[发明专利]一种内置式永磁同步电机控制器及其控制方法

权利要求书

1.一种内置式永磁同步电机控制器，其特征在于，包括：ADRC控制器、最大转矩电流比控制器、基于PWM预测控制的有限控制集模型预测控制器、转速和角度计算单元、Clark变换单元、Park变换单元以及电压源逆变器；

所述转速和角度计算单元，用于获取内置式永磁同步电机的电角速度和电角度，并用于各控制器的计算中；

所述Clark变换单元，用于将内置式永磁同步电机的三相定子电流信号进行Clark变换，获得αβ坐标系下的定子电流；

所述Park变换单元，用于对αβ坐标系下的定子电流进行Park变换，获得同步旋转dq坐标下的定子电流；

所述ADRC控制器，用于通过二阶扩张状态观测器和一阶非线性控制律确定参考定子电流；

所述最大转矩电流比控制器，用于保证所产生的d、q轴参考电压拥有最大转矩；

所述基于PWM预测控制的有限控制集模型预测控制器，用于产生开关频率固定的PWM控制信号，并保证所产生的电流波动小；

以d、q轴电流i_d、i_q和电角速度ω为状态变量，建立内置式永磁同步电机在d、q同步旋转坐标系下的数学模型：

式中，L_d表示直轴电感，L_q表示交轴电感，R_s表示定子电阻，Ψ_f表示转子磁链，p_n表示极对数，J表示转动惯量，B表示粘滞摩擦因数，u_d、u_q分别表示d、q轴的控制电压；

所述基于PWM预测控制的有限控制集模型预测控制器，用于产生开关频率固定的PWM控制信号，并保证所产生的电流波动小，具体包括：

S301、根据参考d、q轴电流和预测模型求出期望的d、q轴控制电压；

S302、将所期望获得的电压转化为期望获得的逆变器开关信号占空比；

S303、通过一种逆变器开关占空比选取算法去获得逆变器每个桥臂一个采用周期内的占空比；

步骤S301具体为：

对式(1)中的电流部分进行一阶欧拉离散可得：

对于逆变器开关变量，其与dq轴电流间存在以下关系：

式中，u_a,u_b,u_c的取值只能为1或0，代表逆变器对应桥臂开关的通断，E为直流母线电压；

假设ρ_λ(k)是第λ个桥臂在每个周期中的占空比，其中λ∈{a,b,c}，定义为这个周期d,q轴的平均电压，则有如下关系成立：

定义占空比矩阵为ρ(k)＝[ρ_a(k),ρ_b(k),ρ_c(k)]^T，则一个周期内的d、q轴平均电压可以由下式表达

则已知d、q轴参考电流的情况下，要在一个周期内跟踪此电流，所需的d、q轴电压可以表示为：

步骤S302具体为：

将式(10)代入式(7)，有：

X(k+1)＝F(k)·X(k)+G·M(k)·D·ρ(k)+H(k)      (12)

式(11)代入式(12)，有：

D·ρ(k)＝M^-1(k)·G^-1·(X^#-F(k)·X(k)-H(k))      (13)

式(8)代入式(13)并展开：

式(14)的三个开关信号ρ_a、ρ_b、ρ_c要想获得一个确定的解，需要添加额外的条件，否则有无数个解，这里选择使其中两个最小和最大的值之和为1，即将(14)化为以下形式：

式(15)对应着一个隐藏条件，

ρ_b+ρ_c＝1,ρ_b＞ρ_a＞ρ_corρ_c＞ρ_a＞ρ_b       (16)

即可对式(15)求解，只要所求出的解满足式(16)即正确，所需要的占空比矩阵可以求得，否则以ρ_a+ρ_b＝1或者ρ_a+ρ_c＝1重新选取式(15)，直到正确满足所设置约束；

步骤S303具体为：

为了减小在线计算量，在式(15)计算出结果后，使用下式进行计算，得出最终的PWM信号：

新的占空比矩阵[ρ'_a,ρ'_b,ρ'_c]^T作为PWM信号可直接应用在逆变器中，实现转速控制；

所述电压源逆变器，用于根据PWM控制信号控制三相定子电流，进而控制内置式永磁同步电机的转速。