[发明专利]可变开关点的永磁同步电机多步模型预测转矩控制方法

权利要求书

1.一种可变开关点的永磁同步电机多步模型预测转矩控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1，建立系统数学模型，并采用前向欧拉法获得离散化模型；

永磁同步电机d-q旋转坐标系下的数学模型为：

式中：u_s＝[u_d u_q]^T为定子d、q轴电压；i_s＝[i_d i_q]^T为定子d、q轴电流；ψ_s＝[ψ_d ψ_q]^T为定子d、q轴磁链；ψ_r＝[ψ_f 0]^T为转子d、q轴磁链；L_s表贴式永磁同步电机中的定子电感，L_s＝L_d＝L_q；R_s为定子电阻；ω_re为电角速度；ψ_f为永磁体磁通；

电机的磁链方程为：

电机的转矩方程为：

式中：式中：T_e为电磁转矩；p为极对数；

将磁链方程代入转矩方程中，将方程改写如下形式，

电机的机械运动方程表示形式如下，

式中：J为转动惯量；p为极对数；B为摩擦系数；T_L为负载转矩；

由电压方程得到永磁同步电机d-q旋转坐标系下的磁链状态方程，表达形式如下，

采用前向欧拉法获得磁场的微分形式表示形式如下，

式中：u_d(k)，u_q(k)分别为当前时刻的定子d、q轴电压；i_d(k)，i_q(k)分别为当前时刻的定子d、q轴电流；ψ_d(k+1)、ψ_q(k+1)为(k+1)时刻d、q轴磁链；T_s为采样周期；

同样得到电流离散化形式如下，

式中：i_d(k+1)，i_q(k+1)分别为(k+1)时刻的定子d、q轴电流；因此电磁转矩方程表示为：

式中：T_e(k+1)为(k+1)时刻电磁转矩；

步骤2，设计可变开关点的有限集预测控制器；

步骤3，设计模型预测转矩控制的成本函数，并消除权重因子；

步骤4，选取使成本函数在一个周期里最小和次最小时的磁链和转矩预测值，并计算可变开关节点的开关切换时刻；

步骤5，设计可变开关节点的多步模型预测转矩控制器；

设计了可变开节点的预测磁链、转矩模型控制器，过程如下，

第一个时间段里，预测磁链模型表示形式如下，

第二个时间段里，在τ时刻施加新的开关状态，预测磁链模型表示形式如下，

式中：ψ_d(k+2)，ψ_q(k+2)分别为(k+2)时刻d、q轴磁链；u_qi(0,1...6)为有限集预测转矩控制的备选矢量集合；

定子磁链矢量值由d、q轴磁链分量合成得到，表示形式如下，

预测函数分两段进行，所以必须在两个时间点分别计算电磁转矩和定子磁链，表示形式如下，

设计模型预测转矩控制的新型成本函数，并消除了权重因子，过程如下，

将预测模型得到的电磁转矩和定子磁链带入成本函数，表示形式为，

式中：Te*、ψ_s^*分别为给定电磁转矩、给定定子磁链；

由于成本函数中的电磁转矩和定子磁场并非统一量度，所以传统的成本函数需要权重因子，将电磁转矩误差值和定子磁链误差值进行单位化，继而设计了一种无权重因子的可变开关点预测转矩控制成本函数，表示形式如下，

由成本函数计算得到一个周期内的最优输出电压矢量u_{out_min1}和次最优输出电压矢量u_{out_min2}，最终由多步预测法则函数选择出其一作用于逆变器，形式如下，

计算可变开关节点的开关切换时刻，过程如下，

为了使计算简单，假设电磁转矩在施加新的开关状态时呈线性变化，将扭矩假定为与时间t线性变化的，表示形式如下，

T_e(k+2)≈T_e(k+1)+k_pt (21)

式中：k_p为斜率，t为时间；

将一个持续的采样周期分为两段：在第一个时间区间[k+1,k+τ+1)里保持上个周期的开关状态S₁；在第二个时间区间[k+τ+1,k+2]里应用新的开关状态S₂，并最终在采样周期结束时电磁转矩等于给定转矩，

T_e(k+2)＝T_e^* (22)

假设每个开关状态都会对应一定的电磁转矩斜率，得到每个电压矢量对应的转矩斜率k_pi，表示形式如下，

在一个周期Ts里，分别把两个时间段的电磁转矩线性变化表示为，

T_e(k+τ+1)＝T_e(k+1)+k_p1τ (24)

T_e(k+2)＝T_e(k+τ+1)+k_p2(T_s-τ)＝T_e^* (25)

计算出可变开关时间节点方程式为：

设计了变开关节点的多步模型预测转矩控制器，过程如下，

分别通过预测磁链、预测转矩模型计算有限集合u_qi(0,1...6)中的所有备选矢量作用下的(k+3)时刻电磁转矩、定子磁链预测值，将预测模型表示为：

在第一步预测的最优电压矢量u_{out_min1}作用下进一步计算第二步预测，表示形式如下，

同样，在第一步预测的次最优电压矢量u_{out_min2}作用下进一步计算第二步预测，表示形式如下，

根据式(35)选择最终的输出电压矢量u_out，并作用于逆变器最终的选择函数表示形式为，