[发明专利]一种适用于永磁电机系统的增量式直接预测速度控制方法

权利要求书

1.一种适用于永磁电机系统的增量式直接预测速度控制方法，其特征在于，包括增量式速度预测模型、两阶段穷举寻优、边界矢量合成方法这三部分；具体设计过程如下：

1)将电压复平面以基本电压矢量V₁,V₂,…,V₆为边界，划分为6个大扇区I、II、…、VI，同时，在各扇区内依照相同相角间隔虚拟出N_v个虚拟电压矢量，将6个基本电压矢量和6N_v个虚拟电压矢量组成的矢量全部纳入控制集，形成扩张控制集；

2)设计出一种“边界矢量合成方法”，在无需复杂三角函数运算，仅利用基本电压矢量的基础上，确定扩张控制集内所有虚拟电压矢量的幅值与相角；定义电压矢量逆时针方向的边界基本矢量为“合成主矢量”V_m，扩张控制集中的任一虚拟电压矢量必可在其它基本电压矢量V_n的辅助下，沿边界合成该虚拟电压矢量，其合成关系为

V_s＝V_m+d_nV_n (1)

式中，V_m和V_n分别表示合成虚拟电压矢量所需的主、辅矢量，各扇区对应的合成主、辅矢量关系：扇区Ⅰ中V_m为V₁，V_n为V₃；扇区II中V_m为V₂，V_n为V₄；扇区Ⅲ中V_m为V₃，V_n为V₅；扇区Ⅳ中V_m为V₄，V_n为V₆；扇区Ⅴ中V_m为V₅，V_n为V₁；扇区Ⅵ中V_m为V₆，V_n为V₂；

同一扇区内的每个虚拟电压矢量的V_m和V_n相同，仅d_n不同，d_n∈[0，1]为V_n的分配系数，称之为“合成占空比”；考虑到各扇区内虚拟电压矢量依照相同相角间隔分布，故在扩张控制集中有d_n＝0,1/(N_v+1),2/(N_v+1),…,1；

3)结合第2)步中的边界矢量合成方法，将扩张控制集表示为

4)计算基本电压矢量与上一时刻输出电压间的电压增量；

5)采用闭环霍尔电流传感器采集电机定子三相电流值，采用电压传感器采集逆变器直流母线电压值，并将采样值与第4)步的电压增量代入如下增量式速度预测模型

其中：

式中，u_d、u_q、i_d、i_q分别表示电机d、q轴定子电压和电流，R_s、L_s、ψ_f、p、J_m、B_m分别表示电机定子电阻、电感、转子永磁磁链、极对数、转动惯量和摩擦系数，ω_e表示电机的电角频率，ω_eN为额定电角频率，N_p为预测步长，i_d(k+1)、i_q(k+1)、ω_e(k+1)、i_d(k)、i_q(k)、ω_e(k)分别为第(k+1)T_s时刻和第kT_s时刻的d、q轴电流和电角频率，u_d(k)、u_q(k)分别为第kT_s时刻作用于电机的d、q轴电压值，T_s为离散控制周期，“Δ”表示变量增量，即：Δi_d(k+1)＝i_d(k+1)-i_d(k)，Δi_d(k)＝i_d(k)-i_d(k-1)，Δi_q(k+1)＝i_q(k+1)–i_q(k)，Δi_q(k)＝i_q(k)-i_q(k-1)，Δω_e(k+1)＝ω_e(k+1)-ω_e(k)，Δω_e(k)＝ω_e(k)-ω_e(k-1)；

6)将第5)步中的预测值代入下面的优化问题中进行穷举寻优，

其中：

式中，J(k)表示增量式直接预测速度控制对应的价值函数，I_s和I_max分别表示定子电流有效值和最大值，inf表示无穷大实数，x^*表示参考值向量；x(k+n)表示电机系统第(k+n)T_s时刻的状态向量，其中x＝[i_d i_q ω_e]^T；在i_d＝0控制中，x^*＝[0 i_q^ref ω_e^ref]^T，其中i_q^ref和ω_e^ref分别表示q轴电流和电角频率的参考值；Q＝diag[λ_d λ_q λ_ω]^T表示权重系数矩阵，其中λ_d、λ_q和λ_ω分别表示d轴电流、q轴电流和转速的权重系数；

7)假定第6)步中得到的令J(k)最小的基本电压矢量为V_opt，令J(k)次小的基本电压矢量为V_subopt，则最优输出电压矢量所在扇区必为V_opt和V_subopt所包围的扇区，即为最优扇区；

8)在确定最优输出电压矢量所在扇区后，将该扇区内的各矢量依次代入价值函数J(k)进行二次穷举寻优，以确定最优输出电压矢量及其合成占空比；

9)根据矢量运算法则和幅秒平衡原理，合成占空比与三相输出占空比d_A、d_B和d_C间存在之间直接对应关系，从而，可在无需空间矢量调制技术辅助的情况下直接确定三相输出占空比；

10)将第9)步中得到的三相输出占空比转换为功率器件的开关信号，实现对永磁电机的直接速度控制。