一种基于MPC的永磁同步电机两相四开关容错控制方法

本发明涉及一种基于mpc的永磁同步电机两相四开关容错控制方法，属于永磁同步电机控制。

背景技术：

1、近年来，永磁同步电机被广泛应用于新能源汽车驱动系统中，其优良的控制性能是实现电动汽车稳定运行的基础。逆变器是电动汽车电机驱动系统的核心部件，一旦发生故障会导致整车断电等严重后果，危及行车安全，而逆变器容错控制技术可有效改善电机驱动系统的运行可靠性，提高车辆安全性。

2、容错逆变器的拓扑结构常见的主要有三相四桥臂容错拓扑、三相四开关容错拓扑和两相四开关容错拓扑。不同的容错拓扑结构具有不同的特点，三相四桥臂容错拓扑，在原有的桥臂基础之上增加了1个冗余桥臂，电压矢量的利用率高，可有效解决故障问题，但明显增加了逆变器的开关器件数目和成本；与四桥臂拓扑相比，三相四开关容错拓扑具有体积小，成本造价低的优点，但其电压矢量的有效值仅为逆变器正常工作时的一半，可供选择的电压矢量少，输出转矩脉动大，同时这种拓扑只能对逆变器的单相故障进行容错，限制了其应用范围；两相四开关容错逆变器，通过直接舍弃故障相，将电机中性点连接至直流电源中点，不但能够对逆变器的单相故障进行容错，还能够对电机单相故障进行容错，容错拓扑结构简单，所需额外增加的器件数量少，成本低，体积小，具有更大的优势。

3、在控制技术方面，传统基于矢量控制的永磁同步电机控制技术，参数计算复杂，动态响应速度慢，已经愈发不能满足人们的需求。近年来国内外学者为此做了大量研究，提出了诸如模型预测控制、模糊控制、滑模控制等新型控制方案，这些新的控制理论均提升了电机系统在正常工作状态下的运行性能，而对系统在逆变器故障情况下的运行状态研究较少。特别是基于模型预测控制的永磁同步电机控制技术，利用价值函数选择最优电压矢量，具有转矩脉动小、动态响应速度快等优点，能够有效提高电机控制的动态响应速度，成为目前在电机驱动控制技术方面研究的热点。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于mpc的永磁同步电机两相四开关容错控制方法，将故障容错拓扑重构与模型预测直接转矩控制策略相结合，使系统能具有一定的容错能力，并拥有良好的稳态和动态性能。

2、本发明所采用的技术方案是：

3、一种基于mpc的永磁同步电机两相四开关容错控制方法，包括如下步骤：

4、(1)逆变器某相开关管故障时，断开故障桥臂，将电机中性点连接至直流电源中点，将逆变器重构为两相四开关容错运行拓扑。

5、(2)由电流霍尔传感器采集永磁同步电机的三相定子电流ia、ib、ic，利用光电编码器计算获得电机转子的电角度θ和实际转速n；根据电机转子的电角度θ，三相定子电流ia、ib、ic经旋转坐标变换后，得到两相同步旋转坐标系下的dq轴电流分量id、iq；

6、(3)基于pi调节器的转速外环设计，电机实际转速n与给定转速n*作差，经过pi控制器得到电磁转矩参考值te*；根据电磁转矩参考值te*，由最大转矩电流比控制法，得到定子磁链参考值|ψs*|；

7、(4)对永磁同步电机在两相同步旋转坐标系下的数学模型进行离散化，根据定子电流的差分方程，获得(k+1)时刻定子电流的预测值；

8、(5)通过定子磁链、电磁转矩与定子电流之间的关系，分别构建定子磁链和电磁转矩预测模型，利用步骤(4)中(k+1)时刻定子电流的预测值，可获得(k+1)时刻电机的定子磁链预测值和电磁转矩预测值；

9、(6)内环采用模型预测直接转矩控制策略，利用电磁转矩和定子磁链的参考值及预测值构建价值函数，通过价值函数获得逆变器最优开关状态，逆变器根据最优开关状态控制开关管动作，实现永磁同步电机的故障容错运行。

10、本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤(1)中，永磁同步电机中性点需要引出，逆变器直流侧串联有两个电容器，两个电容器中间抽头作为直流电源中点，并通过双向晶闸管与永磁同步电机中性点相连接。当检测到逆变器某相开关管出现故障后，断开该相桥臂与电机的连接，同时闭合双向晶闸管，将电机中性点连接至直流电源中点，利用剩余开关管将逆变器重构为两相四开关的容错运行拓扑。

11、本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤(3)中，电磁转矩参考值te*的获取公式为：

12、

13、式中kp和ki分别为pi控制器中的比例增益和积分增益；

14、由最大转矩电流比控制法，求取定子磁链参考值|ψs*|，公式如下：

15、

16、式中ls为定子电感，其表达式为：pn为永磁同步电机的极对数，ψf为永磁体磁链。

17、本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤(4)中，永磁同步电机数学模型离散化后，所得到的定子电流差分方程如下式所示：

18、

19、上式中，ud(k)和uq(k)分别为逆变器在k时刻作用到电机上的参考电压矢量在两相同步旋转坐标系下的d轴和q轴的分量，id(k)和iq(k)分别为k时刻电机定子电流在两相同步旋转坐标系下的d轴和q轴的分量，ld和lq分别为定子绕组等效电感在d轴和q轴的分量，r为电机定子绕组的电阻，ωe为电机转子的电角速度，ts为采样时间；

20、电机在(k+1)时刻的定子电流预测值id(k+1)和iq(k+1)可由上式求得。

21、本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤(5)中，根据电机模型中定子磁链与定子电流的关系，可构建定子磁链预测模型如下式：

22、

23、将(k+1)时刻定子电流的预测值代入上式，得到(k+1)时刻定子磁链的预测值|ψs(k+1)|；

24、同理，可构建电磁转矩预测模型如下式所示：

25、

26、电机在(k+1)时刻的电磁转矩预测值te(k+1)可由上式求得。

27、本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤(6)中，电磁转矩和定子磁链的参考值及预测值构建价值函数，如下式所示：

28、

29、在系统故障容错运行状态下，由于逆变器只剩下两个桥臂四个开关管控制电机，其开关状态只有四种；基于模型预测控制策略，可得到四种不同开关状态下电磁转矩和定子磁链在(k+1)时刻的预测值；选择使价值函数j最小的开关状态作为逆变器最优开关状态，逆变器根据最优开关状态控制开关管动作，可实现永磁同步电机的故障容错运行。

30、由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

31、本发明将三相四开关逆变器与带中性点的永磁同步电机相结合，只需一个额外的快速双向晶闸管，便能够实现正常运行状态到容错运行状态的切换，结构简单。以电机的电磁转矩和定子磁链为控制变量，以定子电流为中间变量，采用模型预测转矩控制，由价值函数直接选取最优矢量，系统响应迅速。而模型预测控制能够有效抑制电磁转矩脉动，使电机运行更加平稳，提高了电机驱动系统可靠性和容错运行能力。

技术特征：

1.一种基于mpc的永磁同步电机两相四开关容错控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于mpc的永磁同步电机两相四开关容错控制方法，其特征在于：所述步骤(1)中，永磁同步电机中性点需要引出，逆变器直流侧串联有两个电容器，两个电容器中间抽头作为直流电源中点，并通过双向晶闸管与永磁同步电机中性点相连接；当检测到逆变器某相开关管出现故障后，断开该相桥臂与电机的连接，同时闭合双向晶闸管，将电机中性点连接至直流电源中点，利用剩余开关管将逆变器重构为两相四开关的容错运行拓扑。

3.根据权利要求1所述的一种基于mpc的永磁同步电机两相四开关容错控制方法，其特征在于：所述步骤(3)中，电磁转矩参考值te*的获取公式为：

4.根据权利要求1所述的一种基于mpc的永磁同步电机两相四开关容错控制方法，其特征在于：所述步骤(4)中，永磁同步电机数学模型离散化后，得到的定子电流差分方程如下式所示：

5.根据权利要求1所述的一种基于mpc的永磁同步电机两相四开关容错控制方法，其特征在于：所述步骤(5)中，根据电机模型中定子磁链与定子电流的关系，可构建定子磁链预测模型如下式：

6.根据权利要求1所述的一种基于mpc的永磁同步电机两相四开关容错控制方法，其特征在于：所述步骤(6)中，电磁转矩和定子磁链的参考值及预测值构建价值函数，如下式所示：

技术总结
本发明公开了一种基于MPC的永磁同步电机两相四开关容错控制方法，该方法在逆变器开关管故障后，将电机中性点连接至直流电源中点，利用剩余开关管将逆变器重构为两相四开关的容错运行拓扑。控制系统采用双环结构，外环通过PI调节器控制电机转速，并结合最大转矩电流比为内环提供转矩和磁链参考值；内环采用模型预测直接转矩控制，利用定子电压方程和定子电流预测模型，获得磁链和转矩预测值；利用价值函数获得逆变器最优开关状态，控制剩余开关管实现电机故障容错运行。本发明在开关管故障后仍能使系统稳定运行，无需控制策略切换，有效提高了永磁同步电机运行的安全可靠性。

技术研发人员：张迪,周符,张金龙,魏艳君,漆汉宏
受保护的技术使用者：燕山大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13