[发明专利]一种基于永磁同步电机转矩预测控制方法

摘要

一种基于永磁同步电机转矩预测控制方法，其特征在于，通过采集的永磁同步电机的三相定子电流、直流侧电压，并结合转速通过PI调节得到参考转矩指令，参考转矩指令通过计算可得电动机参考定子磁链的幅值，通过变流器的驱动信号估算出αβ轴下定子磁链和转矩，结合反park变换得出在αβ轴下的转子磁链分量，通过滚动优化等计算，可得到下一时刻的驱动信号，通过下一时刻的驱动信号控制三个上下管的开通，本发明设计合理、实用性强、操作简单，并且无需计算下一时刻的电流预测值，从而避免了由于坐标变换导致的计算量大、计算过程复杂的问题，从而减少了计算量，大大简化了计算量，还避免了由于滞环控制导致的转矩和磁链产生脉动较大、控制转矩响应较慢等问题。

主权项

1.一种基于永磁同步电机转矩预测控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1)、通过电流传感器获取k时刻永磁同步电机的三相定子电流i_sa(k)、i_sb(k)、i_sc(k)，并且通过电压传感器获取永磁同步电机直流侧电压U_dc，并且通过编码器获取永磁同步电机的转速ω；S2)、通过将转速ω与参考转速ω^*做差后经PI调节器输出得到参考转矩指令T_e^*；S3)、通过参考转矩指令T_e^*计算得到参考定子磁链ψ_s^*，其计算公式如下：其中，P为极对数，ψ_f为转子磁链，|ψ_s^*|为参考定子磁链幅值，L_s为定子电感；S4)、通过计算参考定子磁链相位角θ，利用极坐标系得到参考定子磁链ψ_s^*在αβ轴下的分量ψ_sα^*、ψ_sβ^*，其中，参考定子磁链相位角θ计算公式如下：θ＝arctan(L_sT_e^*/(1.5Pψ_f²))+ωt，其中，ω为转速，arctan(L_sT_e^*/(1.5Pψ_f²))为转矩角，参考定子磁链ψ_s^*在αβ轴下的分量ψ_sα^*、ψ_sβ^*的计算公式如下：ψ_sα^*＝|ψ_s^*|cosθ，ψ_sβ^*＝|ψ_s^*|sinθ；S5)、根据逆变器的驱动信号S_a、S_b、S_c和直流侧电压U_dc计算得到k时刻永磁同步电机三相电压u_sa(k)、u_sb(k)、u_sc(k)，计算公式如下：S6)、通过将永磁同步电机k时刻的三相电压u_sa(k)、u_sb(k)、u_sc(k)和永磁同步电机的三相定子电流i_sa(k)、i_sb(k)、i_sc(k)经过坐标变换后可以得到u_sα(k)、u_sβ(k)和i_sα(k)、i_sβ(k)，其计算公式如下：S7)、通过u_sα(k)、u_sβ(k)和i_sα(k)、i_sβ(k)计算可以得到定子磁链ψ_s(k)在αβ轴下的分量ψ_sα(k)、ψ_sβ(k)，并根据定子磁链ψ_s(k)的分量ψ_sα(k)、ψ_sβ(k)计算得到转矩T_e(k)，计算公式如下：其中，R_s为定子电阻；S8)、通过反park 坐标变换可以得到转子磁链ψ_f在静止坐标系下的分量ψ_fα和ψ_fβ，计算公式如下：S9)、为使每个周期输出三个不同的电压矢量，通过三桥臂的8个开关状态，设定六个非零电压矢量(u₁u₂u₃u₄u₅u₆)和零电压矢量u₀或u₇，并将六个非零电压矢量(u₁u₂u₃u₄u₅u₆)和零电压矢量u₀或u₇组成12组电压矢量集，其中每组电压矢量集由两个相邻的非零电压矢量和零电压矢量u₀或u₇组成，具体分别为：(u₀u₁u₂)、(u₀u₂u₃)、(u₀u₃u₄)、(u₀u₄u₅)、(u₀u₅u₆)、(u₀u₆u₁)、(u₇u₁u₂)、(u₇u₂u₃)、(u₇u₃u₄)、(u₇u₄u₅)、(u₇u₅u₆)、(u₇u₆u₁)，并从这12组电压矢量集中任意选取一组电压矢量集作用于k+1时刻，从而使永磁同步电机快速达到额定转速，为了减少开关损耗，设置每组电压矢量左右对称；S10)、根据与计算得到下一时刻k+1的定子磁链分量的预测值ψ_sα(k+1)和ψ_sβ(k+1)，其中，由于定子电阻R_s的阻值很小，可以忽略，计算公式如下：其中，k_αi＝u_αi、k_βi＝u_βi、k_αj＝u_αj、k_βj＝u_βj为不同非零电压矢量(u_i、u_j)在αβ轴下作用的磁链斜率，t₁和t₂为相对应非零电压矢量(u_i、u_j)作用的时间长，其中，t₁和t₂的计算式为：其中，Δψ_sα(k)＝ψ_sα(k+1)‑ψ_sα(k)＝ψ_sα^*(k)‑ψ_sα(k)；Δψ_sβ(k)＝ψ_sβ(k+1)‑ψ_sβ(k)＝ψ_sβ^*(k)‑ψ_sβ(k)；另外，零电压矢量u₀或u₇作用的时间为t₀＝T_s‑t₁‑t₂，其中，T_s为控制周期；S11)、由于转矩含有电流和磁链乘积，从而下一时刻k+1的电流预测值的计算公式如下：由于可将电流预测值中含电压部分替换，得到：则可得下一时刻k+1的转矩的预测值T_e(k+1)为：其中，由于i_sα0、i_sβ0均为k时刻的值，故无需预测下一时刻k+1的电流值，其中，T_s为控制周期；S12)、通过在价值函数g中加入开关次数f，从而区别零电压矢量u₀与u₇，并且依次将步骤S10)和S11)中在12组不同电压矢量集作用下的定子磁链分量的预测值ψ_sα(k+1)和ψ_sβ(k+1)与转矩的预测值T_e(k+1)输入到价值函数g中，分别计算得到12个不同的价值函数g值，计算公式如下：g＝|T_e(k+1)‑T_e^*(k)|+λ|ψ_s(k+1)‑ψ_s^*(k)|+f，其中，λ为加权系数，f为开关次数；S13)、选取步骤S12)中最小的价值函数g_min值所对应的电压矢量集，以及相对应的电压矢量作用的时间，得到三个不同脉冲信号作用于逆变器，从而控制三个上下管的开通，实现逆变器的控制。