CN107017810B - 永磁同步电机无权值模型预测转矩控制系统及方法 - Google Patents

永磁同步电机无权值模型预测转矩控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机无权值模型预测转矩控制系统及方法，通过转速控制器获得转矩参考值，根据最大转矩电流比原则与磁链方程计算定子磁链幅值参考值，同时利用转矩控制器获得负载角增量；通过计算得到的定子磁链角和检测得到的转子位置角获得当前时刻的负载角，结合负载角增量与当前时刻负载角得到(k+1)时刻的负载角参考值，进而基于负载角参考值和定子磁链幅值参考值得到(k+1)时刻的定子磁链参考值；利用定子磁链参考值和定子磁链预测值建立价值函数；通过优化价值函数获得最优电压矢量输送给永磁同步电机。本发明中考虑了永磁同步电机凸极效应，还可以与其他优化控制策略结合，在恒转矩区和恒功率区均能适用。

Description

永磁同步电机无权值模型预测转矩控制系统及方法
技术领域
本发明涉及一种永磁同步电机无权值模型预测转矩控制系统及方法，属于电机驱动及控制领域。
背景技术
有限控制集模型预测控制能够根据被控对象的约束和离散特性在线解决优化问题，其结构简单且容易实现，近年来在电力电子和电机驱动领域被广泛应用。其中模型预测转矩控制作为有限控制集模型预测控制中的一种控制形式，在电机控制领域受到深入研究。模型预测转矩控制从直接转矩控制发展而来，其以转矩和定子磁链幅值为控制目标，通过优化控制目标的价值函数来选择最优开关状态。与直接转矩控制相比，模型预测转矩控制具有开关频率低、动态响应快、能处理电机非线性约束等优点。
然而，转矩和定子磁链幅值的量纲不同，在构建价值函数时需要利用权值对二者进行连接。目前权值的选择仍缺乏统一的理论指导，国内外学者针对权值选择的研究主要可以分为两大类，一是权值选择优化，二是权值消除。权值选择优化是通过设计合理有效的方法指导权值选择，而权值消除基本思想是将统一控制变量量纲以避免权值选择。与权值选择优化相比，消除权值可避免权值对电机性能的影响，因而更受研究人员青睐。
中国发明专利《一种永磁同步电机准无差拍模型预测磁链控制方法》(专利号为CN201610188463.4，公开日期为2016.07.13)公开了一种准无差拍模型预测磁链控制方法。该方法通过分析转矩和定子磁链幅值的关系，通过数学推导将控制变量统一为定子磁链矢量，有效消除了权值。然而该方法未能考虑永磁同步电机的凸极效应，也未考虑电机在恒功率区运行工况。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提供了一种能适用于所有永磁同步电机的无权值模型预测转矩控制系统及方法，且该方法在恒转矩区和恒功率区均能适用。
本发明采用的技术方案为：一种永磁同步电机无权值模型预测转矩控制系统，包括转速PI控制器、转矩PI控制器、电流参考计算模块、定子磁链参考计算模块、优化模块、逆变器、永磁同步电机、转矩估计模块、负载角计算模块、定子磁链预测模块、编码器和电流传感器。
转速参考值和经编码器得到的实际转速做差，差值输入转速PI控制器；转速PI控制器输出的转矩参考值与转矩估计模块得到的转矩估计值做差，差值输入到转矩PI控制器，同时转速PI控制器得到的转矩参考值输入电流参考计算模块；转矩PI控制器输出的负载角增量与负载角计算模块输出当前时刻负载角相加，相加的和输入到定子磁链参考计算模块；定子磁链参考计算模块和定子磁链预测模块分别输出定子磁链参考值和定子磁链预测值到优化模块；优化模块输出最优开关状态给逆变器；逆变器输出最优电压矢量给永磁同步电机；电流传感器采集到的两相电流经过PARK变换后得到交直轴电流，交直轴电流输入转矩估计模块进行转矩估计；交直轴电流和编码器得到的转子位置角输入负载角计算模块和定子磁链预测模块，分别进行负载角计算和定子磁链预测。
一种采用上述系统的永磁同步电机无权值模型预测转矩控制方法，包括以下步骤：
步骤一：首先，通过转速控制器获得转矩参考值，根据最大转矩电流比原则与磁链方程计算定子磁链幅值参考值，同时利用转矩控制器获得负载角增量；
计算转矩参考值Tem *：检测电机实际转速n，将速度参考n*与实际转速n的差值en输入PI控制器，根据公式(1)获得转矩参考值Tem *；
Figure BDA0001277576010000021
其中，KP1和KI1分别为转速PI控制器的比例增益和积分增益；
计算负载角增量Δδsf：采集两相电流和实时转子位置，然后进行PARK变换得到dq轴电流id/iq，根据公式(2)得到转矩估计Tem；将转矩参考值Tem *与转矩估计模块的输出Tem的差值eT输入PI控制器，根据公式(3)获得负载角增量Δδsf；
Figure BDA0001277576010000022
Figure BDA0001277576010000023
其中，Pr为极对数，
Figure BDA0001277576010000024
为永磁体磁链幅值，Ld和Lq分别为直轴和交轴电感，KP2和KI2分别为转矩PI控制器的比例增益和积分增益；
计算电流参考值：基于最大转矩电流比控制原理，根据公式(4)对
Figure BDA0001277576010000025
求极值，计算最优匹配电流角β。根据公式(5)获得直轴电流参考值id *，再根据公式
Figure BDA0001277576010000026
计算得到交轴电流参考值iq *。
Figure BDA0001277576010000027
Figure BDA0001277576010000031
其中，
Figure BDA0001277576010000032
为定子电流矢量幅值。
计算定子磁链幅值参考值：将电流参考id *和iq *输入参考定子磁链参考计算模块，根据公式(6)计算(k+1)时刻的定子磁链幅值参考值；
Figure BDA0001277576010000033
步骤二：然后，通过计算得到的定子磁链角和检测得到的转子位置角获得当前时刻的负载角，结合负载角增量与当前时刻负载角得到(k+1)时刻的负载角参考值，进而基于负载角参考值和定子磁链幅值参考值得到(k+1)时刻的定子磁链参考值；利用定子磁链参考值和定子磁链预测值建立价值函数；
计算当前时刻负载角：两相电流和转子位置角经过PARK变换获得的id/iq根据公式(7)得到当前定子磁链矢量的dq轴分量ψsd/ψsq，再通过反PARK变换得到ψsα/ψsβ，利用公式(8)计算当前定子磁链角θs，定子磁链角θs减去转子位置角θr即可得到负载角δsf
Figure BDA0001277576010000034
Figure BDA0001277576010000035
计算(k+1)时刻定子磁链参考值：根据公式
Figure BDA0001277576010000036
得到(k+1)时刻的负载角参考值
Figure BDA0001277576010000037
再通过(k+1)时刻的定子磁链幅值参考
Figure BDA0001277576010000038
和负载角参考值
Figure BDA0001277576010000039
根据公式(9)得到定子磁链参考值ψsd */ψsq *。
Figure BDA00012775760100000310
计算(k+1)刻定子磁链预测值ψsd(k+1)和ψsq(k+1)：经过PARK变换得到的dq轴电流id/iq和转子位置角输入定子磁链预测模块，根据公式(10)获得(k+1)时刻的预测电流模型，然后根据公式(11)获得(k+1)刻定子磁链预测值ψsd(k+1)和ψsq(k+1)；
Figure BDA0001277576010000041
Figure BDA0001277576010000042
其中，Ts表示采样时间，Rs为定子电阻，ωr为转子角速度，ud/uq为基本电压矢量dq轴分量。
建立价值函数：将(k+1)时刻参考定子磁链dq轴分量ψsd */ψsq *和(k+1)刻定子磁链预测值ψsd(k+1)/ψsq(k+1)输入优化模块，根据公式(12)计算价值函数gi。
Figure BDA0001277576010000043
步骤三：最后，通过优化价值函数获得最优电压矢量输送给永磁同步电机。
在价值函数gi中依次代入表1中的基本电压矢量
Figure BDA0001277576010000044
当价值函数gi取最小值时，其对应的基本电压矢量确定为最优电压矢量
Figure BDA0001277576010000045
根据开关状态与基本电压矢量关系获得最优开关状态Sabc，其中，i＝{1,…,8}。
表1基本电压矢量表
Figure BDA0001277576010000046
工作原理：通过引入转矩反馈，将转矩增量转化为负载角增量，进而将控制目标统一为定子磁链。首先，通过转速控制器获得转矩参考值，根据最大转矩电流比原则与磁链方程计算定子磁链幅值参考值，同时利用转矩控制器获得负载角增量；然后，通过计算得到的定子磁链角和检测得到的转子位置角获得当前时刻的负载角，结合负载角增量与当前时刻负载角得到(k+1)时刻的负载角参考值，进而基于负载角参考值和定子磁链幅值参考值得到(k+1)时刻的定子磁链参考值；利用定子磁链参考值和定子磁链预测值建立价值函数；最后，通过优化价值函数获得最优电压矢量输送给永磁同步电机。
有益效果：本发明以永磁同步电机定子磁链为控制目标，消除了传统模型预测转矩控制中的权值，可用于各种类型的永磁同步电机，且可以与最大转矩电流比控制、弱磁控制等策略有效结合，适用于电机转矩区和恒功率区。
附图说明
图1是本发明提供的永磁同步电机无权值模型预测转矩控制系统示意图；
图2是本发明提供的永磁同步电机无权值模型预测转矩控制方法流程图；
图3是本发明提供的永磁同步电机无权值模型预测转矩控制方法的矢量图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
如图1所示，一种永磁同步电机无权值模型预测转矩控制系统，包括转速PI控制器1、转矩PI控制器2、电流参考计算模块3、定子磁链参考计算模块4、优化模块5、逆变器6、永磁同步电机7、转矩估计模块8、负载角计算模块9、定子磁链预测模块10、编码器11和电流传感器12。
转速参考值和经编码器11得到的实际转速做差，差值输入转速PI控制器1；转速PI控制器1输出的转矩参考值与转矩估计模块8得到的转矩估计值做差，差值输入到转矩PI控制器2，同时转速PI控制器1得到的转矩参考值输入电流参考计算模块3；转矩PI控制器2输出的负载角增量与负载角计算模块9输出当前时刻负载角相加，相加的和输入到定子磁链参考计算模块4；定子磁链参考计算模块4和定子磁链预测模块10分别输出定子磁链参考值和定子磁链预测值到优化模块5；优化模块5输出最优开关状态给逆变器6；逆变器6输出最优电压矢量给永磁同步电机7；电流传感器12采集到的两相电流经过PARK变换后得到交直轴电流，交直轴电流输入转矩估计模块8进行转矩估计；交直轴电流和编码器11得到的转子位置角输入负载角计算模块9和定子磁链预测模块10，分别进行负载角计算和定子磁链预测。
如图2和图3所示的是一种永磁同步电机无权值模型预测转矩控制方法，包括以下步骤：
(1)计算转矩参考值：检测电机实际转速n，并将速度参考n*与实际转速n的差值en输入PI控制器，根据公式(1)获得转矩参考值Tem *；
Figure BDA0001277576010000061
其中KP1和KI1分别为PI控制器的比例增益和积分增益；
(2)计算负载角增量：采集定子电流并进行PARK变化，经过PARK变换获得的id/iq根据公式(2)获得转矩估计值Tem。将转矩参考值Tem *与转矩估计模块的输出Tem的差值eT输入PI控制器，根据公式(3)获得负载角增量Δδsf；
Figure BDA0001277576010000062
Figure BDA0001277576010000063
其中，Pr为极对数，
Figure BDA0001277576010000064
为永磁体磁链幅值，Ld和Lq分别为直轴和交轴电感，KP2和KI2分别为PI控制器的比例增益和积分增益；
(3)计算电流参考值：根据公式(4)对
Figure BDA0001277576010000065
求极值，计算最优匹配电流角β。根据公式(5)获得直轴电流参考值id *，再根据公式
Figure BDA0001277576010000066
计算得到交轴电流参考值iq *；
Figure BDA0001277576010000067
Figure BDA0001277576010000068
(4)计算定子磁链幅值参考值：将电流参考id *和iq *输入参考定子磁链参考计算模块，根据公式(6)计算(k+1)时刻的定子磁链矢量幅值参考；
Figure BDA0001277576010000069
(5)计算当前时刻负载角：经过PARK变换获得的id/iq根据公式(7)计算当前定子磁链的dq轴分量ψsd/ψsq，ψsd/ψsq通过反PARK变换得到ψsα/ψsβ，利用以下公式(8)计算当前定子磁链角θs，根据公式δsf＝θs-θr得到负载角δsf，其中θr为转子位置角。
Figure BDA00012775760100000610
Figure BDA0001277576010000071
(6)计算(k+1)时刻定子磁链参考值：根据公式
Figure BDA0001277576010000072
得到(k+1)时刻的负载角参考值
Figure BDA0001277576010000073
再通过(k+1)时刻的定子磁链幅值参考值
Figure BDA0001277576010000074
和负载角参考值
Figure BDA0001277576010000075
根据公式(9)得到定子磁链参考ψsd */ψsq *。
Figure BDA0001277576010000076
(7)预测(k+1)时刻定子磁链：经过PARK变换得到的dq轴电流id/iq和转子位置角输入定子磁链预测模块，根据公式(10)获得(k+1)时刻的预测电流模型，然后根据公式(11)获得(k+1)刻定子磁链预测值ψsd(k+1)和ψsq(k+1)；其中Ts表示采样时间。
Figure BDA0001277576010000077
Figure BDA0001277576010000078
其中Ts表示采样时间，Rs为定子电阻，ωr为转子角速度，ud/uq为基本电压矢量dq轴分量。
(8)设计价值函数：将(k+1)时刻定子磁链dq轴分量参考值ψsd */ψsq *和(k+1)刻定子磁链预测值ψsd(k+1)/ψsq(k+1)输入优化模块，根据公式(12)计算价值函数gi，依次代入基本电压矢量
Figure BDA0001277576010000079
当价值函数gi取最小值时，其对应的基本电压矢量确定为最优电压矢量
Figure BDA00012775760100000710
根据开关状态与基本电压矢量关系获得最优开关状态其中，i＝{1,…,8}。
Figure BDA00012775760100000711
以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种永磁同步电机无权值模型预测转矩控制系统的控制方法，其特征在于：
所述永磁同步电机无权值模型预测转矩控制系统包括转速PI控制器、转矩PI控制器、电流参考计算模块、定子磁链参考计算模块、优化模块、逆变器、永磁同步电机、转矩估计模块、负载角计算模块、定子磁链预测模块、编码器和电流传感器；
转速参考值和经编码器得到的实际转速做差，差值输入转速PI控制器；转速PI控制器输出的转矩参考值与转矩估计模块得到的转矩估计值做差，差值输入到转矩PI控制器，同时转速PI控制器得到的转矩参考值输入电流参考值计算模块；转矩PI控制器输出的负载角增量与负载角计算模块输出当前时刻负载角相加，相加的和输入到定子磁链参考计算模块；定子磁链参考计算模块和定子磁链预测模块分别输出定子磁链参考值和定子磁链预测值到优化模块；优化模块输出最优开关状态给逆变器；逆变器输出最优电压矢量给永磁同步电机；电流传感器采集到的两相电流经过PARK变换后得到交直轴电流，交直轴电流输入转矩估计模块进行转矩估计；交直轴电流和编码器得到的转子位置角输入负载角计算模块和定子磁链预测模块，分别进行负载角计算和定子磁链预测；
所述永磁同步电机无权值模型预测转矩控制系统的控制方法包括以下步骤：
步骤一：首先，通过转速控制器获得转矩参考值，根据最大转矩电流比原则与磁链方程计算定子磁链幅值参考值，同时利用转矩控制器获得负载角增量；
步骤二：然后，通过计算得到的定子磁链角和检测得到的转子位置角获得当前时刻的负载角，结合负载角增量与当前时刻负载角得到(k+1)时刻的负载角参考值，进而基于负载角参考值和定子磁链幅值参考值得到(k+1)时刻的定子磁链参考值；利用定子磁链参考值和定子磁链预测值建立价值函数；
步骤三：最后，通过优化价值函数获得最优电压矢量输送给永磁同步电机；
所述步骤一中：
计算转矩参考值Tem *：检测电机实际转速n，将转速参考值n*与实际转速n的差值en输入PI控制器，根据公式(1)获得转矩参考值Tem *；
Figure FDA0004055287390000011
其中，KP1和KI1分别为转速PI控制器的比例增益和积分增益；
计算负载角增量Δδsf：采集两相电流和实时转子位置，然后进行PARK变换得到dq轴电流id/iq，根据公式(2)得到转矩估计Tem；将转矩参考值Tem *与转矩估计模块的输出Tem的差值eT输入PI控制器，根据公式(3)获得负载角增量Δδsf；
Figure FDA0004055287390000021
Figure FDA0004055287390000022
其中，Pr为极对数，
Figure FDA0004055287390000023
为永磁体磁链幅值，Ld和Lq分别为直轴和交轴电感，KP2和KI2分别为转矩PI控制器的比例增益和积分增益；
计算电流参考值：基于最大转矩电流比控制原理，根据公式(4)对
Figure FDA0004055287390000024
求极值，计算最优匹配电流角β；根据公式(5)获得直轴电流参考值id *，再根据公式
Figure FDA0004055287390000025
计算得到交轴电流参考值iq *；
Figure FDA0004055287390000026
Figure FDA0004055287390000027
其中，
Figure FDA0004055287390000028
为定子电流矢量幅值；
计算定子磁链幅值参考值：将电流参考id *和iq *输入定子磁链参考计算模块，根据公式(6)计算(k+1)时刻的定子磁链幅值参考值；
Figure FDA0004055287390000029
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机无权值模型预测转矩控制系统的控制方法，其特征在于：所述步骤二中：
计算当前时刻负载角：两相电流和转子位置角经过PARK变换获得的id/iq根据公式(7)得到当前定子磁链的dq轴分量ψsd/ψsq，再通过反PARK变换得到ψsα/ψsβ，利用公式(8)计算当前定子磁链角θs，定子磁链角θs减去转子位置角θr即可得到负载角δsf
Figure FDA00040552873900000210
Figure FDA0004055287390000031
计算(k+1)时刻定子磁链参考值：根据公式
Figure FDA0004055287390000032
得到(k+1)时刻的负载角参考值δsf *，再通过(k+1)时刻的定子磁链幅值参考
Figure FDA0004055287390000033
和负载角参考值δsf *，根据公式(9)得到定子磁链参考ψsd */ψsq *；
Figure FDA0004055287390000034
计算(k+1)刻定子磁链预测值ψsd(k+1)和ψsq(k+1)：经过PARK变换得到的dq轴电流id/iq和转子位置角输入定子磁链预测模块，根据公式(10)获得(k+1)时刻的预测电流模型，然后根据公式(11)获得(k+1)刻定子磁链预测值ψsd(k+1)和ψsq(k+1)；
Figure FDA0004055287390000035
Figure FDA0004055287390000036
其中，Ts表示采样时间，Rs为定子电阻，ωr为转子角速度，ud/uq为基本电压矢量dq轴分量；
建立价值函数：将(k+1)时刻定子磁链参考dq轴分量ψsd */ψsq *和(k+1)刻定子磁链预测值ψsd(k+1)/ψsq(k+1)输入优化模块，根据公式(12)计算价值函数gi；
Figure FDA0004055287390000037
3.根据权利要求2所述的永磁同步电机无权值模型预测转矩控制系统的控制方法，其特征在于：所述步骤三中：
在价值函数gi中依次代入表1中的基本电压矢量
Figure FDA0004055287390000038
当价值函数gi取最小值时，其对应的基本电压矢量确定为最优电压矢量
Figure FDA0004055287390000039
根据开关状态与基本电压矢量关系获得最优开关状态Sabc，其中，i＝{1,…,8}；
表1基本电压矢量表
Figure FDA0004055287390000041
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