一種應(yīng)用于多電機(jī)控制系統(tǒng)的有限狀態(tài)模型預(yù)測控制方法
【專利摘要】一種應(yīng)用于多電機(jī)控制系統(tǒng)的有限狀態(tài)模型預(yù)測控制方法，用于由m臺永磁同步電機(jī)組成的多電機(jī)控制系統(tǒng)：多電機(jī)系統(tǒng)電氣量采集；虛擬參考電壓矢量預(yù)測和價(jià)值函數(shù)尋優(yōu)，對于每一臺電機(jī)，計(jì)算k時(shí)刻的虛擬參考電壓矢量，建立價(jià)值函數(shù)；通過矢量分區(qū)法，簡化價(jià)值函數(shù)的尋優(yōu)過程；將共模電壓約束加入到算法中，對多電機(jī)控制系統(tǒng)中的共模電壓進(jìn)行抑制。本發(fā)明提出了一種簡化的應(yīng)用于多電機(jī)控制的FCS-MPC算法，與傳統(tǒng)FCS-MPC算法相比，新算法在保持傳統(tǒng)算法控制效果的基礎(chǔ)上，有效減少了算法的執(zhí)行時(shí)間，同時(shí)實(shí)現(xiàn)多臺永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速協(xié)同控制，并達(dá)到抑制共模電壓的目的。
【專利說明】一種應(yīng)用于多電機(jī)控制系統(tǒng)的有限狀態(tài)模型預(yù)測控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種有限狀態(tài)模型預(yù)測控制方法。特別是涉及一種應(yīng)用于多電機(jī)控制 系統(tǒng)的有限狀態(tài)模型預(yù)測控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 基于有限狀態(tài)模型預(yù)測控制方法（finite control set model predictive control，F(xiàn)CS-MPC)的交流電機(jī)系統(tǒng)具有無需調(diào)制算法，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、內(nèi)部完全解耦、能 夠加入多種約束條件實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制等優(yōu)勢，極具發(fā)展前景。FCS-MPC衍生自傳統(tǒng)模型預(yù)測 控制（model predictive control, MPC)算法。傳統(tǒng)MPC算法利用系統(tǒng)模型預(yù)測未來的狀 態(tài)，同時(shí)考慮到系統(tǒng)的不同控制目標(biāo)，通過價(jià)值函數(shù)（cost function)進(jìn)行全局尋優(yōu)，滾動(dòng) 優(yōu)化，最終達(dá)到最優(yōu)的效果，這種算法的控制周期通常較長，在過程控制中得到了廣泛的應(yīng) 用。FCS-MPC繼承了傳統(tǒng)MPC算法的特點(diǎn)，自2000年之后，在電力變流器和電力傳動(dòng)上得到 了廣泛的研究。鑒于電力變流器僅含有限個(gè)開關(guān)狀態(tài)，F(xiàn)CS-MPC采用相對簡單的尋優(yōu)過程， 對所有可能的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行分析，預(yù)測未來時(shí)刻被控量的可能的結(jié)果，同時(shí)，引入傳統(tǒng)MPC 算法中的價(jià)值函數(shù)的概念，綜合各個(gè)控制目標(biāo)而選出最優(yōu)的開關(guān)狀態(tài)。因此，F(xiàn)CS-MPC能夠 對多變量靈活控制，并且易于引入非線性的約束條件。
[0003] FCS-MPC沒有脈寬調(diào)制（pulse width modulation, PWM)過程，在每一個(gè)采樣周期 內(nèi)，F(xiàn)CS-MPC只輸出一種開關(guān)狀態(tài)，這種算法的開關(guān)頻率是不恒定的。在這種情況下，為了 達(dá)到與傳統(tǒng)的線性控制方法相近的電流控制性能，F(xiàn)CS-MPC的控制周期必須大大短于傳統(tǒng) 的線性控制算法。因此FCS-MPC需要更短的程序計(jì)算時(shí)間，然而，實(shí)際中不可能達(dá)到這種情 況。當(dāng)采用單處理器實(shí)現(xiàn)多電機(jī)的控制時(shí)，F(xiàn)CS-MPC的計(jì)算量隨著電路復(fù)雜度的增加而增 力口，控制周期可能無法設(shè)置得足夠小。而且，由于FCS-MPC經(jīng)常引入其它附加約束（例如共 模電壓約束，開關(guān)頻率約束等等）來達(dá)到綜合最優(yōu)控制效果，這同樣會(huì)增加 FCS-MPC的計(jì)算 量?？傊?，較長的計(jì)算時(shí)間會(huì)限制FCS-MPC算法在多電機(jī)控制系統(tǒng)上的應(yīng)用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種能夠大幅減少程序執(zhí)行時(shí)間，同時(shí)保持 原算法的控制性能的應(yīng)用于多電機(jī)控制系統(tǒng)的有限狀態(tài)模型預(yù)測控制方法。
[0005] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種應(yīng)用于多電機(jī)控制系統(tǒng)的有限狀態(tài)模型預(yù)測控 制方法，用于由m臺永磁同步電機(jī)組成的多電機(jī)控制系統(tǒng)，包括如下步驟：
[0006] 1)多電機(jī)系統(tǒng)電氣量米集，包括：
[0007] 采集每一臺電機(jī)的轉(zhuǎn)速，計(jì)算每一臺電機(jī)的定子參考電流矢量；采集每一臺電機(jī) 的定子三相電流并變換為兩相靜止α - β坐標(biāo)系上的電流分量；采集直流側(cè)電壓ud。；在兩 相靜止α-β坐標(biāo)系下設(shè)定k時(shí)刻每一臺電機(jī)的電氣量，對每一臺電機(jī)的反電動(dòng)勢進(jìn)行估 計(jì)；計(jì)算每一臺電機(jī)對應(yīng)的逆變器所有可能輸出的電壓矢量；
[0008] 2)虛擬參考電壓矢量預(yù)測和價(jià)值函數(shù)尋優(yōu)，包括：
[0009] 對于每一臺電機(jī)，計(jì)算k時(shí)刻的虛擬參考電壓矢量《1(幻，建立價(jià)值函數(shù)<0 + 1)，

【權(quán)利要求】
1. 一種應(yīng)用于多電機(jī)控制系統(tǒng)的有限狀態(tài)模型預(yù)測控制方法，其特征在于，用于由m 臺永磁同步電機(jī)組成的多電機(jī)控制系統(tǒng),包括如下步驟： 1) 多電機(jī)系統(tǒng)電氣量米集，包括： 采集每一臺電機(jī)的轉(zhuǎn)速，計(jì)算每一臺電機(jī)的定子參考電流矢量；采集每一臺電機(jī)的定 子三相電流并變換為兩相靜止a坐標(biāo)系上的電流分量；采集直流側(cè)電壓ud。；在兩相靜 止a坐標(biāo)系下設(shè)定k時(shí)刻每一臺電機(jī)的電氣量，對每一臺電機(jī)的反電動(dòng)勢進(jìn)行估計(jì)；計(jì) 算每一臺電機(jī)對應(yīng)的逆變器所有可能輸出的電壓矢量； 2) 虛擬參考電壓矢量預(yù)測和價(jià)值函數(shù)尋優(yōu)，包括： 對于每一臺電機(jī)，計(jì)算k時(shí)刻的虛擬參考電壓矢量，建立價(jià)值函數(shù)<以+ 1)，有
式中，為第m臺電機(jī)所對應(yīng)的逆變器所有可能輸出的電壓矢量，n為逆變器所有 可能輸出的電壓矢量的序號； 當(dāng)價(jià)值函數(shù)g：：(々 +l)取得最小值時(shí)，價(jià)值函數(shù)+ 對應(yīng)的n的數(shù)值作為逆變器最終 的輸出電壓矢量的序號<，
3) 通過矢量分區(qū)法，簡化價(jià)值函數(shù)的尋優(yōu)過程 (1) 結(jié)合每一臺電機(jī)對應(yīng)的逆變器所有可能輸出的電壓矢量《；：認(rèn))?的空間分布， 利用逆變器輸出的電壓矢量(幻?《丨,(幻中任意相鄰的逆變器輸出的電壓矢量的角平分線 將空間電壓矢量分布圖分為1?6共6個(gè)扇區(qū)，同時(shí)，由逆變器輸出的電壓矢量《!,認(rèn)卜<(!) 中各個(gè)電壓矢量的中垂線圍成中央的六邊形區(qū)域，并與6個(gè)扇區(qū)區(qū)分開來； (2) 判斷虛擬參考電壓矢量《!,(幻落到了扇區(qū)1?6中的哪一個(gè)，對虛擬參考電壓矢量 ?1(幻進(jìn)行反Clarke變換，利用變換后的結(jié)果，計(jì)算每一臺電機(jī)虛擬參考電壓矢量《丨,0)所 在的扇區(qū)序號，得到每一臺電機(jī)所對應(yīng)的逆變器最終的輸出電壓矢量的序號； 4) 將共模電壓約束加入到算法中，對多電機(jī)控制系統(tǒng)中的共模電壓進(jìn)行抑制，包括 ⑴對于第m臺電機(jī)，在k?k+1時(shí)間段內(nèi)的共模電壓<_(幻的計(jì)算式為
式中，sam(k)、sbm(k) 為第m臺電機(jī)在k?k+1時(shí)間段內(nèi)所對應(yīng)的逆變器的開關(guān) 狀態(tài)； 根據(jù)式（1)，則第m臺電機(jī)的附加共模電壓約束的價(jià)值函數(shù)為
式中，
項(xiàng)為價(jià)值函數(shù)中附加的共模電壓約束項(xiàng)，。_為共模電 壓約束項(xiàng)的權(quán)值； (2) 結(jié)合每一臺電機(jī)對應(yīng)的逆變器所有可能輸出的電壓矢量《；：認(rèn))?《"7,(/〇的空間分布， 利用逆變器輸出的電壓矢量《!,(&)? <(幻中任意兩個(gè)相鄰電壓矢量的角平分線將空間電壓 矢量分布圖分為1?6共6個(gè)扇區(qū)，在任一個(gè)扇區(qū)內(nèi)包含三個(gè)電壓矢量，分別為兩個(gè)零電 壓矢量和《!(幻位于扇區(qū)的頂點(diǎn)上，以及一個(gè)非零電壓矢量，同時(shí)，采用步驟3)中的式 (9)、式（10)、式（11)確定每一臺電機(jī)的虛擬參考電壓矢量〇)所在的扇區(qū)序號； (3) 根據(jù)每一臺電機(jī)的虛擬參考電壓矢量《1(幻所在的扇區(qū)序號Nm，取兩個(gè)零電壓矢量 中的任意一個(gè)<(幻或《；：,(幻和本扇區(qū)內(nèi)的非零電壓矢量幻作為候選矢量，根據(jù)式（4)計(jì) 算候選矢量對應(yīng)的價(jià)值函數(shù)結(jié)果，有
當(dāng)價(jià)值函數(shù)+ 取得最小值時(shí)，價(jià)值函數(shù)S(& + 1)對應(yīng)的n的數(shù)值作為逆變器最終 的輸出電壓矢量的序號<，
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用于多電機(jī)控制系統(tǒng)的有限狀態(tài)模型預(yù)測控制方法， 其特征在于，步驟1)中所述的采集每一臺電機(jī)的轉(zhuǎn)速，計(jì)算每一臺電機(jī)的定子參考電流 矢量，是采集電機(jī)1、電機(jī)2、……、電機(jī)m的轉(zhuǎn)速cop?2.......?m，結(jié)合電機(jī)1的轉(zhuǎn)速 參考值<，利用主從控制算法計(jì)算得到電機(jī)1、電機(jī)2、……、電機(jī)m的定子參考電流矢量U.......、〈，m表不電機(jī)的編號，是大于1的整數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用于多電機(jī)控制系統(tǒng)的有限狀態(tài)模型預(yù)測控制方法， 其特征在于，步驟1)中所述的將所述的定子三相電流ia、ib、i。變換為兩相靜止坐標(biāo) 系上的電流分量，公式如下：

4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用于多電機(jī)控制系統(tǒng)的有限狀態(tài)模型預(yù)測控制方法， 其特征在于，步驟1)中所述的在兩相靜止a坐標(biāo)系下設(shè)定k時(shí)刻每一臺電機(jī)的電氣 量，對每一臺電機(jī)的反電動(dòng)勢進(jìn)行估計(jì)，包括： 設(shè)定k時(shí)刻每一臺電機(jī)的定子電流矢量為im(k)，有 ，其中 iam(k)、i0m(k)分別為a、@軸的定子電流； 設(shè)定k時(shí)刻每一臺電機(jī)的虛擬參考電壓矢量:有
，其中 分別為a、P軸的虛擬參考電壓值； 設(shè)定k時(shí)刻每一臺電機(jī)對應(yīng)的逆變器輸出的電壓矢量um(k)，有

，其中uam(k)、Ueni(k)分別為a、P軸的逆變器輸出的電壓值； 設(shè)定k時(shí)刻每一臺電機(jī)的反電動(dòng)勢矢量為em(k)，有
，其中 eani(k)、e0D1(k)分別為a、P軸的反電動(dòng)勢值； 設(shè)定k+1時(shí)刻每一臺電機(jī)的定子參考電流矢量為C(* +l)，有
，其中C# +l)、t(hl)分別為a、@軸的定子參考電流， 將主從控制算法輸出的每一臺電機(jī)的定子參考電流矢量〈設(shè)為k+1時(shí)刻的定子參考 電流矢量C(hD，即C=C0 +D， 根據(jù)k時(shí)刻每一臺電機(jī)的定子電流矢量im(k)以及k-1時(shí)刻每一臺電機(jī)對應(yīng)的逆變器 輸出的電壓矢量Um(k-1)，利用反電動(dòng)勢觀測器得到每一臺電機(jī)的反電動(dòng)勢矢量em(k)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用于多電機(jī)控制系統(tǒng)的有限狀態(tài)模型預(yù)測控制方法， 其特征在于，步驟2)中所述的對于每一臺電機(jī)，計(jì)算k時(shí)刻的虛擬參考電壓矢量《1認(rèn))的計(jì) 算公式如下：
式中，em(k)為k時(shí)亥Ij第m臺電機(jī)的反電動(dòng)勢矢量；im(k)為k時(shí)亥Ij第m臺電機(jī)的定子 電流矢量；CN+ 1)為k+1時(shí)刻第m臺電機(jī)的定子參考電流矢量；R1^Lni分別為第m臺電機(jī)的 定子電阻與電感；T為系統(tǒng)的控制周期。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用于多電機(jī)控制系統(tǒng)的有限狀態(tài)模型預(yù)測控制方 法，其特征在于，步驟3)中所述的對虛擬參考電壓矢量《!,⑷進(jìn)行反Clarke變換，是因
有
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用于多電機(jī)控制系統(tǒng)的有限狀態(tài)模型預(yù)測控制方法， 其特征在于，步驟3)中所述的計(jì)算每一臺電機(jī)虛擬參考電壓矢量《1,(幻所在的扇區(qū)序號，得 到每一臺電機(jī)所對應(yīng)的逆變器最終的輸出電壓矢量的序號，是利用Clarke變換后的結(jié)果， 計(jì)算每一臺電機(jī)虛擬參考電壓矢量《1(幻所在的扇區(qū)序號Nm，

進(jìn)一步計(jì)算得到每一臺電機(jī)所對應(yīng)的逆變器最終的輸出電壓矢量的序號<，有
【文檔編號】H02P21/00GK104242768SQ201410460918
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月11日
【發(fā)明者】夏長亮, 高明煜, 劉濤 申請人:天津大學(xué)