一种内嵌优化脉冲序列的交流电机预测控制方法

本发明涉及一种内嵌优化脉冲序列的交流电机预测控制方法，属于电机控制领域。

背景技术：

1、交流电机在低载波比运行工况下通常采用优化脉冲调制策略以降低定子电流谐波。由于优化脉冲调制难以在低成本数字处理器中实时求解，实际应用中通常采用离线优化、在线查表的方式得到稳态优化解。因此，优化脉冲调制难以匹配高动态闭环控制系统。

2、采用多步长预测的交流电机模型预测控制方法可以在低载波比下实现较优的动静态性能，但是多步长计算复杂度过高，目前仍难以工程应用。

3、现有技术还提出了模型预测控制方法，将优化脉冲调制序列预设为稳态解优化解，通过定子电流或者磁链轨迹跟踪误差来在线修正脉冲跳变沿。定子电流轨迹求解对电机参数较为敏感，控制系统需要复杂的离线参数整定流程或者需要集成在线参数辨识，使得控制器调试以及结构变得复杂。采用定子磁链轨迹跟踪的方式具有较好的参数鲁棒性，但是相关技术方案需要分离观测磁链的基波和谐波成分，或者需要以较高的采样率实时求解带约束的优化问题，算法执行的时间复杂度较高。

4、另外，现有技术中定子磁链轨迹跟踪控制策略完全依赖离线优化脉冲，只能在原始的脉冲序列附近进行调整。在高速低载波比运行时，由于长时间缺乏脉冲调整自由度，导致系统动态响应速度受限，严重时甚至引起转矩或者电流冲击。

5、为了降低计算复杂度，相关技术中的模型预测脉冲序列控制方法在系统处于稳态时直接输出离线优化脉冲序列。由于缺乏闭环校正环节，控制系统存在稳态跟踪误差，即使受到轻微扰动也会脱离优化脉冲序列，导致定子电流谐波变大。

6、因此，又不必要设计一种能够解决上述问题之一的内嵌优化脉冲序列的交流电机预测控制方法。

技术实现思路

1、为了克服上述问题，本发明人进行了深入研究，提出了一种内嵌优化脉冲序列的交流电机预测控制方法，包括以下步骤：

2、步骤1、获取优化脉冲序列；

3、步骤2、基于优化脉冲序列，获取定子磁链矢量参考值；

4、步骤3、基于脉冲序列下的定子磁链矢量跟踪误差，获取占空比；

5、步骤4、基于优化脉冲序列、占空比和开关状态跳变脉冲序列，构建占空比校正值；

6、步骤5、基于占空比校正值，获得每一种脉冲序列的成本函数值，选择成本函数值最小的脉冲序列作为逆变器在下一个控制周期内的输出。

7、在一个优选的实施方式中，步骤1中，获取下一控制周期的基波磁链相位角与上一控制周期的基波磁链相位角，通过查优化表的方法获得优化脉冲序列。

8、在一个优选的实施方式中，所述下一控制周期的基波磁链相位角表示为：

9、

10、其中，表示基波定子磁链矢量参考值。

11、在一个优选的实施方式中，步骤2中，获取的定子磁链矢量参考值表示为：

12、

13、其中，udc为直流母线电压，ωe为同步电角速度，p(θ)为优化脉冲序列在相位θ处的输出电平，j表示复数的虚部，θ是积分函数的自变量，表示定子磁链相位，ψos为磁链矢量直流偏置。

14、在一个优选的实施方式中，步骤3中，获得的定子磁链矢量跟踪误差δψs表示为：

15、

16、其中，表示磁链估计值。

17、在一个优选的实施方式中，步骤3中，所述占空比表示为：

18、

19、其中，δψsα和δψsβ分别为δψs的实部和虚部，tsc为控制周期，udc为直流母线电压。

20、在一个优选的实施方式中，在步骤4中，所述开关状态跳变脉冲序列根据逆变器三相桥臂开关跳变次数构造，

21、所述逆变器三相桥臂开关跳变次数是指：与上一控制周期结束时的桥臂开关状态相比，下一控制周期内a、b、c三相中的每相开关状态至多跳变一次。

22、在一个优选的实施方式中，步骤4中，所述开关状态跳变脉冲序列包括：

23、脉冲序列1，a、b、c三相没有开关状态跳变；

24、脉冲序列2，只有a相存在开关状态跳变；

25、脉冲序列3，只有b相存在开关状态跳变；

26、脉冲序列4，只有c相存在开关状态跳变；

27、脉冲序列5，a、b相各存在一次开关状态跳变；

28、脉冲序列6，a、c相各存在一次开关状态跳变；

29、脉冲序列7，b、c相各存在一次开关状态跳变；

30、脉冲序列8，a、b、c三相均存在一次开关状态跳变。

31、在一个优选的实施方式中，步骤4中，占空比校正值中，第一行到第八行元素为开关状态跳变脉冲序列，第九行元素为优化脉冲序列；

32、所述占空比校正值δdt表示为

33、

34、其中，

35、

36、

37、

38、m＝4λ(λ+λa+λb+λc)+3(λaλb+λbλc+λaλc)

39、δdao、δdbo、δdco为占空比校正值对应a、b、c相的共模分量；λ为权重系数，λ＞0；λa、λb、λc为a、b、c相对应脉冲序列调整的自由度标示符λs、λb、λc∈{0,1。

40、在一个优选的实施方式中，所述成本函数jm表示为：

41、

42、其中，λu为正数，λsw为开关频率限制项表示为：

43、

44、δs表示三相脉冲序列的总跳变次数。

45、本发明所具有的有益效果为：

46、(1)可以跳出离线优化脉冲解选择最合适当前运行工况的输出脉冲，提升了极低载波比下的动态响应速度和稳定性；

47、(2)引入了占空比计算，提升了输出脉冲的精细度，不需要高采样率也可取得良好的控制性能。

技术特征：

1.一种内嵌优化脉冲序列的交流电机预测控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种内嵌优化脉冲序列的交流电机预测控制方法，其特征在于，

3.根据权利要求2所述的一种内嵌优化脉冲序列的交流电机预测控制方法，其特征在于，

4.根据权利要求1所述的一种内嵌优化脉冲序列的交流电机预测控制方法，其特征在于，

5.根据权利要求1所述的一种内嵌优化脉冲序列的交流电机预测控制方法，其特征在于，

6.根据权利要求5所述的一种内嵌优化脉冲序列的交流电机预测控制方法，其特征在于，

7.根据权利要求1所述的一种内嵌优化脉冲序列的交流电机预测控制方法，其特征在于，

8.根据权利要求1所述的一种内嵌优化脉冲序列的交流电机预测控制方法，其特征在于，

9.根据权利要求1所述的一种内嵌优化脉冲序列的交流电机预测控制方法，其特征在于，

10.根据权利要求1所述的一种内嵌优化脉冲序列的交流电机预测控制方法，其特征在于，

技术总结
本发明公开了一种内嵌优化脉冲序列的交流电机预测控制方法，包括以下步骤：获取优化脉冲序列；基于优化脉冲序列，获取定子磁链矢量参考值；基于脉冲序列下的定子磁链矢量跟踪误差，获取占空比；基于优化脉冲序列、占空比和开关状态跳变脉冲序列，构建占空比校正值；基于占空比校正值，获得每一种脉冲序列的成本函数值，选择成本函数值最小的脉冲序列作为逆变器在下一个控制周期内的输出。本发明公开的内嵌优化脉冲序列的交流电机预测控制方法，提升了极低载波比下的动态响应速度和稳定性。

技术研发人员：杨海涛,张永昌,苑国锋,张虎,张晓光
受保护的技术使用者：北方工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13