0和S_q1、S_q2、S_q0分别为序列中各个矢量对应的电流变化率，t₁，t₂，t₀分别为各个矢量对应的作用时间。

(6)通过式5对有限开关序列采用在线滚动寻优，选取使价值函数取最小值的最优开关序列，进行存储，并将在下一周期施加于双逆变器系统；

其中

式中：j∈{1，2，3，4，5，6}；i∈{1，2，0}；

(7)在(k+1)T_s周期重复上述步骤。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，对于以上所述的OW-PMSM系统的有限开关序列模型预测电流控制方法，步骤(2)中，对于表贴式电机，采用id＝0控制方法，磁链电流参考值i_d ^ref＝0。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，对于以上所述的OW-PMSM系统的有限开关序列模型预测电流控制方法，根据OW-PMSM电压方程，定义dq轴电流的变化率分别为

式中，S_d为d轴电流变化率，S_q为q轴电流变化率。

与现有技术相比，本发明为了抑制共母线OW-PMSM系统中存在的零序电流，提高系统的控制性能，提出了一种基于零序电流抑制的有限开关序列的模型预测电流控制策略，采取每个周期作用三个电压矢量的策略，并且以减少开关次数为目标，对开关状态作用顺序进行分配，使每个周期在实现电流跟踪控制的同时，固定开关频率；矢量组合序列选定后，先确定序列中各个开关状态对应的作用时间，再根据无差拍控制思想，按照每个周期作用三个电压矢量，重新建立电流预测模型，计算每组开关序列中各个矢量的作用时间，得到预测电流值，最后通过价值函数进行遍历，在考虑开关作用顺序的基础上，选出系统最优输出开关组合序列。

本发明带来的有益效果：

1、抑制了单电源开绕组永磁同步电机系统的零序环流；

2、减小了电机系统转矩脉动；

4、解决了开关频率不固定的问题。

附图说明

图1为本发明的一种算法流程图；

图2为本发明不含零序电压的电压矢量空间分布图；

图3为本发明开关矢量选择原理图；

图4为本发明一个周期系统电流变化趋势图；

图5为本发明开关序列作用顺序示意图；

图6为本发明改进开关序列作用顺序示意图；

图7为本发明整体仿真控制框图；

图8为本发明OW-PMSM仿真框图；

图9为本发明仿真作用时间图；

图10为本发明电机空载启动的仿真波形图；

图11为本发明突加载仿真波形图；

图12为本发明突减载仿真波形图；

图13为本发明与现有算法的系统响应特性对比图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1，一种OW-PMSM系统的有限开关序列模型预测电流控制方法，即基于零序电流抑制的有限开关序列的模型预测电流控制方法，在抑制零序电流的同时，解决转矩磁链脉动较大及开关频率不固定的问题，提高系统的控制性能；OW-PMSM指的是开绕组永磁同步电动机。

为了提高系统的控制性能，采取每个周期作用三个电压矢量的策略，如果从选取开关序列的角度出发，即每个周期作用三个开关状态组合序列，并非单一的一个开关状态组合。并且以减少开关次数为目标，需要对开关状态作用顺序进行分配，使每个周期在实现电流跟踪控制的同时，固定开关频率；

参考图2，此时双两电平逆变器所采用的不含零序电压的空间电压矢量分布图仍然是正六边形，包含OH、OJ、OL、ON、OQ、OS六个零序电压为零的有效电压矢量以及一个零电压矢量。与两电平逆变器电压空间矢量分布图相比，只是存在30°的偏差，冗余的开关状态依旧存在。

为了便于分析，先将六个有效矢量对应的12个开关状态分为如下两组： 24′、35′、46′、51′、62′、13′为一组；15′、26′、31′、42′、53′、64′为另一组。此时每一组的有效电压矢量都有唯一确定的开关状态与其一一对应，此时对开关序列的选取可以转化为对电压矢量序列的选取。

传统的FCS-MPC一个周期只作用一个电压矢量，在此期间电流要么一直增大或者一直减小也可能无变化，导致无法准确地跟踪参考电流。所以，如果要实现对电流的精确控制，尽可能减小实际电流与参考电流之间的偏差，有限控制集中的电压矢量序列一般要含有分别使dq轴电流分量既能增大又能减小的电压矢量。但，值得指出的是，无需同时具备能够使电流增大的电压矢量也能使电流减小的电压矢量存在，最终目标只要能够不断逼近给定值。

根据OW-PMSM电压方程，定义dq轴电流的变化率分别为

式中，S_d为d轴电流变化率，S_q为q轴电流变化率，i_d ^k,i_q ^k为当前时刻电流的采样值；L_d，L_q表示电感；ψ_f表示永磁磁链；

忽略式中的杂散电阻R_s，有：

为了分析u_d、u_q对电流变化率的影响，设ω_eL_qi_q＝V_d，-ω_eL_di_d-ω_eψ_f＝V_q，当V_d，V_q在如图3所示位置时，以扇区Ⅰ为例，此时可纳入考虑的电压矢量有u₀、u₁和u₂。当V_d>0时，此时，扇区Ⅰ所确定的电压矢量位于使d轴电流变化率S_d为零的直线的右侧，即u₀、u₁和u₂皆会使d轴电流分量增大，只是变化的快慢和大小会所有区别；同理，当V_q>0，q轴电流也定会增加。当V_d＜0时，此时只有u₁位于使d轴电流变化率为零的直线右侧，即u₁可以使d 轴电流分量增大，而位于左侧的u₀和u₂将使d轴电流分量减小；同理，当V_q＜0时，此时u₂位于使q轴电流变化率为零的直线上方，则u₂可以使q轴电流分量增大，而位于下方的u₀和u₁使q轴电流分量减小。

经过分析，扇区Ⅰ中存在使电流增大的电压矢量也有使电流减小的电压矢量，有利于对电流的精确控制。由此，采用最近三矢量原则，将每一扇区的有效电压矢量和零矢量按照一定的规则组合得到虚拟电压矢量，即为一组备选电压矢量序列。

因此，根据以上原理，一共可以确定六组有限矢量序列组合，如表1所示；

表1有限矢量序列控制集

扇区号	矢量序列组合
		Ⅰ	V<sub>OH</sub>、V<sub>OJ</sub>、V<sub>OO</sub>
Ⅱ	V<sub>OJ</sub>、V<sub>OL</sub>、V<sub>OO</sub>
		Ⅲ	V<sub>OL</sub>、V<sub>ON</sub>、V<sub>OO</sub>
Ⅳ	V<sub>ON</sub>、V<sub>OQ</sub>、V<sub>OO</sub>
		Ⅴ	V<sub>OQ</sub>、V<sub>OS</sub>、V<sub>OO</sub>
Ⅵ	V<sub>OS</sub>、V<sub>OH</sub>、V<sub>OO</sub>

此时，理想情况下一个周期内dq轴电流轨迹如图3所示，在理想情况下，当一个周期作用三个电压矢量，dq轴电流按照折线的趋势变化，最终接近参考电流值；如果一个周期只作用一个电压矢量，电流则按照蓝色虚线的趋势变化，最终容易偏离参考电流值，因此三矢量的控制效果较单矢量来说控制效果会更好。

矢量组合序列选定后，需要确定序列中各个开关状态对应的作用时间，根据无差拍控制思想，按照每个周期作用三个电压矢量，重新建立电流预测模型，计算每组开关序列中各个矢量的作用时间。

结合电流变化率对对实际电流的影响，此时，dq轴电流预测模型为：

其中，S_d1、S_d2、S_d0和S_q1、S_q2、S_q0分别为序列中各个矢量对应的电流变化率，t₁，t₂，t₀分别为各个矢量对应的作用时间。

如式中，S_di，S_qi为kT_s时刻电压矢量对应的电流变化率，u_di、u_qi表示变换器电压矢量在dq轴上的投影，i∈{1，2，0}；

为了使预测电流跟上给定电流，实现无差拍跟踪控制，在电流预测模型中要使预测电流等于其参考值，使两者误差为零，即

由式，求解可得各组开关序列中3种不同开关状态的作用时间分别为:

与传统FCS-MPC策略一样，FSS-MPCC仍然通过滚动优化对有限控制集中的矢量组合序列进行在线寻优。不同的是，FSS-MPCC需要先分别计算出六组电压矢量对应的作用时间，再通过式得到预测电流值，最后通过价值函数进行遍历，在考虑开关作用顺序的基础上，选出系统最优输出开关组合序列。

FSS-MPCC价值函数如式所示：

其中

式中：j∈{1，2，3，4，5，6}；i∈{1，2，0}。

另外，需要注意的是，在每次在线寻优时，经式计算每组矢量序列的作用时间后，需要带入式进行可行性判断。t₁，t₂表示有效电压矢量作用时间；t₀表示零矢量作用时间。

若矢量作用时间满足式，则具备满足要求的矢量序列，否则将丢弃此矢量序列组；但存在一种情况，只要进行适当的再分配，就能使其满足期望要求，即从t₁＞0、t₂＞0且t₀＜0的矢量序列中择优，并作如下调整：

式中：t_a、t_b为调整后的有效矢量作用时间；t_z为调整后零电压矢量作用时间。

利用价值函数对有限矢量组合进行滚动在线寻优确定出最优矢量组合之后，由于每个周期作用的电压矢量具有随机性，仍然存在开关频率不固定的问题，逆变器每一相的开关应力无法平均分配。此时，需要根据开关状态进行矢量序列的排序，从而得到系统期望目标的最优开关组合序列。

根据前文的分析，若考虑零矢量开关状态的不同(共十个)，一组矢量序列组合将存在对应的十组开关序列。则其余五个扇区中皆存在对应的十组开关序列。但值得注意的是，为了减少开关损耗，并解决开关频率不固定的问题，需要对零矢量进行筛选。

零矢量的选择是最具灵活性的，适当选择零矢量，可尽量避免开关器件在负载电流较大时的开关动作，最大限度地减少开关损耗。于是，遵循最小损耗矢量脉宽调制思想，使每组固定的开关序列开关状态切换时产生的开关次数都为固定值。例如，当选取的非零电压矢量为u₁和u₂时，其对应的开关序列有24′-35′-77′-77′-35′-24′和35′-24′-88′-88′-24′-35′两种，则开关序列24′-35′-77′-77′-35′-24′的开关状态切换顺序如图5所示。

那么在一组对应的开关序列中，一个周期内，单个逆变器仅有两相发生开关动作，开关次数皆为两次，剩余一相开关状态始终处于低电平或高电平状态。并且在每次开关状态切换时，只有一相的开关状态发生改变。此外，前后两个半周期作用时间平均分配呈对称分布形式。

此时，一共存在12组可能的开关组合序列，如表2所示。但是，这种开关切换顺序的组合只能使开关频率基本恒定，并未实现连续定频的目的。为了达到连续定频的目的，合理运用零矢量，使每组开关序列组合在每半个周期的起始和结尾处皆插入零矢量，并保持对称分布。

表2开关组合序列

	开关切换顺序
		1	24′35′77′77′35′24′
2	35′24′88′88′24′35′
		3	46′35′77′77′35′46′
4	35′46′88′88′46′35′
		5	46′51′77′77′51′46′
6	51′46′88′88′46′51′
		7	62′51′77′77′51′62′
8	51′62′88′88′62′51′
		9	62′13′77′77′13′62′
10	13′62′88′88′62′13′
		11	24′13′77′77′13′24′
12	13′24′88′88′24′13′

如图6所示，此时，在一个控制周期中，单逆变器的三相开关管都存在切换动作，不存在某一相抑制处于低电位或者高电位的状态，两个半周期均仍保持对称分布。此外，由于在每个周期的开始和结尾处均采用相同的零开关状态(88′)，那么相邻周期之间矢量序列进行更替时，并不会发生开关状态的跳变，由此实现开关频率的固定。

最终，一共存在6组可能的开关组合序列，如表3所示。可以看出，最终所采用的开关切换模式与SVPWM非常类似，都是利用两个有效矢量和零矢量进行开关状态的组合，从而实现开关频率的固定。但是，传统的SVPWM需要进行扇区判断并经过一系列复杂的计算后并通过调制器才能生成开关状态，此外，在双逆变器馈电的开绕组电机中，无法直接使用常规SVPWM，还需要对电压矢量进行解耦；而所提方法避免了扇区的判断和电压矢量的解耦过程，只利用一个价值函数便能选出系统的最优电压矢量序列，将开关状态直接作用于逆变器。

表3改进开关组合序列

	开关切换顺序
		1	88′24′35′77′77′35′24′88′
2	88′46′35′77′77′35′46′88′
		3	88′46′51′77′77′51′46′88′
4	88′62′51′77′77′51′62′88′
		5	88′62′13′77′77′13′62′88′
6	88′24′13′77′77′13′24′88′

仿真分析：

为了对改进后的算法进行分析研究，利用Simulink搭建基于零序电流抑制的OW-PMSM系统FSS-MPCC策略的仿真模型，如图7-8所示；电机参数为：定子磁链幅值给定ψ_s＝0.15Wb，转动惯量J＝0.013kg·m²，逆变器直流供电电压V_dc＝300V，开绕组PMSM的定子电阻R_s＝0.3Ω，L＝4e-4H，永磁磁链ψ_f＝0.15Wb，绕组间的互感M＝1e-5H。

图9为采用有限开关序列模型预测控制策略求取的电压矢量作用时间变化图，稳态时，t_a、t_b、t_z均大于零，使在三矢量的作用下尽量减少本周期的电流偏差；动态时，快速调整作用时间，确保实际电流在本周期内能够到达参考值。

电机空载启动的仿真波形如图10所示，系统启动平稳，转速呈线性增长能快速响应跟上给定值。由于转速外环PI的限幅作用，q轴电流启动时为定值，三相电流波形平稳，加上本文采用i_d＝0控制q轴电流，三相电流启动电流被限制恒定；待电流稳定后，转矩输出为0N·m。由于每个周期作用电压矢量增多，电流和转矩纹波都有所减小。

如图11-12，分别为在转速给定的情况下，突加减电磁转矩对应的仿真波形图。图11，负载转矩由0N·m突增至10N·m，图12，负载转矩由10N·m 突减至5N·m。在突加减负载的过程中，转速、三相电流、q轴转矩电流以及电磁转矩皆为出现超调和振荡的现象；此外，突加减转矩时，三相电流、q 轴电流和转矩都能快速的跟上给定，响应很快；说明FSS-MPCC策略有良好动静态性能。

为了将改进前后的算法进行比较，设置系统仿真条件为：电机初始转矩为：0N·m，0.1s时刻将负载转矩加载至5N·m，在0.15s时将继续加载至 15N·m，电机给定转速恒为1000r/min。

两种算法的系统响应特性如图13所示，图中，对比两种不同算法的运行状态的响应特性可以看出，改进前的控制策略一个周期只有一个电压矢量作用，三相定子电流脉动较大并且电机系统的转矩脉动也比较大，改进后的控制策略，一个周期作用三个电压矢量，使三相定子电流和转矩脉动减小。仿真结果表明改进算法对转矩和电流脉动具有抑制效果。

综上所述，说明采用所提改进策略的单电源OW-PMSM系统即使只使用了部分电压矢量也能拥有优秀的动静态性能。