[发明专利]基于可变控制集的永磁同步电机直接预测占空比控制方法

摘要

本发明公开了一种基于可变控制集的永磁同步电机直接预测占空比控制方法：计算上一控制时刻定子电压矢量，计算采用新矢量合成机制；采集电机定子三相电流值，估计当前控制时刻电机定子磁链幅值和电磁转矩值；采集当前控制时刻电机的转速值和转子电角度；计算三相基本电压矢量对磁链幅值和电磁转矩值作用强度；建立三相占空比鲁棒预测模型；将三相基本电压矢量对电磁转矩值和磁链幅值控制器强度划分强、中和弱三级；分别建立转矩可变控制集和磁链可变控制集；选出11组基础占空比组合；确定最优基础占空比组合；确定最优三相占空比。本发明既保持现有技术优良转矩动态控制性能，又在无需调制器辅助的情况下输出五段式和七段式电压矢量控制电机。

主权项

1.一种基于可变控制集的永磁同步电机直接预测占空比控制方法，其特征在于，包括以下步骤：第1步：计算上一控制时刻的定子电压矢量，计算过程采用新的矢量合成机制，如下式所示式中，Vdc表示2L‑VSI直流母线电压值；dA、dB、dC分别表示逆变器的三相占空比，物理意义为三相基本电压矢量VA、VB和VC的作用时间，亦即逆变器三相上桥臂开通时间与控制周期Ts的比值，称之为三相占空比；三相基本电压矢量VA、VB和VC分别指2L‑VSI在A、B、C三相轴向方向的基本电压矢量；第2步：采集电机定子三相电流值，估计当前控制时刻电机定子磁链幅值和电磁转矩值；第3步：利用位置编码器采集当前控制时刻电机的转速值和转子电角度θe；第4步：根据下式计算2L‑VSI三相基本电压矢量VA、VB和VC对磁链幅值和电磁转矩值的作用强度式中，θs表示定子磁链矢量与A轴的夹角；pτ,A、pτ,B和pτ,C分别表示三相基本电压矢量VA、VB和VC对电磁转矩的控制强度；pλ,A、pλ,B和pλ,C分别表示三相基本电压矢量VA、VB和VC对磁链幅值的控制强度；Kτ＝pψrVdc/Ls，Kλ＝2Vdc/3，其中ψr表示转子永磁体磁链幅值，p表示电机极对数，Ls分别表示定子绕组的电感；第5步：建立三相占空比鲁棒预测模型，如下式所示ψs(k+1)＝ψs(k)+dA(k)pλ,A(θe)Ts+dB(k)pλ,B(θe)Ts+dC(k)pλ,C(θe)TsTe(k+1)＝Te(k)+dA(k)pτ,A(θe)Ts+dB(k)pτ,B(θe)Ts+dC(k)pτ,C(θe)Ts+Eτ(k)式中，ψs(k)、Te(k)、ψs(k+1)和Te(k+1)分别表示第kTs和(k+1)Ts时刻的定子磁链幅值和电磁转矩；z表示z变换算子；Teref表示转矩参考值，Te(k‑1)表示第(k‑1)Ts时刻的转矩值，两者之差即为第(k‑1)Ts时刻由参数失配或外部慢变扰动引入的转矩预测偏差；将这一偏差值输入至一个简单的PI调节器，该调节器的比例、积分增益分别表示为Kpe、Kie，然后将调节器的输出Eτ(k)补偿至第kTs时刻的转矩预测模型；第6步：将2L‑VSI三相基本电压矢量VA、VB和VC对电磁转矩值和磁链幅值的控制器强度划分为强(Max)、中(Mid)和弱(Min)三级；第7步：分别建立转矩可变控制集和磁链可变控制集(7a)依照第6步的划分结果，结合三相占空比鲁棒预测模型，以磁链参考值ψsref和转矩参考值Teref为控制目标，分别构造转矩线性目标函数fτ()和磁链线性目标函数fλ()式中，d1(k)＝dMax(k)–dMin(k)，d2(k)＝dMid(k)–dMin(k)，dMax(k)、dMid(k)和dMin(k)分别表示控制效果为Max、Mid和Min的三相基本矢量在第kTs控制时刻对应占空比，Ts表示控制器离散周期；pτ,Max、pτ,Mid和pτ,Min分别表示依照电磁转矩值控制器强度划分结果确定的VA、VB和VC对电磁转矩的强、中和弱控制强度；pλ,Max、pλ,Mid和pλ,Min分别表示依照磁链幅值控制器强度划分结果确定的VA、VB和VC对磁链幅值的强、中和弱控制强度；(7b)将三相占空比作离散化处理，为兼顾控制精度和运算复杂度，令每相占空比等分为10份；借助转矩线性目标函数fτ()和磁链线性目标函数fλ()，分别形成转矩可变控制集和磁链可变控制集第8步：从第7步中建立的可变控制集中选出11组基础占空比组合(8a)建立磁链幅值滞环控制器，用以判断决定是从磁链可变控制集还是从转矩可变控制集中选择基础占空比组合以及执行后续寻优过程，其表达式为：式中，δ用以决定磁链滞环控制器的环宽，通常δ的取值范围为0.01～0.05；ψs(k)表示第kTs时刻的定子磁链幅值；(8b)依照第(8a)步的选择，若确定为磁链可变控制集，选取出满足fλ＝0的11组基础占空比组合；基础占空比确定过程表示为：iteration k＝0:0.1:1d1＝k；d2＝limiter(d2)；end式中，round(■)函数表示就近取整函数，用以保证d2的取值为0～1之间的10等分占空比；limiter(■)函数表示限幅函数，用以保证d2的取值处于0～1之间，即0≤d2≤1；(8c)依照第(8a)步的选择，若确定为转矩可变控制集，选取出满足fτ＝0的11组基础占空比组合；基础占空比确定过程表示为：iteration k＝0:0.1:1d1＝k；d2＝limiter(d2)；end第9步：从第8步选出的11组基础占空比组合中确定最优基础占空比组合{d1,opt，d2,opt}；(9a)定义如下优化问题：s.t.Tep(k+1)＝Te(k)+d1(k)pτ,Max(θe)Ts+d2(k)pτ,Mid(θe)Ts+Eτ(k)d1,d2∈11组基本占空比组合(第8步)式中，TN表示电机的额定转矩；λψ表示权重系数，用于调节磁链跟踪在控制中的重要程度；(9b)利用穷举寻优方法求解第(9a)步中的优化问题，得出最优基础占空比组合{d1,opt，d2,opt}；第10步：在最优基础占空比组合{d1,opt，d2,opt}的基础上，依照可变控制集的定义，加入微调占空比dMin，确定最优三相占空比{dMax,opt,dMid,opt,dMin,opt}(10a)定义如下优化问题：s.t.Tep(k+1)＝Te(k)+dMax(k)pτ,Max(θe)Ts+dMid(k)pτ,Mid(θe)Ts+dMin(k)pτ,Min(θe)Ts+Eτ(k){dMax,dMid,dMin}∈VCS(10b)采用穷举寻优的方式来求解第(10a)步中的优化问题，得出最优三相占空比组合{dMax,opt,dMid,opt,dMin,opt}。