[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

说明书

一种可变开关点的无权重因子永磁同步电机有限集多步模型预测转矩控制方法，建立数学模型，并对磁链和转矩状态方程离散化处理；设计可变开关点的有限集预测控制器，计算有限集合中的所有备选矢量作用下的电磁转矩、定子磁链预测值；设计模型预测转矩控制的成本函数，并消除权重因子；经过成本函数选择最优和次优电压矢量；计算可变开关节点的开关切换时刻；设计可变开关节点的多步预测转矩控制器；选择最终的输出电压矢量u_out。本发明将预测转矩控制开关切换频率减小为原来的一半，抑制了转矩脉动、减少了开关损耗同时增加了稳定性。

技术领域

本发明属于永磁同步电机控制技术领域，特别涉及一种可变开关点的无权重因子永磁同步电机有限集多步模型预测转矩控制方法。

背景技术

永磁同步电机(PMSM)具有体积小，动态性能强，运行效率高以及运行可靠性优良等优点被广泛应用于工程领域，是一类具有很好发展潜力的节能环保型电机。随着高精度工业领域如工业机器人、新型数控机床、机械臂等对PMSM 的应用需求增加，电机的运行效率、精度、稳定性要求也在不断提高。

目前，在实际的永磁同步电机驱动系统中应用最广泛和传统的主要是矢量控制(FOC)和直接转矩控制(DTC)。其中DTC方法估计定子磁链大小和估计电磁转矩作为两种状态变量，通过查表方式来实现选择应用逆变器电压矢量，并应用闭环反馈控制结构来调节这些状态。这种方法相比FOC有较好的动态性能，能快速达到目标状态，然而，传统的DTC方法具有相当大的转矩脉动的缺点。模型预测控制(MPC)相对灵活,在一些方面弥补了传统控制方法的短板，因此得到了广泛关注和很好的发展。相比于传统的DTC等控制方式，有限集模型预测控制(FCS-MPC)具有设计简单直观、无需调制器、动态响应快、多目标可协同、非线性目标容易实现等优点。根据控制目标的不同可以将FCS-MPC划分为预测转矩控制(MPTC)，预测转速控制(MPSC)和预测电流控制(MPCC)，其中应用较为广泛的是MPTC 和MPCC。有限集模型预测转矩控制的方法的转矩脉动幅度要明显优于有限集模型预测电流控制，因此，FCS-MPTC在工业应用方面的发展要好于FCS-MPCC。

然而，MPTC的方法根据控制对象的预测模型采用遍历的方式，计算有限集合中所有备选矢量对应的预测转矩和磁链，并用表示控制目标的成本函数对每个预测状态进行评估，选取能使成本函数最小值的开关状态作为控制器的下一次输出，因此系统具有开关频率高的缺陷。并且传统的MPTC在一个周期遍历所有可能开关状态，由于并非连续控制，转矩脉动大的问题并没有得到很好的解决，从而导致效率较低和开关损耗较大。传统的单步MPTC方法所选的电压矢量只是一个控制周期内的最优，而不是多个控制周期内的最优，并且在选择最优电压矢量时，相邻控制周期内最优电压矢量的选择过程相互无关，这使得系统稳态性能较差。因此，有必要设计一种开关切换状态最优、提高系统运行效率、提高稳定性和减少开关损耗的方法。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种可变开关点的无权重因子永磁同步电机有限集多步模型预测转矩控制方法，在内环设计一种可变开关点的改进型多步模型预测控制器代替传统的查表方法，并消除了权重因子，从而解决技术问题。

为了解决上述技术问题本发明提供的技术方案为：

一种可变开关点的无权重因子永磁同步电机有限集多步模型预测转矩控制方法，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：