[发明专利]永磁同步电机无权值模型预测转矩控制系统及方法

说明书

本发明公开了一种永磁同步电机无权值模型预测转矩控制系统及方法，通过转速控制器获得转矩参考值，根据最大转矩电流比原则与磁链方程计算定子磁链幅值参考值，同时利用转矩控制器获得负载角增量；通过计算得到的定子磁链角和检测得到的转子位置角获得当前时刻的负载角，结合负载角增量与当前时刻负载角得到(k+1)时刻的负载角参考值，进而基于负载角参考值和定子磁链幅值参考值得到(k+1)时刻的定子磁链参考值；利用定子磁链参考值和定子磁链预测值建立价值函数；通过优化价值函数获得最优电压矢量输送给永磁同步电机。本发明中考虑了永磁同步电机凸极效应，还可以与其他优化控制策略结合，在恒转矩区和恒功率区均能适用。

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机无权值模型预测转矩控制系统及方法，属于电机驱动及控制领域。

背景技术

有限控制集模型预测控制能够根据被控对象的约束和离散特性在线解决优化问题，其结构简单且容易实现，近年来在电力电子和电机驱动领域被广泛应用。其中模型预测转矩控制作为有限控制集模型预测控制中的一种控制形式，在电机控制领域受到深入研究。模型预测转矩控制从直接转矩控制发展而来，其以转矩和定子磁链幅值为控制目标，通过优化控制目标的价值函数来选择最优开关状态。与直接转矩控制相比，模型预测转矩控制具有开关频率低、动态响应快、能处理电机非线性约束等优点。

然而，转矩和定子磁链幅值的量纲不同，在构建价值函数时需要利用权值对二者进行连接。目前权值的选择仍缺乏统一的理论指导，国内外学者针对权值选择的研究主要可以分为两大类，一是权值选择优化，二是权值消除。权值选择优化是通过设计合理有效的方法指导权值选择，而权值消除基本思想是将统一控制变量量纲以避免权值选择。与权值选择优化相比，消除权值可避免权值对电机性能的影响，因而更受研究人员青睐。

中国发明专利《一种永磁同步电机准无差拍模型预测磁链控制方法》(专利号为CN201610188463.4，公开日期为2016.07.13)公开了一种准无差拍模型预测磁链控制方法。该方法通过分析转矩和定子磁链幅值的关系，通过数学推导将控制变量统一为定子磁链矢量，有效消除了权值。然而该方法未能考虑永磁同步电机的凸极效应，也未考虑电机在恒功率区运行工况。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提供了一种能适用于所有永磁同步电机的无权值模型预测转矩控制系统及方法，且该方法在恒转矩区和恒功率区均能适用。

本发明采用的技术方案为：一种永磁同步电机无权值模型预测转矩控制系统，包括转速PI控制器、转矩PI控制器、电流参考计算模块、定子磁链参考计算模块、优化模块、逆变器、永磁同步电机、转矩估计模块、负载角计算模块、定子磁链预测模块、编码器和电流传感器。

转速参考值和经编码器得到的实际转速做差，差值输入转速PI控制器；转速PI控制器输出的转矩参考值与转矩估计模块得到的转矩估计值做差，差值输入到转矩PI控制器，同时转速PI控制器得到的转矩参考值输入电流参考计算模块；转矩PI控制器输出的负载角增量与负载角计算模块输出当前时刻负载角相加，相加的和输入到定子磁链参考计算模块；定子磁链参考计算模块和定子磁链预测模块分别输出定子磁链参考值和定子磁链预测值到优化模块；优化模块输出最优开关状态给逆变器；逆变器输出最优电压矢量给永磁同步电机；电流传感器采集到的两相电流经过PARK变换后得到交直轴电流，交直轴电流输入转矩估计模块进行转矩估计；交直轴电流和编码器得到的转子位置角输入负载角计算模块和定子磁链预测模块，分别进行负载角计算和定子磁链预测。

一种采用上述系统的永磁同步电机无权值模型预测转矩控制方法，包括以下步骤：

步骤一：首先，通过转速控制器获得转矩参考值，根据最大转矩电流比原则与磁链方程计算定子磁链幅值参考值，同时利用转矩控制器获得负载角增量；