[发明专利]一种永磁同步电机全速域模型预测磁链控制方法

权利要求书

1.一种永磁同步电机全速域模型预测磁链控制方法，其特征在于：包括转速外环PI控制器(1)、模型预测磁链控制模块(2)、全速域价值函数模块(3)、占空比计算模块(4)、逆变器(5)、坐标变换模块(6)、永磁同步电机(7)和编码器(8)；首先，通过转速外环PI控制器获得参考转矩T_e^ref；再从电机编码器中获取永磁同步电机的电角度θ_r和电角速度ω_r，并利用电流传感器获取k时刻的三相定子电流i_a，i_b和i_c，经坐标变换后得到k时刻定子电流的d-q轴分量i_d和i_q；然后，结合磁链方程和负载角进行磁链计算，得到(k+1)时刻磁链预测值ψ_sd(k+1)、ψ_sq(k+1)及磁链参考值ψ_sd^ref(k+1)、ψ_sq^ref(k+1)；进而，利用(k+1)时刻磁链预测值和磁链参考值构建全速域价值函数，并通过最小化全速域价值函数获得逆变器最优电压矢量；最后根据q轴磁链无差拍思想计算占空比，分配最优电压矢量与零矢量作用于逆变器的时间；

计算(k+1)时刻磁链预测值ψ_sd(k+1)、ψ_sq(k+1)以及(k+1)时刻磁链参考值ψ_sd^ref(k+1)、ψ_sq^ref(k+1)的方法为：将得到的d-q轴电流分量i_d和i_q，转子电角速度ω_r以及转子电角度θ_r输入模型预测磁链控制模块，根据公式(3)获得(k+1)时刻的预测电流模型，然后根据公式(4)获得(k+1)时刻磁链预测值ψ_sd(k+1)、ψ_sq(k+1)；根据公式(5)获得负载角δ和电磁转矩T_e的关系，并且根据公式(6)对负载角δ求导，得到公式(7)负载角增量Δδ，根据公式(8)获得(k+1)时刻负载角δ的参考值δ^ref，根据公式(9)获得(k+1)时刻磁链参考值ψ_sd^ref(k+1)、ψ_sq^ref(k+1)；

δ^ref＝Δδ+δ (8)

式中，i_d^k+1、i_q^k+1为(k+1)时刻的电流预测值；R_s为定子相电阻；L_d、L_q为直、交轴电感；T为系统的采样周期；u_d^k、u_q^k为k时刻定子电压在d-q轴分量上的电压；ψ_f为转子永磁体磁链；n_p为极对数；ψ_s为k时刻d-q轴分量上的合成磁链ψ_s(k)的幅值；ψ_sd^ref(k+1)、ψ_sq^ref(k+1)为(k+1)时刻定子磁链在d-q轴分量上的磁链参考值；ΔT_e为电磁转矩增量；δ^ref为(k+1)时刻负载角的参考值；

构建全速域价值函数包括在全速域价值函数模块(3)中构建低中速区控制目标的价值函数和高速区控制目标的价值函数；

构建低中速区控制目标的价值函数包括：根据公式(10)获得(k+1)时刻的低中速区磁链误差函数g_F；在永磁同步电机以最大转矩电流比方式运行时，根据公式(11)获得(k+1)时刻低中速区区域收敛函数g_MTPA；根据公式(12)获得(k+1)时刻低中速区磁链限制条件函数g_FMAX；根据公式(13)获得(k+1)时刻低中速区方向选择函数g_dir；

构建高速区控制目标的价值函数包括：计算(k+1)时刻高速区的磁链误差函数g’_F，高速区的磁链误差函数g’_F与低中速区磁链误差函数g_F一致；永磁同步电机高速稳定运行时忽略定子电阻压降，得到公式(14)，根据公式(15)获得(k+1)时刻高速区区域收敛函数g_FW；计算(k+1)时刻高速区磁链限制条件函数g’_FMAX，高速区磁链限制条件函数g’_FMAX与低中速区磁链限制条件函数g_FMAX一致；永磁同步电机基速以上运行时，受到逆变器最大输出电压的约束，根据公式(16)获得(k+1)时刻高速区电压限制条件函数g_umax；根据公式(17)获得(k+1)时刻高速区稳定运行函数g_stab；

式中，u_s为定子电压；u_smax为逆变器最大输出电压；V_dc为直流母线电压；λ_m为电压系数；η为电压限制条件中间变量；ζ为电机高速稳定运转条件中间变量；

所述通过最小化全速域价值函数获得逆变器最优电压矢量包括如下步骤：根据式(18)得到全速域价值函数，将八个基本电压矢量分别代入价值函数中，输出使得价值函数最小的开关状态S_abc给逆变器；

g(min)＝g_F+g_c+g_L (18)

定义ω_c为永磁同步电机运行于基速时对应的电角速度，当ω_rω_c时，g_c＝g_MTPA且g_L＝g_FMAX+g_dir；当ω_rω_c时，g_c＝g_FW且g_L＝g_FMAX+g_umax+g_stab；

所述的占空比的计算方法为：根据式(19)得到q轴磁链在最优电压矢量和零电压矢量共同作用下在(k+1)时刻达到给定值ψ_sq^ref；结合定子磁链方程与电压方程，根据式(20)得到零矢量作用时q轴磁链的斜率S₀，根据式(21)得到最优电压矢量作用时q轴磁链的斜率S_opt，根据式(22)得到最优电压矢量作用时间t_opt：

式中，ψ_sq表示q轴分量上的磁链，ψ_sq(k)为k时刻q轴分量上的磁链；S₀是零矢量作用时q轴磁链的斜率；S_opt是最优电压矢量作用时q轴磁链的斜率；t_opt是最优电压矢量作用时间；表示k时刻最优矢量作用下的q轴电压。