一种应用于多电机控制系统的有限状态模型预测控制方法

摘要

一种应用于多电机控制系统的有限状态模型预测控制方法，用于由m台永磁同步电机组成的多电机控制系统：多电机系统电气量采集；虚拟参考电压矢量预测和价值函数寻优，对于每一台电机，计算k时刻的虚拟参考电压矢量，建立价值函数；通过矢量分区法，简化价值函数的寻优过程；将共模电压约束加入到算法中，对多电机控制系统中的共模电压进行抑制。本发明提出了一种简化的应用于多电机控制的FCS-MPC算法，与传统FCS-MPC算法相比，新算法在保持传统算法控制效果的基础上，有效减少了算法的执行时间，同时实现多台永磁同步电机的转速协同控制，并达到抑制共模电压的目的。

主权项

一种应用于多电机控制系统的有限状态模型预测控制方法，其特征在于，用于由m台永磁同步电机组成的多电机控制系统，包括如下步骤：1)多电机系统电气量采集，包括：采集每一台电机的转速，计算每一台电机的定子参考电流矢量；采集每一台电机的定子三相电流并变换为两相静止α‑β坐标系上的电流分量；采集直流侧电压u_dc；在两相静止α‑β坐标系下设定k时刻每一台电机的电气量，对每一台电机的反电动势进行估计；计算每一台电机对应的逆变器所有可能输出的电压矢量；2)虚拟参考电压矢量预测和价值函数寻优，包括：对于每一台电机，计算k时刻的虚拟参考电压矢量建立价值函数有$g_m^n(k+1)={|u_m^{*}\left(k\right)-u_m^u\left(k\right)|}^2,n=0~7---\left(1\right)$式中，为第m台电机所对应的逆变器所有可能输出的电压矢量，n为逆变器所有可能输出的电压矢量的序号；当价值函数取得最小值时，价值函数对应的n的数值作为逆变器最终的输出电压矢量的序号$n_m^o=\underset{n}{\arg \min }{g}_m^n(k+1),n=0~7---\left(2\right);$3)通过矢量分区法，简化价值函数的寻优过程(1)结合每一台电机对应的逆变器所有可能输出的电压矢量的空间分布，利用逆变器输出的电压矢量中任意相邻的逆变器输出的电压矢量的角平分线将空间电压矢量分布图分为1～6共6个扇区，同时，由逆变器输出的电压矢量中各个电压矢量的中垂线围成中央的六边形区域，并与6个扇区区分开来；(2)判断虚拟参考电压矢量落到了扇区1～6中的哪一个，对虚拟参考电压矢量进行反Clarke变换，利用变换后的结果，计算每一台电机虚拟参考电压矢量所在的扇区序号，得到每一台电机所对应的逆变器最终的输出电压矢量的序号；4)将共模电压约束加入到算法中，对多电机控制系统中的共模电压进行抑制，包括(1)对于第m台电机，在k～k+1时间段内的共模电压的计算式为$u_{\mathrm{cm},m}^n\left(k\right)=\frac{u_{\mathrm{dc}}\left(k\right)}{3}[s_{\mathrm{am}}\left(k\right)+s_{\mathrm{bm}}\left(k\right)+s_{\mathrm{cm}}\left(k\right)]---\left(3\right)$式中，s_am(k)、s_bm(k)、s_cm(k)为第m台电机在k～k+1时间段内所对应的逆变器的开关状态；根据式(1)，则第m台电机的附加共模电压约束的价值函数为$g_m^n(k+1)={|u_m^{*}\left(k\right)-u_m^n\left(k\right)|}^2+{\lambda }_{\mathrm{cm},m}|u_{\mathrm{cm},m}^n\left(k\right)-\frac{u_{\mathrm{dc}}\left(k\right)}{2}|---\left(4\right)$式中，项为价值函数中附加的共模电压约束项；λ_cm,m为共模电压约束项的权值；(2)结合每一台电机对应的逆变器所有可能输出的电压矢量的空间分布，利用逆变器输出的电压矢量中任意两个相邻电压矢量的角平分线将空间电压矢量分布图分为1～6共6个扇区，在任一个扇区内包含三个电压矢量，分别为两个零电压矢量和位于扇区的顶点上，以及一个非零电压矢量，同时，采用步骤3)中的式(9)、式(10)、式(11)确定每一台电机的虚拟参考电压矢量所在的扇区序号；(3)根据每一台电机的虚拟参考电压矢量所在的扇区序号N_m，取两个零电压矢量中的任意一个或和本扇区内的非零电压矢量作为候选矢量，根据式(4)计算候选矢量对应的价值函数结果，有$g_m^n(k+1)={|u_m^{*}\left(k\right)-u_m^n\left(k\right)|}^2+{\lambda }_{\mathrm{cm},m}|u_{\mathrm{cm},m}^n\left(k\right)-\frac{u_{\mathrm{dc}}\left(k\right)}{2}|$n＝0或7，N_m     (5)当价值函数取得最小值时，价值函数对应的n的数值作为逆变器最终的输出电压矢量的序号$n_m^o=\underset{n}{\arg \min }{g}_m^u(k+1)$n＝0或7，N_m      (6)。