[发明专利]一种基于切换点优化的永磁电机模型预测磁链控制方法

说明书

本发明公开了一种基于切换点优化的永磁电机模型预测磁链控制方法，包括：建立永磁同步电机的数学模型，基于采样信号和数学模型中的电流、磁链方程，将定子磁链矢量预测值表示为候选电压矢量切换时刻的函数；通过定子磁链矢量预测值和参考值构建基于定子磁链矢量误差的价值函数，并将其最小化获得每个候选电压矢量与当前作用电压矢量的最优切换时刻；构建考虑矢量切换点的磁链矢量误差和开关频率约束项的价值函数，依次带入获取价值函数最小值时对应的最优电压矢量及最优切换时刻；通过切换模式预判法，基于不同的矢量切换模式对下一控制周期进行提前计算，预先调整切换点优化时间的数值；通过不同模式下t_opt(k+1)与t_opt(k+2)的数值，实现占空比的计算与输出，进行相应的切换模式更新。

技术领域

本发明涉及电机系统及模型预测控制领域，尤其涉及一种基于切换点优化的永磁电机模型预测磁链控制(Switching-Instant-Optimization-Based Model PredictiveFlux Control)方法。

背景技术

近年来，电力电子和永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Machines,PMSMs)快速发展，使得基于永磁同步电机的驱动系统以其高效率、高功率密度、高转矩密度等优点在学术和工业电力驱动领域得到越来越广泛的应用^[1-2]。

磁场定向控制(Field-Oriented Control,FOC)和直接转矩控制(Direct TorqueControl,DTC)是三相电力驱动系统中比较成熟的两种控制方法^[3]。应用FOC策略时，通过坐标变换将静止坐标系转换为同步旋转坐标系，使得定子电流在同步坐标系中分解为转矩分量和磁链分量，并分别采用比例积分(Proportional Integral，PI)控制器进行调节^[4]。最后，由脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)模块产生相应的开关信号控制逆变器电压矢量的输出。FOC具有良好的稳态性能，但暂态响应速度仍需进一步提高。同时，控制参数的合适与否对于PI控制器的控制效果至关重要，如果参数选取不当，将会在一定程度上降低系统的稳态性能和暂态响应速度^[5]。与FOC不同，DTC策略并未采用PI控制器对定子电流控制，而是通过滞环比较器直接控制转矩和定子磁链，并通过两个滞环比较器的输出和磁链矢量角度从离线表中直接选取相应的开关信号应用于逆变器^[6]。因此，DTC策略也不需要调制模块。采用DTC策略时，可以获得较快的暂态响应速度，但稳态性能具有较高的转矩波动和电流谐波含量，以及低速高噪声、不固定开关频率等缺点^[7]。

尽管模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)应用于电力驱动系统已有30多年的历史，但由于其概念简单、灵活性高、易于处理多约束问题等特点，仍然在学术和工业电力驱动领域获得越来越多的讨论与研究，被认为是传统的FOC和DTC的有效替代策略^[8]。MPC可以分为连续控制集和有限控制集，其中，有限集模型预测控制(Finite ControlSet Model Predictive Control,FCS-MPC)仅考虑8个基本电压矢量，并不需要连续集模型预测控制中必需的空间矢量调制(Space Vector Modulation,SVM)模块。模型预测转矩控制(Model Predictive Torque Control,MPTC)是电力驱动系统中控制转矩和磁链的常用FCS-MPC策略之一。应用MPTC时，首先需要基于系统离散模型对转矩和定子磁链的进行预测，并根据预先确定的优化准则分别对八个基本电压矢量进行评估，遴选出最优结果，最后将相应的开关信号直接应用于逆变器。虽然MPTC具有快速的暂态响应速度，但是与连续集MPC相比，MPTC具有更大的转矩波动和电流谐波含量。为了解决这一问题，可以将简单的调制策略与MPTC相结合，提出一些有效的方法。