技术领域
[0001] 本
发明涉及电机控制方法领域，更具体地说，涉及一种永磁同步电机预测电流控制方法和装置。
背景技术
[0002] 永磁同步电机以其功率
密度高、效率高、可靠性好等优点，在电动
汽车等电
力传动领域得到了广泛应用。电机控制策略的优劣直接决定了驱动系统性能的好坏。随着电气传动产业化的迫切需求，对电驱系统的高效率、高密度与高可靠性要求也日益严苛。当前交流电机控制方式应用较广泛的主要是
磁场定向矢量控制(FOC)和直接转矩控制(DTC)。传统FOC虽然具有稳态性能好、转矩脉动小等优点，但由于其电流内环一般基于比例-积分(PI)
控制器进行设计，存在积分饱和PI参数整定难，交直轴(dq轴)电流控制相互影响/解耦
算法较复杂以及系统的约束不好处理等问题，导致其电流环动态响应能力受限，无法进一步提高，难以在宽速度范围内同时获得较优的动态和稳态性能；DTC虽然动态性能极佳，但其普遍问题是转矩脉动较大，仍然不能很好地满足工业上对交流电机的要求，并且低速性能较差。
[0003] 模型预测控制(MPC)被广泛认为是继FOC和DTC之后的新一代高性能控制策略，易于集成系统非线性约束和实现对电力
电子变换器和电机系统多目标控制，具有动态响应快、电流控制性能好等特点，且不需要对
硬件做改动，控制灵活、适用性强，具有非常好的应用前景。与DTC相比，模型预测控制在矢量选择上更加准确有效，它通过对电机状态进行预测，来选取当前时刻的最优
电压矢量，从而能够获得更好的稳态性能。
[0004] 传统模型预测电流控制在一个
采样周期内只有一个电压矢量作用，而单矢量预测控制需要遍历所有的基本电压矢量来预测系统下一时刻对应的状态，计算量较大；当矢量作用时间大于采样周期时，参考电压矢量处于过调制区，在过调制区的处理方法为令矢量作用时间等于采样周期，因此单矢量预测控制导致较大的电流脉动。
[0005] 为了提高系统的稳态性能，无差拍和空间矢量调制的思想被引入。三矢量预测电流控制能有效减小转矩脉动和
定子电流总谐波畸变率，但是在三矢量预测控制过调制优化方法中，矢量作用时间表达式包含三
角函数，计算较为复杂。相比于二矢量预测控制，三矢量预测控制
开关频率增大，变换器的损耗明显增加。总体来说，二矢量预测电流控制有比传统预测电流控制更好的稳态性能，比三矢量预测电流控制更低的开关频率。
[0006] 在二矢量预测控制中，存在例如“CN201610321625.7-基于无差拍优化与双矢量模型预测的电机控制方法”的
专利利用转矩和磁链同时无差拍求得参考电压矢量，利用
转子位置信息得到静止
坐标系下的参考电压矢量和位置角，根据位置角判断电压矢量所处的扇区，选择相应的备选电压矢量进行计算，得到使目标函数值最小的预测电压矢量；计算得到预测电压矢量和零矢量的作用时间。但是，在CN201610321625.7专利中，当矢量作用时间大于采样周期时，采用的处理方法为将作用
时间线性缩小至采样周期以内，仍存在一定误差，且非零矢量作用时间计算较为复杂；在计算矢量作用时间之后需要判定是否过调制，存在计算量大的问题。
[0007] 此外，在“CN201810787417.5-一种基于几何法的永磁同步电机两矢量预测控制系统及方法”的专利中，其第65-70段以及图2中的确定备选电压矢量和双电压矢量选择的计算中存在大量三角函数，提高了基于占空比的作用时间的计算的复杂度和计算量，其针对过调制的控制方法存在误差，且没对III+区域细分，求作用时间后必须判断t＞Ts、t＜0(以参 考 矢量 和A C 重 合 为 例 ，当 参 考 矢 量 长 度 ≥ 2 AC ，在 B C 上的 投 影此时作用时间大于等于Ts，若t＞Ts则令t＝Ts，若t＜0则令t＝0)。此外，CN201810787417.5专利中求作用时间是用投影长度d除以该边长，该专利的图3(b)中d为Vop在BC边上的投影长度，这种求解方法存在较大误差，比如当Vop和AO重合且p在BC上时，d＝0，u1和u2某一个作用时间为0，误差为BC/2，而按照
现有技术的误差计算方法，其误差等于0，故其求解方法存在较大误差。
[0008] 综上所述可知，在已有的现有技术中，用于两电平逆变器驱动永磁同步电机的二矢量预测电流控制仍采用传统处理方法；已出现在三矢量预测控制中的过调制优化方法计算依然复杂，对于永磁同步电机预测控制，仍然缺少一种能够同时减小转矩脉动和定子电流总谐波畸变率、提高稳态性能、改进了已有过调制优化方法、减少三角函数的使用以减少电机控制算法计算量的PMSM预测电流控制方法或装置。
发明内容
[0009] (一)技术问题
[0010] 基于上述的技术
缺陷，本发明提供一种永磁同步电机预测电流控制方法和装置，其实际上属于一种考虑过调制优化的永磁同步电机二矢量预测电流控制方法，该方法能够进一步减小永磁同步电机交直轴电流纹波，减小转矩脉动和定子电流总谐波畸变率，提高稳态性能，改进简化了已有过调制优化方法，并同时减少三角函数的使用以减少电机控制方法的计算量。
[0011] (二)技术方案
[0012] 本发明提供的一种永磁同步电机预测电流控制方法，其特征在于，该电流控制方法包括如下步骤：
[0013] 步骤1：对当前时刻永磁同步电机的直流
母线电压udc(k)、
三相电流ia(k)，ib(k)，ic(k)、转子旋转电
角速度ωe(k)与转子电角度θe(k)进行采样；
[0014] 步骤2：计算dq轴的参考电压矢量udref和uqref；
[0015] 步骤3：将udref和uqref转换为静止坐标系；根据两相旋转到两相静止的反Park变换，计算出静止坐标系的参考电压矢量uαref，uβref，uαref和uβref分别为静止坐标系下参考电压矢量对应的定子电
压实部和
虚部分量，两者共同合成参考电压矢量uref；
[0016] 步骤4：计算静止坐标系的参考电压矢量uαref和uβref所在扇区si；
[0017] 步骤5：判断uref在扇区si对应区域并选择最佳矢量，根据已推导的最佳矢量作用时间的表达式直接计算作用时间；该步骤5中具体包括：考虑过调制区和线性调制区，将扇区分成多个区域，选择与参考电压矢量uref相邻的两个非零矢量和零矢量作为备选矢量，选择线性调制区内距离参考电压矢量最近的矢量作为最佳矢量，并根据对应区域内最佳矢量与备选矢量的关系计算备选矢量中各个基本电压矢量的最佳作用时间。
[0018] 步骤6：应用基本电压矢量的最佳作用时间，以完成对永磁同步电机的控制。
[0019] 进一步的，所述步骤2中具体包括以下步骤：
[0020] 步骤2.1：根据采集的三相电流以及转子电角度计算两相旋转坐标系下的dq轴电流id(k)和iq(k)：
[0021]
[0022] 步骤2.2：永磁同步电机电压方程为：
[0023]
[0024]
[0025] 其中，Rs、ψf分别表示电机定子
电阻、转子
永磁体磁链；Ld，Ld分别表示旋转坐标系下d轴、q轴上的电感分量；
[0026] 采用一阶欧拉离散方程：
[0027]
[0028] 其中Ts为采样周期，由公式(3)-(4)得k+1时刻电流预测值为：
[0029]
[0030]
[0031] 步骤2.3：通过以下目标函数选取最优电压矢量：
[0032]
[0033] 其中， 分别为d轴和q轴参考电流，电流预测控制的目标是dq轴电流预测值跟随参考电流，理想情况下有 代入到公式(2)～(3)，可计算同步旋转坐标系上d轴、q轴上的参考电压矢量udref，uqref：
[0034]
[0035] 进一步的，所述步骤3中具体满足下式：
[0036]
[0037] 进一步的，所述步骤4包括以下步骤：
[0038] 步骤4.1：计算参考电压矢量uref的空间位置角θref：
[0039]
[0040] 公式(10)所求空间位置角θref的取值范围为[-π,π]，将其转换到[0,2π]：如果uβref大于等于0，θref不变；如果uβref小于0，θref变为θref+2π；
[0041] 步骤4.2：对于三相永磁同步电机，对应于两电平
三相电压源逆变器，共有8个基本电压矢量，包括2个零矢量与6个非零矢量；非零矢量在空间上从0度开始，逆
时针旋转，间隔为π/3，至2π共有6个基本电压矢量均匀分布，依次定义为ui，其中i＝1,2,3,…,6，零矢量定义为u0和u7；将8个基本电压矢量所在平面划分为12个扇区，即扇区si，下标i为1到12之间的自然数，每个扇区si的圆心角为30°；在每个扇区非零矢量的一端，作两条与非零矢量夹角为30°的线，将每个扇区划分为3个区域，每个扇区包含区域1-3，离起点O距离最近的区域1为线性调制区，离起点O距离次近的区域2包含线性调制区和过调制区，离起点O距离最远的区域3为过调制区，根据公式10中的空间位置角θref确定参考电压矢量uref所在扇区si：
[0042]
[0043] 上式中，函数floor()为向下取整函数。
[0044] 进一步的，所述步骤5中具体包括：
[0045] 以参考电压矢量uref在第2扇区为例，其它扇区以此类推，当参考电压矢量uref在第2扇区时，与其相邻的两个非零基本矢量为u1、u2，零矢量为u0、u7；基本矢量u1、u2、u0、u7合成的矢量起点为O，终点落在OA、AB、OB上，在第2扇区，AB左下角的区域1为线性调制区，AB右上角的区域3为过调制区，区域2包含线性调制区和过调制区；备选矢量最佳作用时间为t0～t2；其中，t1表示u1、u3、u5的作用时间，t2表示u2、u4、u6的作用时间，t0表示零矢量的作用时间，u0、u7的作用时间分别等于0.5t0，t0、t1、t2中至少有一个等于0；
[0046] (a)当参考电压矢量uref位于区域1时，uref需满足uαref≤|u|/2；此时线性调制区uOD到uref的距离最近，最佳矢量为uOD；在静止坐标系中，联立OA和CD的表达式，如公式(12)所示：
[0047]
[0048] 可得D点的横坐标为:
[0049]
[0050] 其中，|u|为备选电压矢量中非零电压矢量的幅值，也是非零电压u2的幅值；
[0051] OA是u2的幅值，长度为|u|，则 OD＝2xD；
[0052] 则u2的作用时间为：
[0053]
[0054] u1的作用时间为t1＝0；零矢量的作用时间为t0＝Ts-t1-t2；
[0055] (b)当参考电压矢量uref位于区域2时，uref需满足uαref＞0.5|u|且无论uref在线性调制区还是过调制区，均有线性调制区uOF到uref的
距离最近，矢量uOF的一端点为O，另一端点在AB上，则此时最佳矢量为uOF；在静止坐标系中，联立AB和EF的表达式，如公式(15)所示：
[0056]
[0057] 可得F点的坐标为:
[0058]
[0059] 由t1u1+t2u2＝uOF，得 得u2的作用时间为：
[0060]
[0061] u1的作用时间为t1＝Ts-t2，u0的作用时间为t0＝0；
[0062] (c)当参考电压矢量uref位于区域3时，uref需满足 由于此时线性调制区u2到uref的距离最近，则此时最佳矢量为u2，此时u2的作用时间为t2＝Ts，u1的作用时间为t1＝0，u0的作用时间为t0＝Ts-t1-t2。
[0063] 进一步的，所述步骤6中具体包括：将基本矢量的作用时间输入到脉冲发生器，通过控制逆变器桥臂的通断施加给电机对应的定子电压，以完成对永磁同步电机的控制。
[0064] 在另外一个方面，本发明还公开了一种永磁同步电机预测电流控制装置，包括：至少一个处理器；以及与所述处理器通信连接的至少一个
存储器，其中：
[0065] 所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如上述任一项所述的电流控制方法。
[0066] 在另外一个方面，本发明还公开了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行如上述任一项所述的电流控制方法。
[0067] (三)有益效果
[0068] 相对于现有技术，本发明的预测电流控制方法中具体给出了优化了12扇区和区域1-3的划分方法，在考虑了过调制情况下选取出了最佳矢量，最后给出了各个矢量的最佳作用时间t0～t2的精确简化表达式，该方法改进了已有过调制优化方法且减少了三角函数的使用，大大减少了计算量，并同时进一步减小了永磁同步电机交直轴电流纹波，减小转矩脉动和定子电流总谐波畸变率，提高了系统的稳态性能。
附图说明
[0069] 图1是本发明永磁同步电机预测电流控制系统的控制结构图。
[0070] 图2是本发明的预测电流控制方法的
流程图。
[0071] 图3是本发明的预测电流控制方法的12扇区划分图。
[0072] 图4是本发明的预测电流控制方法的12扇区细分图。
[0073] 图5是参考矢量uref位于区域1时的位置图。
[0074] 图6是参考矢量uref位于区域2时的位置图
[0075] 图7是参考矢量uref位于区域3时的位置图。
[0076] 图8是采用本发明的预测电流控制方法下电机转速为1500rpm突加15Nm负载时的三相定子电流、交直轴电流和转矩
波形图。
具体实施方式
[0077] 下面结合附图和
实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0078] 图1为本发明的系统结构图，主要包括直流电源、三相两电平电压源型逆变器、控制器和永磁同步电机等。其中，永磁同步电机作为受控单元，三相电压源型逆变器作为功率模
块以驱动受控单元，控制器从受控单元采集电机系统的机械量和电气量，再采用本发明的控制方法来选择最优的控制矢量通过调制单元输入到逆变器，实现电机的电流控制。
[0079] 本发明方法的控制流程图如图2所示。其永磁同步电机预测电流控制方法包括如下步骤：
[0080] 步骤1：对当前时刻永磁同步电机的
直流母线电压udc(k)、三相电流ia(k)，ib(k)，ic(k)、转子旋转电角速度ωe(k)与转子电角度θe(k)进行采样；
[0081] 步骤2：计算dq轴的参考电压矢量udref和uqref；
[0082] 上述步骤2中具体包括以下步骤：
[0083] 步骤2.1：根据采集的三相电流以及转子电角度计算两相旋转坐标系下的dq轴电流id(k)和iq(k)：
[0084]
[0085] 步骤2.2：永磁同步电机电压方程为：
[0086]
[0087]
[0088] 其中，Rs、ψf分别表示电机定子电阻、转子永磁体磁链；Ld，Ld分别表示旋转坐标系下d轴、q轴上的电感分量；
[0089] 采用一阶欧拉离散方程：
[0090]
[0091] 其中Ts为采样周期，由公式(3)-(4)得k+1时刻电流预测值为：
[0092]
[0093]
[0094] 步骤2.3：通过以下目标函数选取最优电压矢量：
[0095]
[0096] 其中， 分别为d轴和q轴参考电流，电流预测控制的目标是dq轴电流预测值跟随参考电流，理想情况下有 代入到公式(2)(3)，可计算同步旋转坐标系上d轴、q轴上的参考电压矢量udref，uqref：
[0097]
[0098] 步骤3：将udref和uqref转换为静止坐标系；根据两相旋转到两相静止的反Park变换，计算出静止坐标系的参考电压矢量uαref，uβref，uαref和uβref分别具体为静止坐标系下参考电压矢量对应的定子电压
实部和虚部分量，两者共同合成uref，其具体满足下式9：
[0099]
[0100] 步骤4：计算静止坐标系的参考电压矢量uαref和uβref所在扇区si；
[0101] 所述步骤4包括以下步骤：
[0102] 步骤4.1：计算参考电压矢量uref的空间位置角θref：
[0103]
[0104] 公式(10)所求空间位置角θref的取值范围为[-π,π]，将其转换到[0,2π]：如果uβref大于等于0，θref不变；如果uβref小于0，θref变为θref+2π。
[0105] 步骤4.2：对于三相永磁同步电机，对应于两电平三相电压源逆变器，共有8个基本电压矢量，包括2个零矢量与6个非零矢量；非零矢量在空间上从0度开始，逆时针旋转，间隔为π/3，至2π共有6个基本电压矢量均匀分布，依次定义为ui，其中i＝1,2,3,…,6，零矢量定义为u0和u7；
[0106] 将8个基本电压矢量所在平面划分为12个扇区，即扇区si，下标i为1到12之间的自然数，每个扇区si的圆心角为30°，如图3所示；在每个扇区非零矢量的一端，作两条与非零矢量夹角为30°的线，将每个扇区划分为3个区域，每个扇区包含区域1-3，离起点O距离最近的区域1为线性调制区，离起点O距离次近的区域2包含线性调制区和过调制区，离起点O距离最远的区域3为过调制区，如图4和图6-7所示。可根据公式10中的空间位置角θref确定参考电压矢量uref所在扇区si：
[0107]
[0108] 上式11中，函数floor()为向下取整函数。
[0109] 步骤5：判断uαβref在扇区si对应区域并选择最佳矢量，并根据最佳矢量计算最佳作用时间t0～t2。
[0110] 步骤5中的具体包括：
[0111] 考虑过调制区和线性调制区，将扇区分成多个区域，选择线性调制区内距离参考电压矢量最近的矢量作为最佳矢量，在考虑区域所属类型的情况下(即线性调制区和过调制区)，并根据对应区域内最佳矢量与备选矢量的关系计算备选矢量中各个基本电压矢量的最佳作用时间t0～t2；其中，t1表示u1、u3、u5的作用时间，t2表示u2、u4、u6的作用时间，t0表示零矢量的作用时间，u0、u7的作用时间分别等于0.5t0，t0、t1、t2中至少有一个等于0。
[0112] 以参考电压矢量uref在第2扇区为例，说明如何在划分特定区域的情况下选取最佳矢量和计算简化后的作用时间。
[0113] 当参考电压矢量uref在第2扇区时，与其相邻的两个非零基本矢量为u1、u2，零矢量为u0、u7；基本矢量u1、u2、u0、u7合成的矢量起点为O，终点落在OA、AB、OB上，在第2扇区，AB左下角的区域1为线性调制区，AB右上角的区域3为过调制区，区域2包含线性调制区和过调制区，设t1表示u1、u3、u5的作用时间，t2表示u2、u4、u6的作用时间，t0表示零矢量的作用时间，图5-7具体标注了扇区2的区域1-3的划分，在每个扇区非零矢量的一端，作两条与非零矢量夹角为30°的线，分成3个区域。
[0114] (a)当参考电压矢量uref位于区域1时，如图5所示，uref需满足uαref≤0.5|u|；此时线性调制区uOD到uref的距离最近，最佳矢量为uOD。在静止坐标系中，联立OA和CD的表达式，如公式(12)所示：
[0115]
[0116] 可得D点的横坐标为:
[0117]
[0118] 其中，|u|为备选电压矢量中非零电压矢量的幅值，也是非零电压u2的幅值；
[0119] OA是u2的幅值，长度为|u|，则 OD＝2xD；
[0120] 则u2的作用时间为：
[0121]
[0122] u1的作用时间为t1＝0，零矢量的作用时间为t0＝Ts-t1-t2。
[0123] (b)当参考电压矢量uref位于区域2时，如图6所示，uref需满足uαref＞0.5|u|且无论uref在线性调制区还是过调制区，均有线性调制区uOF到uref的距离最近，矢量uOF的一端点为O，另一端点在AB上，则此时最佳矢量为uOF，在静止坐标系中，联立AB和EF的表达式，如公式(15)所示：
[0124]
[0125] 可得F点的坐标为:
[0126]
[0127] 由t1u1+t2u2＝uOF，得 得u2的作用时间为：
[0128]
[0129] u1的作用时间为t1＝Ts-t2，u0的作用时间为t0＝0。
[0130] (c)当参考电压矢量uref位于区域3时，如图7所示，uref需满足由于此时线性调制区u2到uref的距离最近，则此时最佳矢量为u2，
此时u2的作用时间为t2＝Ts，u1的作用时间为t1＝0，u0的作用时间为t0＝Ts-t1-t2。
[0131] 同理，可计算参考矢量uref位于其他扇区时基本矢量的作用时间，并求出在考虑了过调制优化情况下所有的uref对应的12组最佳作用时间t0～t2。
[0132] 值得一提的是，由于每个扇区的位置不一样，则最佳作用时间t0～t2的公式和对应uref需满足的条件也会有所不一样，但是其简化时间t0～t2的计算方式都与上述第2扇区的计算原理相同，此处限于篇幅，故不再赘述其它11个扇区的计算方式，因为这些对本领域技术人员来说都是不用再付出创造性劳动就能够得到的结果。其12个扇区的作用时间表参见表1。
[0133] 表1 12个扇区的作用时间表
[0134]
[0135]
[0136]
[0137]
[0138]
[0139] 上述表1中，区域1和区域3内的零矢量作用时间为t0＝Ts-t1-t2。
[0140] 步骤6：应用最佳作用时间t0～t2；将基本矢量的作用时间输入到脉冲发生器，通过控制逆变器桥臂的通断施加给电机对应的定子电压，以完成对永磁同步电机的控制。
[0141] 为验证本发明控制方法的优势，与id和iq无差拍且无过调制优化的二矢量预测电流控制策略进行对比，测试工况为电机转速为1500r/min在t＝0.5s时突加15Nm负载。本发明控制方法下的系统工作波形如图8所示，图8中的图a、b、c分别表示三相定子电流、交直轴电流和转矩的波形。采用标准差计算得到两种控制策略直交轴电流脉动、转矩脉动及输出电流总谐波畸变率(THD)如表2所示。
[0142] 表2电机转速为1500r/min突加15Nm负载时两种策略的仿真结果对比
[0143]
[0144] 此外，值得一提的是，对于专利CN201810787417.5的方法，经过
发明人的实际仿真，发现其谐波和转矩的
波动都很大，且其方法存在较大误差，在仿真方面，该专利的效果比不上传统的单矢量预测控制，更不用说传统的二矢量预测控制和本发明的方法。
[0145] 需要说明的是，上述的电流控制方法可以转换为程序指令，既可以使用包括处理器和存储器的电流控制装置来运行实现，也可以通过非暂态计算机可读存储介质中存储的计算机指令来实现。
[0146] 最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
