[发明专利]永磁同步电机低逆变器功耗直接转矩控制方法及装置

权利要求书

1.一种永磁同步电机低逆变器功耗直接转矩控制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：根据设定的速度参考值ω^*和电机光电编码器输出的速度反馈值ω进行PI调节，得到参考转矩T_e,ref

T_e,ref＝K_p·e_ω+K_i∫e_ωdt,(K_p＞0,K_i＞0),e_ω＝ω^*-ω；

步骤2：通过电流传感器测量得到当前k时刻电机的电流值i_s＝[i_a i_b i_c]^T和位置传感器得到的转子位置角θ_r，经过坐标变换得到电流i_s在旋转坐标系d、q轴下的电流值i_d、i_q

idiq=23cos(θr)cos(θr-2π3)cos(θr+2π3)-sin(θr)-sin(θr-2π3)-sin(θr+2π3)iaibic]]>

采样k-1时刻的逆变器的开关状态（S_a,S_b,S_c）和直流电压U_dc，通过下面计算得到当k-1时刻的空间电压矢量

V(S_a,S_b,S_c，k-1)为8个电压空间矢量中的一个，经过坐标变换分解到d、q轴求得d、q轴上的电压分量u_d，u_q

uduq=23Udccos(θr)cos(θr-2π3)cos(θr+2π3)-sin(θr)-sin(θr-2π3)-sin(θr+2π3)SaSbSc]]>

步骤3：根据电流i_s在旋转坐标系d、q轴下的电流值i_d、i_q，通过在d、q坐标系下的永磁同步电机的磁链方程，得到当前k时刻的定子磁链在d、q轴的分量ψ_d、ψ_q和定转子磁链之间夹角δ

ψ_d＝L_di_d+ψ_f

ψ_q＝L_qi_q

ψs=ψd2+ψq2]]>

δ=arctanψqψd]]>

其中ψ_f为电机转子永磁体磁链；

同时用d、q坐标系下永磁同步电机的电磁转矩方程得到当前k时刻的转矩

T_e＝n_p(ψ_di_q-ψ_qi_d)

步骤4：将上述通过传感器检测值计算得到d、q轴定子磁链ψ_d、ψ_q和位置传感器检测到的转子位置角θ_r作为当前k时刻的状态值，通过计算得到的电磁转矩T_e和磁链幅值ψ_s作为当前k时刻的系统的输出值

x(k)=[ψd(k),ψq(k),θr]Ty(k)=[Te(k),ψs(k)]T]]>

依据当前k时刻的状态值，同时依次给定8个不同的逆变器开关状态一个u(k)=[S_a,S_b,S_c]^T，通过离散化的永磁同步电机直接转矩系统数学模型迭代，求得在该开关状态下k+1时刻直接转矩系统输出y(k+1)＝[T_e(k+1),ψ_s(k+1)]^T，依次进行迭代最后得到在该开关状态下第k+N_s时刻的系统输出y(k+N_s)＝[T_e(k+N_s),ψ_s(k+N_s)]^T；

迭代过程如下：

ψdq(k+1)=Aψdq(k)+B1ψf+B2P(θr(k)+ωTs)uabc(k)θr(k+1)=θr(k)+ωTsA=e(Y-X)Ts,B1=-X(Y-X)-1·(I-A),B2=X-1(I-e-XTs)]]>

ψs(k+1)=ψd2(k+1)+ψq2(k+1),Te(k+1)=1Ldψf·ψq(k+1)]]>

迭代过程结束后，将结果中符合k+N_s时刻的输出的定子磁链值ψ_s(k+N_s)∈[ψ_s,min,ψ_s,max]和转矩值T_e(k+N_s)∈[T_e,min,T_e,max]的开关状态作为磁链和转矩滞环范围内的开关状态u(k)=[S_a,S_b,S_c]^T，将些开关状态称为容许开关状态；

步骤5:计算每个容许开关状态在k+1到k+N_s时刻的输出磁链和转矩的误差值转矩误差

ϵT(k)=qT(Te(k)-Te,max)ifTe(k)≥Te,maxqT(Te,min-Te(k))ifTe(k)≤Te,minqt|Te(k)-Te,ref|else]]>

其中T_e,max,T_e,min分别为预先定义的转矩滞环的上限和下限，q_T=10、q_t=0.1为约束的权重；

定子磁链误差

ϵψ(k)=qF(ψs(k)-ψs,max)ifψs(k)≥ψs,maxqF(ψs,min-ψs(k))ifψs(k)≤ψs,minqf|ψs(k)-ψs,ref|else]]>

Ψ_s,max,Ψ_s,min分别为定子磁链滞环的上下限，其中q_F=10>>q_f=0.2>0,分别为约束权重和偏离参考值的约束权重；

求得的转矩和磁链误差值加上开关次数约束，在Ns时长内叠加后得到每个容许开关状态对应的目标函数

J(x(k),u(k-1),U(k))=Σn=0Ns-1||ϵ1(k+n|k)||1+Σn=1Ns-1||ϵ2(k+n|k)||1]]>

其中ε₁＝ε_u，ε₂＝[ε_T ε_ψ]^T，ε_u(k)＝q_u(k)‖u(k)-u(k-1)‖₁为开关切换次数约束，q_u=5是逆变器开关需要切换次数的权重；

步骤6：选择使目标函数J最小的逆变器开关状态的序列U^*=[(u(k),…,u(k+N_s-1)]^T，直接用开关序列U^*中第一个开关位置u(k)控制逆变器上半导体开关管的开关位置，使得逆变器输出三相电压控制永磁同步电机转动；

然后重复步骤1～6求取下一个采样时刻k+1需要的开关状态。