[发明专利]基于定子参考磁链优化模型的转矩预测控制式电驱动方法

说明书

技术领域

本发明是一种基于保持原有驱动系统的硬件设备的高效电力电子驱动方法，属于电枢控制技术领域，适用于包括电动汽车及混合动力汽车在内的电机驱动系统。 

背景技术

电机控制应用设计人员已将永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM）作为设计的首选已成为目前业界的普遍趋势【US8288985】。与同类其他电机相比，永磁同步电机的诸多优点（诸如高功率密度、快速动态响应和高效）结合其低廉的制造成本和优越的电磁属性，使其成为实现大规模产品的理想之选。 

针对于控制策略，现有的应用于带电汽车运行的电机驱动策略主要包括两部分：基于转速的磁场定向控制（Field Oriented Control,FOC）及基于转矩的直接转矩控制（Direct Torque Control,DTC）。磁场定向控制实现的基本原理是通过测量和控制永磁同步电机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别针对电动机的电磁转矩电流和磁阻转矩电流进行控制，结合空间矢量脉宽调制（Space Vector PWM）技术达到控制电动机转矩及转速的目的【AN1292】。直接转矩控制技术的基本原理是利用空间矢量，定子磁场定向的分析方法，直接在定子坐标系统下分析电机的数学模型，计算电机的磁链及转矩，采用两点式调节器（Band-Band）控制，把转矩检测值与转矩给定值作比较，使转矩波动限制在一定得容差范围内，并直接对逆变器的开关状态进行控制，以获得高动态性能的转矩输出。由于DTC省掉了矢量变换方式的坐标变换与解耦计算，省掉了通常的PWM调制器，所以它结构简单，控制信号的物理概念明确，系统的转矩响应迅速且无超调，是一种具有高静、动态性能、低成本的交流调速方式【EP0800265B1，EP2164165A1】。直接转矩控制也具有明显的缺点即：转矩、磁链脉动，逆变器开关频率的不稳定性。针对其不足之处，现在的直接转矩控制技术相对于早期的直接转矩控制技术有了很大的改进。与此同时，随着数字信号处理芯片的发展（大容量及高速运算），基于模型预测的直接转矩控制（Model Predictive Direct Torque Control,MPDTC or Model Predictive Torque Control,MPTC）也有所发展。模型预测转矩控制的基本原理是通过电机的数学模型及有限的逆变器电压向量预测未来下一个采样周期或者将来任意采样周期的转矩、磁链等信息，然后进一步通过成本函数（Cost Function）操控电机的运行特性【文献1及EP1600322A2】。 

针对于效率优化策略，大量的研究集中于基于磁场向量控制（FOC）的直轴参考电流的优化【文献2,3】。 

现有的应用于带电汽车驱动的控制策略多为磁场定向控制及直接转矩控制，两者的原理及结构框图如图1，2。如图1所示，1a-1c为系统的软件部分；2a-2b为系统的电力电子驱动硬件；3a,4a为驱动电机和位置采样编码器。通过图1所示的原理图可知，空间向量调制解调器（SVPWM）2a为系统的必须部件。与直接转矩控制策略相比，模块2a增加了系统的成本及操作复杂性（缺点）。相对于磁场向量控制，直接转矩控制的硬件结构及控制思路要明显简单明了，如图2所示。5a-5c为系统的软件部分；6a为系统的电力电子驱动硬件；7a,8a为驱动电机和位置采样编码器。但是由于滞环比较器，开关表及恒定参考磁链的使用，导致了系统的控制性能下降及逆变器开关频率的不稳定（缺点）。因此，针对于直接转矩控制策略的缺陷，提出了基于模型预测转矩控制（MPTC）的效率优化策略。此方法不但可以保持原有控制系统硬件设备的简洁性，同时可以提高系统的控制性能及效率特性（目的）。 

发明内容

基于电动机驱动系统在混合动力汽车，纯电动汽车等汽车工业领域的广泛应用，同时由于电池容量技术的局限性，针对于电机驱动系统的效率及成本优化变的尤为迫切。本发明提出了一种基于模型预测控制的效率优化控制策略，其可以解决或者改善以下两点技术问题：1.区别于传统的电机控制方法，其可以在整个电机运行范围内提高电力电子驱动器件的效率，同时保持原有驱动系统的硬件设备；2.其可以在整个动态或者稳态运行过程中提高电机的效率。 

本发明的特征在于，是在一个基于定子参考磁链优化模型的转子预测控制的电驱动系统中依次按以下步骤实现的： 

步骤（1）系统构建： 

设有永磁同步电机、逆变器和位置编码器，以及基于成本函数的开关状态优化模块以及转矩磁链预测模块，