一種三相四開關感應電動機變頻調速系統的預測控制方法技術方案

本發明專利技術公開了一種三相四開關感應電動機變頻調速系統的預測控制方法，包括：A、通過感應電機驅動系統中電流傳感器、電壓傳感器和速度傳感器分別測出三相電流、兩個直流側電容電壓和電機轉速；B、通過測量的直流電容電壓計算出四種開關組合(00,01,11,10)對應的電壓矢量；C、根據測量的相電流和轉速估算感應電機的定子、轉子磁鏈；D、預測四個電壓矢量對應定子磁鏈的絕對值、預測轉矩和預測直流電壓；E、計算四個電壓矢量代價函數：預測值與參考值分別相減后取絕對值，各項乘以權重系數相加。F、將使得代價函數最小的電壓矢量所對應的開關狀態施加到逆變器中。該方法適用于三相四開關驅動的各種變頻調速系統。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于感應電動機變頻調速領域，更具體地，涉及一種三相四開關功率變換器拓撲下感應電機變頻調速系統的預測控制方法。
技術介紹
以感應電動機為主體的變頻調速系統在航空航天、軍事、工業等領域得到了廣泛應用，其功率變換器均由六開關三相全控型電力電子器件組成。這其中，變換器能量密度高，電力電子器件又相對“脆弱”，一旦變換器某只功率管發生開路或短路故障，整個系統便喪失了正常工作的能力，甚至發生災難性后果。隨著對變頻調速系統安全性、可靠性的要求越來越高，實時容錯控制受到高度重視，然而大部分變頻調速系統不配備冗余備份，這使得無冗余備份的三相四開關拓撲結構受到更大的關注。在眾多針對三相四開關變頻調速系統控制策略的專利和文獻中，其大致方法分為兩類：一類是假定直流電容電壓是恒定不變的，在此基礎上設計控制算法，由于電機的一相直接接到了電容中性點，相電流的流動會導致電容電壓的波動和漂移，因此這類方法并不能用于實際系統；另一類是針對電容電壓波動和漂移設計控制算法，但是這種算法一般是開環的控制策略，調速系統的動態性能差。
技術實現思路
為了克服現有三相四開關變頻調速系統控制策略的不足，本專利技術提出了一種三相四開關功率變換器拓撲下預測控制方法。該方法能在電容電壓波動的情況下，實現高性能的磁鏈和轉矩閉環控制，而且還能抑制電容電壓的漂移，不需要脈寬調制器和坐標變換。該方法適用于三相四開關驅動的各種變頻調速系統。為了實現上述目的，本專利技術提供了一種三相四開關功率變換器拓撲下感應電機變頻調速系統的預測控制方法，所述方法包括：(1)通過感應電機驅動系統中已有的電流霍爾傳感器、電壓霍爾傳感器和光電碼盤速度傳感器分別測出三相電流iak,ibk,ick，兩個直流側電容電壓UC1k,UC2k和電機轉速ω；(2)通過測量的兩個直流側電容電壓UC1k,UC2k計算四種開關組合對應的電壓矢量V1,V2,V3,V4當前時刻的值，并根據測量的三相電流iak,ibk,ick信號計算電流矢量的值，其中四種開關組合為00,10,11,01；(3)通過測量的電機轉速ω和電流矢量估算定子磁鏈和轉子磁鏈ψ^→rk;]]>(4)根據電機模型和逆變器模型預測所有電壓矢量V1,V2,V3,V4對應電容電壓定子磁鏈和電磁轉矩(5)利用預測得到的各個電壓矢量V1,V2,V3,V4對應的電容電壓定子磁鏈和電磁轉矩計算代價函數，取使得代價函數最小化的電壓矢量為最優的電壓矢量；(6)施加最優電壓矢量對應的開關信號，其中電壓矢量與開關信號的對應關系如步驟(2)中相同。本專利技術的優點在于，通過對電機模型的精確建模，在電容電壓波動的情況下，能夠實現感應電動機的磁場，轉矩和轉速的閉環高性能控制，同時實現了在這種不對稱電力電子變換器拓撲下，三相電流的均衡控制。為了保證系統的可靠性，本專利技術對電容電壓的漂移進行抑制。本專利技術直接輸出開關信號，不需要脈寬調制器。所有變量均在定子坐標系下完成，不需要坐標變換。控制結構簡單易懂，易于物理實現。附圖說明圖1為本專利技術方法適用的感應電機驅動系統及其基本結構圖；圖2為本專利技術方法的控制原理框圖；圖3為本專利技術三相四開關驅動的感應電動機模型預測控制方法的控制流程圖。具體實施方式為了使本專利技術的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本專利技術進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本專利技術，并不用于限定本專利技術。此外，下面所描述的本專利技術各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。如圖1所示，本專利技術所涉及的是感應電動機變頻調速系統的功率變換器結構和感應電動機的連接模型。電機的三相中的兩相接正常的開關橋臂，第三相接直流側的電容中性點。如圖2所示，本專利技術所涉及的控制框圖，以及與三相四開關驅動的感應電機系統的連接框圖，結合附圖2說明本專利技術采用的技術方案的原理：為了實現高性能的閉環控制策略，速度外環控制采用傳統的比例積分控制器獲得轉矩的給定值，電流內環控制采用模型預測控制器，本方案包含磁鏈估計，轉矩、磁鏈和電容電壓預測，代價函數最優化三個步驟。首先，采用感應電機電流模型估計當前的感應電動機定子和轉子磁鏈。電容電壓的波動會導致逆變器的電壓矢量在相角和幅值上產生波動，這種波動會導致基于電壓模型磁鏈估計算法產生巨大誤差，導致磁鏈估計不精確，本方案采用基于電流模型的磁鏈估計算法，利用轉速，相電流可測量估算當前的定子和轉子磁鏈，克服電容電壓波動對磁鏈估計的影響。其次，利用電壓傳感器，測量電容的實時電壓，計算當前電壓矢量的精確值，然后，利用感應電機的數學模型，將當前四種開關狀態對應的四個電壓矢量一一代入模型中，預測不同電壓矢量下的下一采樣周期的定子磁鏈，定子電流，電磁轉矩，電容電壓。最后，將預測的磁鏈絕對值，電磁轉矩，電容電壓同參考值分別作差，求其絕對值，并乘以相應的權重系數，相加后得到代價函數，四個電壓矢量對應四個代價函數取值，將代價函數取值的最小電壓矢量對應的開關信號施加到逆變器。通過霍爾傳感器從電機中獲取電機的三相電流，從光電碼盤速度傳感器測出轉速信號。從功率變換器中，通過電壓霍爾傳感器獲取電容電壓。以上變量作為控制系統的輸入量參與系統控制。控制系統直接輸出離散的開關信號，簡化了控制結構。控制系統分為內外兩個控制環：外環為傳統的PI調節器，實現轉速的閉環控制，并通過速度調節器產生轉矩給定；內環為模型預測控制器，實現電機轉矩和磁鏈的閉環控制，同時在內環也實現了電容電壓漂移的抑制。如圖3所示，為本專利技術三相四開關驅動的感應電動機模型預測控制方法的控制流程圖，如圖所示，所述方法包括：1、初始化將代價函數g初始化為一個足夠大的值。2、通過感應電機驅動系統中已有的電流霍爾傳感器、電壓霍爾傳感器和光電碼盤速度傳感器分別測出三相電流iak,ibk,ick，兩個直流側電容電壓UC1k,UC2k和電機轉速ω；3、通過測量的兩個直流側電容電壓UC1k,UC2k計算四種開關組合對應的電壓矢量V1,V2,V3,V4當前時刻的值，并根據測量的三相電流iak,ibk,ick信號計算電流矢量的值，其中四種開關組合為00,10,11,01；電壓矢量的計算方法，按表1所示。表1電流矢量的計算方法如下：i→sk=iak+j·33(本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種三相四開關功率變換器拓撲下感應電機變頻調速系統的預測控制方法，其特征在于，所述方法包括：(1)通過感應電機驅動系統中已有的電流霍爾傳感器、電壓霍爾傳感器和光電碼盤速度傳感器分別測出三相電流iak,ibk,ick，兩個直流側電容電壓UC1k,UC2k和電機轉速ω；(2)通過測量的兩個直流側電容電壓UC1k,UC2k計算四種開關組合對應的電壓矢量V1,V2,V3,V4當前時刻的值，并根據測量的三相電流iak,ibk,ick信號計算電流矢量的值，其中四種開關組合為00,10,11,01；(3)通過測量的電機轉速ω和電流矢量估算定子磁鏈和轉子磁鏈ψ^→rk;]]>(4)根據電機模型和逆變器模型預測所有電壓矢量V1,V2,V3,V4對應電容電壓定子磁鏈和電磁轉矩(5)利用預測得到的各個電壓矢量V1,V2,V3,V4對應的電容電壓定子磁鏈和電磁轉矩計算代價函數，取使得代價函數最小化的電壓矢量為最優的電壓矢量；(6)施加最優電壓矢量對應的開關信號，其中電壓矢量與開關信號的對應關系如步驟(2)中相同。

【技術特征摘要】
1.一種三相四開關功率變換器拓撲下感應電機變頻調速系統的預測控
制方法，其特征在于，所述方法包括：
(1)通過感應電機驅動系統中已有的電流霍爾傳感器、電壓霍爾傳感
器和光電碼盤速度傳感器分別測出三相電流iak,ibk,ick，兩個直流側電容電壓
UC1k,UC2k和電機轉速ω；
(2)通過測量的兩個直流側電容電壓UC1k,UC2k計算四種開關組合對應
的電壓矢量V1,V2,V3,V4當前時刻的值，并根據測量的三相電流iak,ibk,ick信號計
算電流矢量的值，其中四種開關組合為00,10,11,01；
(3)通過測量的電機轉速ω和電流矢量估算定子磁鏈和轉子磁鏈
ψ^→rk;]]>(4)根據電機模型和逆變器模型預測所有電壓矢量V1,V2,V3,V4對應電容
電壓定子磁鏈和電磁轉矩(5)利用預測得到的各個電壓矢量V1,V2,V3,V4對應的電容電壓
定子磁鏈和電磁轉矩計算代價函數，取使得代價函數最
小化的電壓矢量為最優的電壓矢量；
(6)施加最優電壓矢量對應的開關信號，其中電壓矢量與開關信號的
對應關系如步驟(2)中相同。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(2)中通過測
量的電容電壓UC1k,UC2k計算四種開關組合對應的電壓矢量V1,V2,V3,V4當前時
刻的值，具體為：
開關組合00對應的電壓矢量V1＝2·UC2k/3；
開關組合10對應的電壓矢量V2=(UC2k-UC1k)/3-j·3(UC1k+UC2k)/3;]]>開關組合11對應的電壓矢量V3=(UC2k-UC1k)/3+j·3(UC1k+UC2k)/3;]]>開關組合01對應的電壓矢量V4＝-2·UC1k/3。
3.如權利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步驟(2)中根
據測量的三相電流iak,ibk,ick信號計算電流矢量的值，具體根據下式計算：
i→sk=iak+j·33(iak+2×ibk).]]>4.如權利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步驟(3)中通
過測量的電機轉速ω和電流...

【專利技術屬性】
技術研發人員：趙金，周德洪，
申請(專利權)人：華中科技大學，
類型：發明
國別省市：湖北;42