[发明专利]基于优化占空比的永磁同步电机模型预测控制方法

说明书

本发明公开了一种基于优化占空比的永磁同步电机模型预测控制方法，包括：考虑到延时补偿，将定子磁链矢量参考值与预测值误差值建立代价函数，在每一个采样周期，通过穷举法可得到下一个采样周期作用的使代价函数最小的电压矢量及其作用时间；将代价函数表示为电压矢量作用时间t的函数，并通过求偏导数令偏导数为零，得到使得代价函数最小的电压矢量作用时间topt；当上一个采样时刻计算得到的电压矢量作用时间大于一个采样周期时，此矢量可在当前采样周期内继续作用，同时在当前采样时刻通过穷举法可得到最优矢量及其作用时间，根据两个最优电压矢量及其作用时间，决定采样周期的占空比。本发明可在多种工况下实现抑制转矩脉动与降低电流谐波含量的目的。

技术领域

本发明涉及电机系统及控制领域，尤其涉及一种基于优化占空比的永磁同步电机模型预测控制方法。

背景技术

永磁同步电机具有高功率密度，高转矩以及结构简单等优点，已在伺服系统，电动汽车，风力发电等工业领域有了广泛的应用，因此，对永磁同步电机控制算法的研究一直以来都是热点^[1-3]。近年来，预测控制因具有建模简单、滚动优化，有效解决多变量有约束的系统等优点，在电机控制等领域受到广泛关注^[4-6]。

模型预测控制主要分为无差拍模型预测控制和有限集模型预测控制^[7]，其中有限集模型预测控制是一种非常传统的永磁同步电机预测控制方法，以8个基本电压矢量为基础，通过穷举法带入价值函数中，得到使价值函数最小的电压矢量作为最优矢量输出，具有原理简单，动态响应速度快，可以在线的矫正定子磁链矢量等优点。但是由于在一个采样周期内只能使用一个电压矢量，因此磁链矢量的给定值与实际值之间的误差较大^[8]，引起了较大的转矩稳态波动，并增加了电流中的谐波成分，随着采样周期的增大，稳态波动大的问题会更加明显。

使用多电平变流器^[9,10]或者增加虚拟矢量^[11]是降低预测控制转矩稳态波动的直接有效方法，但是会产生计算负担增大等问题，对硬件要求较高。一些学者提出了在一个采样周期内加入零矢量的方法，即在一个采样周期内作用一个有效矢量和一个零矢量，预先算出有效矢量在一个采样周期的占空比，在定子磁链的预测值中，有效的降低了转矩的稳态波动。但是由于一个采样周期内只有一个有效矢量，定子磁链轨迹只有一个运动方向，转矩稳态波动也比较大；此外，若求得的最优作用时间大于一个采样周期，有效矢量作用的时间大于一个采样周期，一般处理方式将作用时间等于一个采样周期^[12]，表明了此时求得的作用时间是无效的，不仅浪费了计算资源，同时降低了转矩的稳态性能。

无论采取哪种控制策略，都不能够在同一开关频率下提高系统的控制效果。因此，一种在相同开关频率下改善有限集模型预测控制和传统占空比模型预测控制的稳态控制效果，抑制转矩脉动和降低电流谐波含量，并且能够维持原有快速暂态响应的技术亟需提出。

参考文献

[1]Siami M,Arab Khaburi D,Rivera M,et al.A Computationally EfficientLookup Table Based FCS-MPC for PMSM Drives Fed by Matrix Converters[J].IEEETransactions on Industrial Electronics,2017,64(10):7645-7654.

[2]Zhang X,Zhang L,Zhang Y,et al.Model predictive current control forPMSM drives with parameer ro-bustness improvement[J].IEEE Transactions onPower Electronics,2019,34(2):1645-1657.

[3]周湛清，夏长亮，等.具有参数鲁棒性的永磁同步电机改进型预测转矩控制[J].电工技术学报，2018,33(5):965-972.