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基于混合供电型开绕组永磁同步电机的快速三矢量模型预测控制方法

阅读：770发布：2024-01-16

专利汇可以提供基于混合供电型开绕组永磁同步电机的快速三矢量模型预测控制方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种基于混合供电型开绕组永磁同步电机的快速三矢量模型预测控制方法，该方法将电容电压平衡、定子磁链幅值和电磁转矩三个不同控制约束进行统一，根据采集的三相电流、直流电容电压来预测得到下一拍系统电压参考值，并对两个逆变器进行分配，然后利用快速三矢量方法取得与电压参考值误差最小的电压矢量组合及占空比，令其对应的开关信号作为双逆变器的驱动信号，从而实现了混合供电型开绕组永磁同步电机的控制。本发明通过将三个不同控制约束统一为单个电压控制约束，消除了两个权重因子，有效降低了模型预测控制的实现难度；通过快速三矢量方法选择最优电压矢量组合及其占空比，有效地降低算法复杂度，提升了系统稳态控制性能。，下面是基于混合供电型开绕组永磁同步电机的快速三矢量模型预测控制方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于混合供电型开绕组永磁同步电机的快速三矢量模型预测控制方法，包括如下步骤：
(1)采集系统中主逆变器的直流母线电容电压Vdc1、辅逆变器的直流母线电容电压Vdc2、电机的三相定子电流ia～ic以及转子位置角θr，并对转子位置角θr进行微分得到电机转速ωr；
(2)利用转子位置角θr对三相定子电流ia～ic进行坐标变换，得到dq 坐标系下电机定子电流的直轴分量id和交轴分量iq，并计算出定子电流位置角θi以及当前时刻电机的直轴定k k
子磁链Ψd和交轴定子磁链值Ψq；
(3)根据给定的电磁转矩参考值Teref，计算出电机定子磁链的直轴分量参考值Ψdref和交轴分量参考值Ψqref；
(4)根据Ψdref和Ψqref通过系统离散化的预测模型，计算出电机端电压的参考矢量udqrefref
以及辅逆变器输出电压的有功分量参考值uCI_act ；
(5)根据参考矢量udqref计算出电机端电压的有功分量参考值udq_actref和无功分量参考值udq_rearef，进而通过电压分配及坐标变换后得到αβ坐标系下主逆变器输出电压参考矢量uMIref和辅逆变器输出电压参考矢量uCIref；
(6)根据uMIref和uCIref建立以下评估函数G：
G＝|uMIref-uMIk+1|+|uCIref-uCIk+1|
其中：uMIk+1和uCIk+1分别为下一时刻主逆变器和辅逆变器的输出电压矢量；
(7)根据uMIref和uCIref以及基本电压矢量V0～V7的分布，确定主逆变器和辅逆变器各自使得评估函数G最小时对应的最优三矢量组合，该组合包含两个有效电压矢量Vx、Vy和一个零矢量V0，进而计算出有效电压矢量Vx和Vy对应的作用时长tx和ty；
(8)根据主逆变器的有效电压矢量Vx、Vy及其对应的作用时长tx和ty，生成三相开关信号Sa1～Sc1对主逆变器中的功率开关器件进行控制；根据辅逆变器的有效电压矢量Vx、Vy及其对应的作用时长tx和ty，生成三相开关信号Sa2～Sc2对辅逆变器中的功率开关器件进行控制。
2.根据权利要求1所述的快速三矢量模型预测控制方法，其特征在于：所述步骤(2)中通过以下公式计算定子电流位置角θi以及当前时刻电机的直轴定子磁链Ψdk和交轴定子磁链值Ψqk；
θi＝arctan(iq/id)+θr
其中：Ψf为电机的永磁体磁链，Ld和Lq分别为电机的直轴电感和交轴电感。
3.根据权利要求1所述的快速三矢量模型预测控制方法，其特征在于：所述步骤(3)中通过以下公式计算电机定子磁链的直轴分量参考值Ψdref和交轴分量参考值Ψqref；
其中：Ψf为电机的永磁体磁链，Np为电机的极对数。
4.根据权利要求1所述的快速三矢量模型预测控制方法，其特征在于：所述步骤(4)中ref
通过以下公式计算电机端电压的参考矢量udq 以及辅逆变器输出电压的有功分量参考值uCI_actref；
ref ref k k
其中：ud 和uq 分别为电机端电压的直轴分量参考值和交轴分量参考值，Ψd 和Ψq分别为当前时刻电机的直轴定子磁链和交轴定子磁链，idk和iqk分别为当前时刻电机定子电流的直轴分量和交轴分量，ts为开关控制周期，Rs为电机的定子电阻，Cdc2为辅逆变器的直流母线电容值，Vdc2ref为辅逆变器直流母线电容电压的给定参考值，|is|k为当前时刻dq坐标k
系下电机定子电流矢量is的幅值，Vdc2为当前时刻辅逆变器的直流母线电容电压，j为虚数单位。
5.根据权利要求1所述的快速三矢量模型预测控制方法，其特征在于：所述步骤(5)中通过以下公式计算电机端电压的有功分量参考值udq_actref和无功分量参考值udq_rearef；
其中：udref和uqref分别为电机端电压的直轴分量参考值和交轴分量参考值，即dq坐标系下电机端电压参考矢量udqref的d轴分量和q轴分量。
6.根据权利要求1所述的快速三矢量模型预测控制方法，其特征在于：所述步骤(5)中电压分配的标准如下：
当时，则：
当时，则：
其中：uMI_actref和uMI_rearef分别为主逆变器输出电压的有功分量参考值和无功分量参考值，uCI_actref和uCI_rearef分别为辅逆变器输出电压的有功分量参考值和无功分量参考值，Vdc2k为当前时刻辅逆变器的直流母线电容电压。
7.根据权利要求6所述的快速三矢量模型预测控制方法，其特征在于：所述步骤(5)中坐标变换的计算表达式如下：
则：
其中：uMI_αref和uMI_βref分别为αβ坐标系下主逆变器输出电压的α轴分量参考值和β轴分ref ref
量参考值，uCI_α 和uCI_β 分别为αβ坐标系下辅逆变器输出电压的α轴分量参考值和β轴分量参考值，j为虚数单位。
8.根据权利要求1所述的快速三矢量模型预测控制方法，其特征在于：所述步骤(7)中确定主逆变器和辅逆变器各自的最优三矢量组合，具体实现标准为：首先，确定uMIref和ref
uCI 在αβ坐标系中与α轴的夹角分别为θ1和θ2；
若θ1∈[0，π/3)，即判定uMIref位于第一扇区，则主逆变器的有效电压矢量Vx＝V1，Vy＝V2；
若θ2∈[0，π/3)，即判定uCIref位于第一扇区，则辅逆变器的有效电压矢量Vx＝V1，Vy＝V2；
若θ1∈[π/3，2π/3)，即判定uMIref位于第二扇区，则主逆变器的有效电压矢量Vx＝V2，Vy＝V3；若θ2∈[π/3，2π/3)，即判定uCIref位于第二扇区，则辅逆变器的有效电压矢量Vx＝V2，Vy＝V3；
若θ1∈[2π/3，π)，即判定uMIref位于第三扇区，则主逆变器的有效电压矢量Vx＝V3，Vy＝V4；若θ2∈[2π/3，π)，即判定uCIref位于第三扇区，则辅逆变器的有效电压矢量Vx＝V3，Vy＝V4；
若θ1∈[π，4π/3)，即判定uMIref位于第四扇区，则主逆变器的有效电压矢量Vx＝V4，Vy＝V5；若θ2∈[π，4π/3)，即判定uCIref位于第四扇区，则辅逆变器的有效电压矢量Vx＝V4，Vy＝V5；
若θ1∈[4π/3，5π/3)，即判定uMIref位于第五扇区，则主逆变器的有效电压矢量Vx＝V5，Vy＝V6；若θ2∈[4π/3，5π/3)，即判定uCIref位于第五扇区，则辅逆变器的有效电压矢量Vx＝V5，Vy＝V6；
若θ1∈[5π/3，2π)，即判定uMIref位于第六扇区，则主逆变器的有效电压矢量Vx＝V6，Vy＝V1；若θ2∈[5π/3，2π)，即判定uCIref位于第六扇区，则辅逆变器的有效电压矢量Vx＝V6，Vy＝V1；
其中：V0所对应的三相开关信号分别为0、0、0，即表示逆变器ABC三相下桥臂的功率开关器件导通；V1所对应的三相开关信号分别为1、0、0，即表示逆变器A相上桥臂的功率开关器件导通，B相和C相下桥臂的功率开关器件导通；V2所对应的三相开关信号分别为1、1、0，即表示逆变器A相和B相上桥臂的功率开关器件导通，C相下桥臂的功率开关器件导通；V3所对应的三相开关信号分别为0、1、0，即表示逆变器B相上桥臂的功率开关器件导通，A相和C相下桥臂的功率开关器件导通；V4所对应的三相开关信号分别为0、1、1，即表示逆变器B相和C相上桥臂的功率开关器件导通，A相下桥臂的功率开关器件导通；V5所对应的三相开关信号分别为0、0、1，即表示逆变器C相上桥臂的功率开关器件导通，A相和B相下桥臂的功率开关器件导通；V6所对应的三相开关信号分别为1、0、1，即表示逆变器A相和C相上桥臂的功率开关器件导通，B相下桥臂的功率开关器件导通；V7所对应的三相开关信号分别为1、1、1，即表示逆变器ABC三相上桥臂的功率开关器件导通。
9.根据权利要求1所述的快速三矢量模型预测控制方法，其特征在于：所述步骤(7)中对于主逆变器，通过以下公式计算其有效电压矢量Vx和Vy对应的作用时长tx和ty；
对于辅逆变器，通过以下公式计算其有效电压矢量Vx和Vy对应的作用时长tx和ty；
其中：Vxα和Vxβ分别为αβ坐标系下有效电压矢量Vx的α轴分量和β轴分量，Vyα和Vyβ分别为αβ坐标系下有效电压矢量Vy的α轴分量和β轴分量，uMI_αref和uMI_βref分别为αβ坐标系下uMIrefref ref ref
的α轴分量和β轴分量，uCI_α 和uCI_β 分别为αβ坐标系下uCI 的α轴分量和β轴分量。

说明书全文

基于混合供电型开绕组永磁同步电机的快速三矢量模型预测

控制方法

技术领域

[0001] 本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种基于混合供电型开绕组永磁同步电机的快速三矢量模型预测控制方法。

背景技术

[0002] 近年来，永磁同步电机由于具有功率因数高、结构简单、控制灵活和运行可靠等优点，应用范围不断增广，遍及军事工业、航天航空、电动汽车、国民经济和工农业生产等各个领域。然而，随着上述应用场合功率等级不断提升，单一电力电子变换器驱动系统已经无法满足性能要求。为此，采用双端供电的新型双逆变器供电的开绕组永磁同步电机系统得到了国内外学者和工业界的广泛关注；其中，混合供电型开绕组系统由于主逆变器采用直流电源供电，而辅逆变器则采用大电容供电，因此具有体积小，且不存在零序回路，无需考虑零序电流问题，因此具有很好的应用前景。

[0003] 模型预测控制是20世纪70年代产生的一种计算机控制算法，具有概念直观、易于建模、无需复杂控制参数的设计等优点，由于其本身具有处理多变量、复杂约束问题的优异能力，其对解决双逆变器开绕组电机系统特有的多约束问题具有很高的应用潜力。

[0004] 文献《S.Chowdhury,P.W.Wheeler,C.Gerada and C.Patel,Model Predictive Control for a Dual-Active Bridge Inverter With a Floating Bridge,IEEE Transaction on Industrial Electronics,vol.63,no.9,pp.5558-5568,Sept.2016.》对应用于混合供电型开绕组系统的模型预测控制进行了研究，通过将电容电压平衡作为约束纳入了评估函数，使得电容电压和系统均得到有效控制。但是，该文献提供的控制方法中评估函数包含了三个约束量：转矩、磁链幅值和电容电压平衡，导致在控制时需要对两个权重因子进行复杂的整定工作；其次，由于双逆变器系统电压矢量数目多，采用遍历方法进行寻优大大增加了算法复杂度；此外，采用单个电压矢量作用于每个控制周期，电机产生的转矩脉动也较大。

发明内容

[0005] 鉴于上述，本发明提供了一种基于混合供电型开绕组永磁同步电机的快速三矢量模型预测控制方法，通过将三个不同控制约束统一为单个电压控制约束，消除了评估函数中两个权重因子及其复杂整定工作，有效降低了模型预测控制的实现难度；通过快速三矢量方法选择最优电压矢量组合及其占空比，在有效地降低算法复杂度的情况下，极大地提升了系统稳态控制性能。

[0006] 一种基于混合供电型开绕组永磁同步电机的快速三矢量模型预测控制方法，包括如下步骤：

[0007] (1)采集系统中主逆变器的直流母线电容电压Vdc1、辅逆变器的直流母线电容电压Vdc2、电机的三相定子电流ia～ic以及转子位置角θr，并对转子位置角θr进行微分得到电机转速ωr；

[0008] (2)利用转子位置角θr对三相定子电流ia～ic进行坐标变换，得到dq 坐标系下电机定子电流的直轴分量id和交轴分量iq，并计算出定子电流位置角θi以及当前时刻电机的直轴定子磁链Ψdk和交轴定子磁链值Ψqk；

[0009] (3)根据给定的电磁转矩参考值Teref，计算出电机定子磁链的直轴分量参考值Ψdref和交轴分量参考值Ψqref；

[0010] (4)根据Ψdref和Ψqref通过系统离散化的预测模型，计算出电机端电压的参考矢量ref refudq 以及辅逆变器输出电压的有功分量参考值uCI_act ；

[0011] (5)根据参考矢量udqref计算出电机端电压的有功分量参考值udq_actref和无功分量参考值udq_rearef，进而通过电压分配及坐标变换后得到αβ坐标系下主逆变器输出电压参考矢量uMIref和辅逆变器输出电压参考矢量uCIref；

[0012] (6)根据uMIref和uCIref建立以下评估函数G：

[0013] G＝|uMIref-uMIk+1|+|uCIref-uCIk+1|

[0014] 其中：uMIk+1和uCIk+1分别为下一时刻主逆变器和辅逆变器的输出电压矢量；

[0015] (7)根据uMIref和uCIref以及基本电压矢量V0～V7的分布，确定主逆变器和辅逆变器各自使得评估函数G最小时对应的最优三矢量组合，该组合包含两个有效电压矢量Vx、Vy和一个零矢量V0，进而计算出有效电压矢量Vx和Vy对应的作用时长tx和ty；

[0016] (8)根据主逆变器的有效电压矢量Vx、Vy及其对应的作用时长tx和ty，生成三相开关信号Sa1～Sc1对主逆变器中的功率开关器件进行控制；根据辅逆变器的有效电压矢量Vx、Vy及其对应的作用时长tx和ty，生成三相开关信号Sa2～Sc2对辅逆变器中的功率开关器件进行控制。

[0017] 进一步地，所述步骤(2)中通过以下公式计算定子电流位置角θi以及当前时刻电机的直轴定子磁链Ψdk和交轴定子磁链值Ψqk；

[0018] θi＝arctan(iq/id)+θr

[0019]

[0020] 其中：Ψf为电机的永磁体磁链，Ld和Lq分别为电机的直轴电感和交轴电感。

[0021] 进一步地，所述步骤(3)中通过以下公式计算电机定子磁链的直轴分量参考值Ψdref和交轴分量参考值Ψqref；

[0022]

[0023] 其中：Ψf为电机的永磁体磁链，Np为电机的极对数。

[0024] 进一步地，所述步骤(4)中通过以下公式计算电机端电压的参考矢量udqref以及辅逆变器输出电压的有功分量参考值uCI_actref；

[0025]

[0026]

[0027] 其中：udref和uqref分别为电机端电压的直轴分量参考值和交轴分量参考值，Ψdk和Ψqk分别为当前时刻电机的直轴定子磁链和交轴定子磁链，idk和iqk分别为当前时刻电机定子电流的直轴分量和交轴分量，ts为开关控制周期，Rs为电机的定子电阻，Cdc2为辅逆变器的直流母线电容值，Vdc2ref为辅逆变器直流母线电容电压的给定参考值，|is|k为当前时刻dq坐标系下电机定子电流矢量is的幅值，Vdc2k为当前时刻辅逆变器的直流母线电容电压，j为虚数单位。

[0028] 进一步地，所述步骤(5)中通过以下公式计算电机端电压的有功分量参考值udq_actref和无功分量参考值udq_rearef；

[0029]

[0030] 其中：udref和uqref分别为电机端电压的直轴分量参考值和交轴分量参考值，即dq坐标系下电机端电压参考矢量udqref的d轴分量和q轴分量。

[0031] 进一步地，所述步骤(5)中电压分配的标准如下：

[0032] 当时，则：

[0033] 当时，则：

[0034]

[0035] 其中：uMI_actref和uMI_rearef分别为主逆变器输出电压的有功分量参考值和无功分量参考值，uCI_actref和uCI_rearef分别为辅逆变器输出电压的有功分量参考值和无功分量参考值，Vdc2k为当前时刻辅逆变器的直流母线电容电压。

[0036] 进一步地，所述步骤(5)中坐标变换的计算表达式如下：

[0037]

[0038]

[0039] 则：

[0040] 其中：uMI_αref和uMI_βref分别为αβ坐标系下主逆变器输出电压的α轴分量参考值和β轴分量参考值，uCI_αref和uCI_βref分别为αβ坐标系下辅逆变器输出电压的α轴分量参考值和β轴分量参考值，j为虚数单位。

[0041] 进一步地，所述步骤(7)中确定主逆变器和辅逆变器各自的最优三矢量组合，具体实现标准为：首先，确定uMIref和uCIref在αβ坐标系中与α轴的夹角分别为θ1和θ2；

[0042] 若θ1∈[0，π/3)，即判定uMIref位于第一扇区，则主逆变器的有效电压矢量Vx＝V1，Vyref＝V2；若θ2∈[0，π/3)，即判定uCI 位于第一扇区，则辅逆变器的有效电压矢量Vx＝V1，Vy＝V2；

[0043] 若θ1∈[π/3，2π/3)，即判定uMIref位于第二扇区，则主逆变器的有效电压矢量Vx＝V2，Vy＝V3；若θ2∈[π/3，2π/3)，即判定uCIref位于第二扇区，则辅逆变器的有效电压矢量Vx＝V2，Vy＝V3；

[0044] 若θ1∈[2π/3，π)，即判定uMIref位于第三扇区，则主逆变器的有效电压矢量Vx＝V3，Vy＝V4；若θ2∈[2π/3，π)，即判定uCIref位于第三扇区，则辅逆变器的有效电压矢量Vx＝V3，Vy＝V4；

[0045] 若θ1∈[π，4π/3)，即判定uMIref位于第四扇区，则主逆变器的有效电压矢量Vx＝V4，Vy＝V5；若θ2∈[π，4π/3)，即判定uCIref位于第四扇区，则辅逆变器的有效电压矢量Vx＝V4，Vy＝V5；

[0046] 若θ1∈[4π/3，5π/3)，即判定uMIref位于第五扇区，则主逆变器的有效电压矢量Vx＝V5，Vy＝V6；若θ2∈[4π/3，5π/3)，即判定uCIref位于第五扇区，则辅逆变器的有效电压矢量Vx＝V5，Vy＝V6；

[0047] 若θ1∈[5π/3，2π)，即判定uMIref位于第六扇区，则主逆变器的有效电压矢量Vx＝V6，Vy＝V1；若θ2∈[5π/3，2π)，即判定uCIref位于第六扇区，则辅逆变器的有效电压矢量Vx＝V6，Vy＝V1；

[0048] 其中：V0所对应的三相开关信号分别为0、0、0，即表示逆变器ABC三相下桥臂的功率开关器件导通；V1所对应的三相开关信号分别为1、0、0，即表示逆变器A相上桥臂的功率开关器件导通，B相和C相下桥臂的功率开关器件导通；V2所对应的三相开关信号分别为1、1、0，即表示逆变器A相和B相上桥臂的功率开关器件导通，C相下桥臂的功率开关器件导通；
V3所对应的三相开关信号分别为0、1、0，即表示逆变器B相上桥臂的功率开关器件导通，A相和C相下桥臂的功率开关器件导通；V4所对应的三相开关信号分别为0、1、1，即表示逆变器B相和C相上桥臂的功率开关器件导通，A相下桥臂的功率开关器件导通；V5所对应的三相开关信号分别为0、0、1，即表示逆变器C相上桥臂的功率开关器件导通，A相和B相下桥臂的功率开关器件导通；V6所对应的三相开关信号分别为1、0、1，即表示逆变器A相和C相上桥臂的功率开关器件导通，B相下桥臂的功率开关器件导通；V7所对应的三相开关信号分别为1、1、
1，即表示逆变器ABC三相上桥臂的功率开关器件导通。

[0049] 进一步地，所述步骤(7)中对于主逆变器，通过以下公式计算其有效电压矢量Vx和Vy对应的作用时长tx和ty；

[0050]

[0051] 对于辅逆变器，通过以下公式计算其有效电压矢量Vx和Vy对应的作用时长tx和ty；

[0052]

[0053] 其中：Vxα和Vxβ分别为αβ坐标系下有效电压矢量Vx的α轴分量和β轴分量，Vyα和Vyβ分别为αβ坐标系下有效电压矢量Vy的α轴分量和β轴分量，uMI_αref和uMI_βref分别为αβ坐标系下uMIref的α轴分量和β轴分量，uCI_αref和uCI_βref分别为αβ坐标系下uCIref的α轴分量和β轴分量。

[0054] 本发明控制方法以双逆变器输出电压作为控制对象，将辅逆变器直流电容电压平衡控制、电机定子磁链幅值和电磁转矩三个不同控制约束统一为电压控制约束量，根据采集得到的三相定子电流、辅逆变器直流电容电压以及转子位置角预测得到下一控制周期的电压参考值，并以有功和无功部分对两个逆变器进行电压参考值分配，然后对两个逆变器分别使用快速三矢量方法取得与电压参考值误差最小的电压矢量组合及其占空比，令其对应的开关信号作为双逆变器的驱动信号，实现混合供电型开绕组永磁同步电机的控制。

[0055] 本发明通过将三个不同控制约束统一为单个电压控制约束，消除了评估函数中两个权重因子及复杂的整定工作，有效降低了模型预测控制的实现难度；本发明通过快速三矢量方法选择最优电压矢量组合及其占空比，在有效地降低算法复杂度的情况下，极大地提升了系统稳态控制性能；基于上述优点使得本发明可以应用于混合供电型双逆变器驱动的交流电机调速系统。附图说明

[0056] 图1为混合供电型开绕组永磁同步电机系统的结构示意图。

[0057] 图2为本发明混合供电型开绕组永磁同步电机系统的快速预测控制框图。

[0058] 图3(a)为主逆变器基本电压矢量组成的电压扇区图。

[0059] 图3(b)为辅逆变器基本电压矢量组成的电压扇区图。

[0060] 图4(a)为采用本发明控制方法下开绕组电机带2Nm负载运行于750rpm的转矩Te仿真结果示意图。

[0061] 图4(b)为采用本发明控制方法下开绕组电机带2Nm负载运行于750rpm的定子三相电流ia～ic仿真结果示意图。

[0062] 图4(c)为采用本发明控制方法下开绕组电机带2Nm负载运行于750rpm的电容电压Vdc2仿真结果示意图。

[0063] 图4(d)为采用传统控制方法下开绕组电机带2Nm负载运行于750rpm的转矩Te仿真结果示意图。

[0064] 图5(a)为采用本发明控制方法下辅逆变器直流电容电压给定Vdc2ref突变的转矩Te仿真结果示意图。

[0065] 图5(b)为采用本发明控制方法下辅逆变器直流电容电压给定Vdc2ref突变的定子三相电流ia～ic仿真结果示意图。

[0066] 图5(c)为采用本发明控制方法下辅逆变器直流电容电压给定Vdc2ref突变的电容电压Vdc2仿真结果示意图。

[0067] 图5(d)为采用传统控制方法下辅逆变器直流电容电压给定Vdc2ref突变的转矩Te仿真结果示意图。

具体实施方式

[0068] 为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

[0069] 如图1所示，本发明混合供电型开绕组永磁同步电机系统包括：开绕组永磁同步电机1、主逆变器2、辅逆变器3、三相定子电流传感器4-1、主逆变器直流源电压传感器4-2、辅逆变器直流电容电压传感器4-3、转子光电编码器4-4、状态观测器4-5以及系统控制模块12。系统控制模块12以双逆变器输出电压作为控制对象，将辅逆变器直流电容电压平衡控制、开绕组永磁同步电机1定子磁链幅值和电磁转矩三个控制约束统一为电压控制约束量，从而根据三相定子电流传感器4-1采集的三相定子电流、电压传感器4-3采集的直流电容电压、转子光电编码器4-4采集的转子位置角、状态观测器4-5观测的定子交直轴磁链预测出下一控制周期的电压参考值，并以有功和无功部分对主逆变器2、辅逆变器3进行电压参考值分配，然后两个逆变器分别确定与电压参考值误差最小的电压矢量组合以及占空比，令其相对应的开关信号驱动双逆变器2、3的功率开关器件，从而实现对开绕组永磁同步电机1的控制。

[0070] 如图2所示，上述混合供电型开绕组永磁同步电机系统的快速预测控制方法，具体包括以下步骤：

[0071] (1)信号采集。

[0072] 利用定子三相电流传感器4-1采集开绕组永磁同步电机1三相定子电流信号ia～ic，利用电压传感器4-2、4-3采集主逆变器2、辅逆变器3的直流母线电容电压Vdc1和Vdc2，利用转子光电编码器4-4采集电机转子位置角θr，并对转子位置角θr进行微分得到电机转速ωr。

[0073] (2)基本状态量计算。

[0074] 利用转子位置角θr对三相定子电流ia～ic进行坐标变换，得到dq坐标系下电机定子电流的直轴分量id和交轴分量iq，并经状态观测器4-5计算得到定子电流位置角θi以及当前时刻电机的直轴定子磁链和交轴定子磁链值Ψdk和Ψqk；其中，状态观测器4-5基于以下公式：

[0075] θi＝arctan(iq/id)+θr

[0076]

[0077] (3)基本电压矢量计算。

[0078] 利用直流母线电压Vdc1和Vdc2以及逆变器的开关组合(Sa，Sb，Sc)计算逆变器基本电压矢量V0～V7，主逆变器2、辅逆变器3的计算分别如以下两组公式所示，由基本电压矢量V0～V7组成的电压调制范围如图3(a)和图3(b)所示。

[0079]

[0080]

[0081] (4)辅逆变器3有功电压参考值预测。

[0082] 将辅逆变器直流母线电压Vdc2和定子三相电流ia～ic经有功电压参考值预测模型5得到辅逆变器有功电压参考值uCI_actref；其中，有功电压参考值预测模型5基于以下公式：

[0083] uCI_actref＝[(udc_capref)2-(udc_cap)2]·Cdc_cap/(2·|is|k·ts)

[0084] (5)电机端电压参考值预测。

[0085] 电机端参考电压预测值，计算步骤如下：

[0086] a.将ωrref和ωr之差经过速度PI控制环6得到电磁转矩参考值Teref，将Teref经定子磁链给定计算模块7得到定子磁链参考值Ψdref、Ψqref；其中，定子磁链参考值计算模块7基于以下公式：

[0087]

[0088] b.将直流母线电压Vdc1、定子电流dq轴分量idk和iqk、定子磁链dq轴分量Ψdk和Ψqkref以及电机转速ωr经端电压参考值预测模块8得到电机端电压参考值udq ；其中，端电压参考值预测模块8基于以下公式：

[0089]

[0090] (6)双逆变器输出电压参考值计算。

[0091] 将电机端电压参考值udqref和辅逆变器有功电压参考值uCI_actref经电压分配模块9计算得到两个逆变器输出电压的参考值uMIref和uCIref；其中，电压分配模块9基于以下公式：

[0092] 当时，电压分配表达式为：

[0093]

[0094] 当时，电压分配表达式为：

[0095]

[0096] 经坐标变换：

[0097]

[0098]

[0099] 最后得到：

[0100]

[0101] (7)最优电压矢量组合及占空比计算。

[0102] 将两个逆变器的参考电压uMIref和uCIref分别经快速三矢量模块10得到两组最优三矢量组合及占空比uMI_opt1,2、tMI_1,2，uCI_opt1,2、tCI_1,2；其中，快速三矢量模块10基于以下步骤与公式：

[0103] 若逆变器输出电压参考值uMIref或uCIref位于第N|N＝1～5扇区时，选取最优三电压矢量组合为V0，VN和VN+1。

[0104] 若逆变器输出电压参考值uMIref或uCIref位于第6扇区时，选取最优三电压矢量组合为V0，V6和V1。

[0105] 则有效矢量Vx和Vy对应的作用时间tx和ty为：

[0106]

[0107] 其中：x和y为逆变器的输出电压参考值uMIref或uCIref在两个有效电压矢量Vx和Vy的投影比。

[0108] (8)生成开关控制信号。

[0109] 将三个最优电压矢量以及对应的作用时间(占空比)输入到开关信号生成模块11，得到驱动双逆变器功率开关管的开关信号：Sa1，Sb1，Sc1与Sa2，Sb2，Sc2，驱动混合供电型双逆变器实现对开绕组电机的控制。其中，开关信号生成模块11中，七个基本电压矢量V0～V7各自对应的开关信号组合为(0，0，0)、(1，0，0)、(1，1，0)、(0，1，0)、(0，1，1)、(0，0，1)、(1，0，1)、(1，1，1)，0和1分别表示对应相上桥臂开关管关断和开通(逆变器同一相上、下桥臂开关管的驱动信号互补)。

[0110] (9)仿真结果分析。

[0111] 仿真所采用的混合供电型开绕组永磁同步电机系统参数如表1所示，并采用MATLAB/Simulink对本发明控制方法的进行波形仿真，仿真时的参考转速为750rpm，控制周期为100μs。

[0112] 表1

[0113]

[0114] 观察图4(a)～图4(c)可以看到，开绕组永磁同步电机三相定子电流正弦，输出转矩平稳脉动小；观察图5(a)～图5(c)可以看到，当辅逆变器侧电容电压给定大幅度波动(90V-50V-90V)时，电机三相定子电流仍然保持良好的正弦波，输出转矩依旧平稳不受辅逆变器直流母线电压大小波动的影响；观察图4(d)可以看到，传统控制方法下的电机转矩脉动远大于图4(a)；由图5(d)可以看到，传统控制方法下的电机受电容电压波动影响大，输出转矩不平稳。通过仿真实验结果可以看出，本发明混合供电型开绕组永磁同步电机系统三矢量快速预测控制方法具有良好的控制性能，适用于混合供电型双逆变器驱动的交流电机调速系统。

[0115] 上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

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