CN107104617B - 一种基于永磁同步电机转矩预测控制方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种基于永磁同步电机转矩预测控制方法

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机技术领域，尤其是一种基于永磁同步电机转矩预测控制方法。

背景技术

现有电机主要分为两类：直流电机和交流电机，根据结构和工作原理的不同，交流电机可以分为交流异步电机和同步电机，随着永磁材料性能的提高和价格的下降，永磁同步电机应用越来越广泛，并且由于永磁同步电机具有以高功率因素、高效率、低能耗、结构简单、体积小、较硬的机械特性、较快的动态响应速度、控制方法简单、运行可靠等优点，所以永磁同步电机使用范围广泛；

现有永磁同步电机的控制方法中矢量控制和直接转矩控制较为成熟，但是直接转矩控制是基于对磁链和转矩的滞环控制，根据滞环比较结果采用查表的方法选择基本电压矢量，这会使转矩和磁链产生较大脉动；

矢量控制转矩响应较慢，含有复杂的坐标变换，控制结构复杂等问题，随着数字信号处理器等控制芯片计算能力的大幅提高，现有的转矩预测控制显然不能满足需求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于永磁同步电机转矩预测控制方法。

本发明的技术方案为：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_f ²))+ωt，

其中，ω为转速，arctan(L_sT_e ^*/(1.5Pψ_f ²))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pack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；

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；

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。

本发明的有益效果为：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，大大简化了计算工作，另外，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，

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为本发明的框架结构图；

图3为本发明中8个电压矢量和驱动信号之间的关系示意图；

图4为本发明中12组不同的电压矢量及其相应电压矢量作用时间的脉冲示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

如图1和图2所示，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_f ²))+ωt，

其中，ω为转速，arctan(L_sT_e ^*/(1.5Pψ_f ²))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pack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，具体如图3所示，其中，u₀(000)表示电压矢量u₀的对应的驱动信号为(000)，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；

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；

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，其中，12组不同电压矢量集作用时间和相应的电压矢量集形成的脉冲信号如图4所示，为使驱动信号左右对称，调整作用时间的先后顺序。

上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理和最佳实施例，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (1)

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_f ²))+ωt，

其中，ω为转速，arctan(L_sT_e ^*/(1.5Pψ_f ²))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。