CN107645256A

CN107645256A - 基于转矩预测控制的永磁同步电机弱磁控制系统及其方法

Info

Publication number: CN107645256A
Application number: CN201710579830.8A
Authority: CN
Inventors: 谭国俊; 方磊; 李�浩; 殷实; 徐海奇; 曹晓冬; 何凤有; 张晓�
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2017-07-17
Filing date: 2017-07-17
Publication date: 2018-01-30

Abstract

本发明公开了基于转矩预测控制的永磁同步电机弱磁控制系统及其方法，控制系统在计算电机的最佳工作点时采用预测滚动优化方法；控制系统根据电机的转速差值计算出电机实时转矩，后通过计算此刻工况下的电流、电流角、以及转速，预测下一拍所有开关状态所对应的转矩预测值，根据预测结果输出最优开关信号。相比于传统的矢量弱磁控制，在转折速度以下该方法可以获得更大的输出转矩，同时电机的启动速度更快，动态响应速度更快；当电机状态进入弱磁控制区域，转矩开始下降输出功率逐渐稳定于设定恒定值，比传统方法具有更宽的恒功率运行范围。

Description

基于转矩预测控制的永磁同步电机弱磁控制系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机弱磁控制系统及其方法，具体涉及一种基于转矩预测控制的永磁同步电机弱磁控制系统及其方法，属于电力传动及其控制技术领域。

背景技术

与传统的内燃机牵引汽车相比，将内埋式永磁同步电机应用于电动汽车不仅拓宽了恒功率速度范围(Constant Power Speed Range，CPSR)，还减小了整车驱动系统的大小。内埋式永磁同步电机驱动的电动汽车在基速以下恒转矩运行时，为提高电机运行效率和降低系统损耗，通常采用最大转矩电流比(Maximum Torque per Ampere，MTPA)控制方法，最大限度地提高单位定子电流的转矩输出能力，以满足汽车对启动、加速、负荷爬坡和频繁启停等复杂工况动力性的需求。同时在汽车以恒定负荷稳定运行时，所需定子电流和由此产生的电机铜耗均最小，提高了驱动系统的运行效率。当电机运行于基速以上恒功率区时，由于受到逆变器输出最大电压和最大电流的限制，需采用弱磁(Flux Weakening，FW)控制策略，以拓宽电机恒功率运行时的电机速度范围，从而提高汽车最大巡航速度，满足超车等要求。

永磁同步电机驱动电动汽车在高速运行时需采用弱磁控制，但永磁同步电机以永磁体励磁，无法像电励磁同步电机那样通过控制励磁电流大小来调节气隙磁场，因而也就约束了永磁同步电机高速控制能力和运行性能。

文献(Pan C T,Sue S M.“A linear maximum torque per ampere control forIPMSM drives over full-speed range”.IEEE Transactions on Energy Conversion,2005,20(2):359-366.)给出了一种适用于多IPMSM驱动系统的全速域线性转矩控制策略，其分析认为在恒转矩和完全恒功率区域之间，在负载较轻时MTPA控制仍然有效。由于简化了控制器设计，线性MTPA控制可以获得快速的动态响应，同时可实现全速度范围内定子铜耗最小。上述方法恒转矩区MTPA控制器和恒功率区弱磁控制器的设计均按照电机模型计算得到，控制算法结构清晰，易于规划设计。但参数的准确程度直接决定控制性能的优劣，而多约束限制的弱磁控制对参数的扰动过于敏感，因此公式计算法弱磁控制几乎没有实用价值。

基于矢量的弱磁控制方法，由于其电压外环可产生一个d轴负向电流来补偿随转速不断增大的反电动势引起的定子电压饱和，因此也称为负i_d补偿法。该方法简单可靠，不依赖于电机参数，但稳定性随转速上升而逐渐下降，且控制系统的多环级联结构限制了速度环和电流环的带宽，调制策略的应用也约束了系统的动态性能。

为了提高IPMSM弱磁控制过程的动态响应速度和控制系统的稳定性，已有的很多成果给出基于电流和电压限制下的直接转矩控制弱磁运行方案，通过分析不同转速对应的最大转矩角约束限制并调整弱磁工作条件，确保控制系统的稳定运行。这类方法充分利用了直接转矩控制的高动态性能，但稳态精度不是很高。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种基于转矩预测控制的永磁同步电机弱磁控制系统及其方法，本方法易于数字化实现，可以完全移植到传统控制结构中，并且解决了弱磁控制中动稳态性能的平衡稳定，电机运行平滑稳定，最大转矩输出明显提高。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明的基于转矩预测控制的永磁同步电机弱磁控制系统，控制系统在计算电机的最佳工作点时采用预测滚动优化方法；控制系统根据电机的转速差值计算出电机实时转矩，后通过计算此刻工况下的电流、电流角、以及转速，预测下一拍所有开关状态所对应的转矩预测值，根据预测结果输出最优开关信号；

其中，下一周期的转矩预测值通过计算获取，系统滚动优化中采用价值函数为g(min)＝k_T·g_T+k_c·g_c+k_L·g_L，此外，价值函数用于保证系统的收敛性和稳定性。

以上各式中，上标k表示当前时刻，则k+1表示下一采样时刻的值；T_e表示电磁转矩；P为电机极对数；ψ_f为永磁磁链；i_d、i_q分别为d、q轴电流分量；L_d、L_q分别为d、q轴电感；g_T为转矩误差；g_c与g_L是与转速相关的价值函数；k_T，k_c，k_L是各自对应的权值系数。

g(min)是确保整个系统的最优，而g_MTPA或者g_FW是保证运行在MTPA范围或者弱磁范围。

本发明的基于转矩预测控制的永磁同步电机弱磁控制方法，包括以下几个步骤：

(1)首先测量电流、电机转速和转子位置信息；

(2)对电流和转矩进行预测；

(3)判断转速运行范围，并根据其大小选择不同的价值函数：

当电机工作在弱磁区域时，即ω>ω_r，ω为电机转速，ω_r为电机进入弱磁区域的转折速度，则选择的价值函数为：

g(min)＝k_T·g_T+k_c·g_c+k_L·g_L

g_c＝g_FW

g_Imax为MTPA限流函数，g_umax为弱磁区域约束限制函数，g_stab为弱磁区域稳定性约束函数；当电机工作在基速以下区域时，即ω<ω_r，则选择的价值函数为：

g(min)＝k_T·g_T+k_c·g_c+k_L·g_L

g_c＝g_MTPA

(4)最后进行滚动优化，输出最优开关状态：

结合以上的步骤(2)和步骤(3)可知，预测控制包括两部分：状态预测和价值函数的选择；逆变器共有八种状态，而以上步骤(2)中转矩和电流的预测以及步骤(3)中价值函数的选择，每次只能执行一种状态，所以需要执行滚动优化，将八种运行状态遍历之后，选择最后开关状态进行输出。

步骤(1)中，电流的测量是通过电路中所采用的电流传感器实现，电机转速和转子位置通过电机端所链接的位置传感器获取，或者采用无传感器计算法计算出电机实际所处的位置。

步骤(2)中，所述电流和转矩的预测方法如下：

当采用两电平逆变器时，总共有八种有效的开关状态；根据步骤(1)中所采集的三种电机运行信号，可以判断出电机此刻的工作状态；将此刻的电机工作状态设为初始状态，依次推演计算出逆变器八种不同的开关状态所对应的下一拍的各种可能的电机工作状态，从而实现对电流和转矩的预测。

步骤(3)中，当电机工作在弱磁区域时，首先需满足逆变器输出最大电压的限制，即有：

λ为电压约束安全系数，V_dc为直流侧电压；当电机高速运行时，为防止控制系统出现不稳定情况，需将状态工作点约束在最大转矩电压比MTPV运行曲线的右侧，则高速时的稳定性约束为

所以全速域运行控制系统滚动优化中采用价值函数为

g(min)＝k_T·g_T+k_c·g_c+k_L·g_L

上式中，k_c为与区域收敛函数g对应的权值系数，当ω<ω_r时，有g_c＝g_MTPA且当ω>ω_r时，有g_c＝g_FW且对于k_c的调节，在进入弱磁区域后要减小，以使弱磁轨迹沿电流圆进行；

当永磁电机的运行电流轨迹达到最大电流极限时，其运行轨迹将受到最大电压的限制，运行轨迹将沿着MTPV曲线进行移动；其定子电压限制为：

u_s为当前电压值，V_smax为逆变器的电压极限值；由式(1)知，电压约束为以(i_d,i_q)＝(-Ψ_f/L_d,0)为中心的椭圆，假设

将式(2)所示的坐标变换代入式(1)有

则d^vq^v坐标系下的电磁转矩表达式为

其中定子电流在d^vq^v坐标系下可分解为

θ为当前电流角，同MTPA一样，内埋式永磁同步电机沿MTPV轨迹应满足

由式(4-19)可求得内埋式永磁同步电机以最大转矩电压比运行时的条件为

将式(7)由d^vq^v坐标系下的表达式转换为dq坐标系下的表达式，可得

式(8)是内埋式永磁同步电机MTPV运行要满足的数学表达式；

然后对价值函数进行更新，并根据不同运行区域设定不同的控制目标和约束条件。

对价值函数进行更新，并根据不同运行区域设定不同的控制目标和约束条件，具体方法如下：

①转矩跟踪：该控制目标任务是减小其跟踪误差，由于在系统的动态过程转矩误差始终存在，因而该项为价值函数中动态过程首要目标；转矩误差函数为

上式中，电磁转矩给定由转速误差经PI控制器得到，k+1时刻的电磁转矩预测值由式(10)得到；

②区域收敛：在恒转矩运行阶段，设定式(11)为区域收敛控制标准，在弱磁工作区域，其收敛控制标准应该能使输出电磁转矩下降，电机状态工作点沿电流圆方向前进；在恒转矩弱磁区域，电流圆轨迹方向为弱磁区域正确的收敛控制标准；

由电机控制系统特性可知，在电机最大电流未超过逆变器极限的时刻，运行轨迹上的每一点为弱磁过程当前电机转速对应的电压限制椭圆与最大电流圆的交点，所以只要使每一个转速下的状态工作点向该点逼近，则电机实际运行轨迹将自然趋近电流圆方向；弱磁区域收敛标准定义如式(12)所示，其中，λ为电压约束安全系数；

③约束限制：恒转矩运行时，电机状态工作点受到定子电流最大值I_max和稳定性约束条件限制，当电机运行于弱磁区域时，满足逆变器输出最大电压的限制，即有

当电机高速运行时，将状态工作点约束在MTPV曲线右侧，则高速时的稳定性约束为

所以全速域运行控制系统性能指标函数为

g(min)＝k_T·g_T+k_c·g_c+k_L·g_L (15)

上式中，k_c为与区域收敛函数g对应的权值系数，当ω<ω_r时，有g_c＝g_MTPA且当ω>ω_r时，有g_c＝g_FW且对于k_c的调节，在进入弱磁区域后要减小，以使弱磁轨迹沿电流圆进行。

区域收敛时，不同的转速范围需要不同的区域收敛标准，采用如下两种方法判断当前时刻应该采用恒转矩区域收敛标准g_MTPA还是弱磁区域收敛标准g_FW；

方法一：当电机转速达到转折速度时，即ω_A＝ω_r，故当ω<ω_A时，区域收敛标准g_c＝g_MTPA；反之，g_c＝g_FW；

方法二：从电压限制椭圆与MTPA曲线相对位置判断，即电机状态工作点在MTPA轨迹左侧，且满足g_FW<g_MTPA时，g_c＝g_FW；反之，有g_c＝g_MTPA。

相比于传统的矢量弱磁控制，在转折速度以下该方法可以获得更大的输出转矩，同时电机的启动速度更快，动态响应速度更快；当电机状态进入弱磁控制区域，转矩开始下降输出功率逐渐稳定于设定恒定值，比传统方法具有更宽的恒功率运行范围。转矩预测控制方法在分析电机弱磁运行特点基础上，根据不同的速度区域和约束条件设计出对应的价值函数，相比于矢量控制系统，转矩预测控制有更好的电流解耦性和定子电流利用率，可以获得更加精准的控制效果；同时，转矩预测弱磁控制方法恒转矩运行幅值更大且更加平滑，可达到的最大功率也大于矢量调制算法。由于避免了级联多环结构的使用，模型预测方法可以获得更为精确的控制；相比而言，转矩预测控制算法更加适合于永磁同步电机的弱磁控制甚至全速域控制。

附图说明

图1是本发明所述电机控制系统结构图；

图2是全速模式下电机运行的电流轨迹和运行约束；

图3(a)恒转矩模式下的最优电流范围；

图3(b)恒转矩模式下电流与转矩的关系范围；

图4(a)恒功率模式下的最优电流范围；；

图4(b)恒功率模式下电流与转矩的关系范围；

图5(a)减功率模式下的最优电流范围；；

图5(b)减功率模式下电流与转矩的关系范围；

图6(a)为电机转折速度处状态工作点切换图；

图6(b)为图6(a)对应的转矩特性；

图7为电机弱磁控制系统的示意框图；

图8为本发明中预测控制算法的程序流程图；

图9(a)采用所提算法获得的电机全速域运行转速波形图；

图9(b)采用所提算法获得的电机全速域运行电流波形图；

图9(c)采用所提算法获得的电机全速域运行转矩波形图；

图9(d)采用所提算法获得的电机全速域运行功率波形图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

本发明主要包括主电路、电机本体、信号采集电路、核心控制板等部分内容，如图1所示。所述的主电路从电网直接接入工频交流电，经过不控整流或者可控整流系统获得直流电压输出，再输入到三相两电平全桥逆变器获得电机驱动电压。全桥逆变器采用IGBT等可控开关器件实现。

信号采集端涉及相关的电机转速传感器、电机输入端电流和电压传感器。所选用的传感器输出电压等级需符合控制板的A/D芯片的电压等级。

电机核心控制板包括DSP芯片、A/D转换芯片、CPLD脉冲输出芯片、FPGA等。各芯片分别实现对程序的编译、信号转换、脉冲输出、电路保护等功能。

所述预测控制算法通过C语言编程并烧录到DSP芯片中以实现对系统的控制，其控制思想描述如下：当电机运行于弱磁区域时，首先需满足逆变器输出最大电压的限制，即有：

当电机高速运行时，为防止控制系统出现不稳定情况，需将状态工作点约束在MTPV曲线右侧，则高速时的稳定性约束为

所以全速域运行控制系统性能指标函数为

g(min)＝k_T·g_T+k_c·g_c+k_L·g_L

上式中，k_c为与区域收敛函数g对应的权值系数，当ω<ω_r时，有g_c＝g_MTPA且当ω>ω_r时，有g_c＝g_FW且需要指出的是，对于k_c的调节，在进入弱磁区域后要适当减小，以使弱磁轨迹沿电流圆进行。图8为基于转矩预测方法的弱磁控制流程图，首先测量电流、转速和转子位置信息，对电流和转矩进行预测；接着判断转速运行范围，并根据其大小选择不同的价值函数；最后进行滚动优化，输出最优开关状态。

所述电机弱磁控制方法的施用不限于永磁同步电机，适用于所有内置永磁体的同步电机弱磁控制。

当永磁电机的运行电流轨迹达到最大电流极限时，其运行轨迹将受到最大电压的限制，因此运行轨迹将沿着最大转矩电压比(Maximum Torque per Voltage，MTPV)曲线进行移动。其定子电压限制为：

由式(1)知，电压约束为以(i_d,i_q)＝(-Ψ_f/L_d,0)为中心的椭圆，假设

将式(2)所示的坐标变换代入式(1)有

则d^vq^v坐标系下的电磁转矩表达式为

其中定子电流在d^vq^v坐标系下可分解为

同MTPA一样，内埋式永磁同步电机沿MTPV轨迹应满足

式(8)便是内埋式永磁同步电机MTPV运行要满足的数学表达式。

MTPV曲线是永磁同步电机高速时的稳定性约束界限，当超过MTPV限制后，定子电流的增大不再使转矩增加，反而导致其减小，最终因为转矩关系不平衡而使电机运行失步。

图2为电机全速域运行时理想状态下的电流轨迹和约束限制，图中A表示最大电流圆限制，B为MTPA运行时的稳定性限制，C为MTPA轨迹，D为MTPV轨迹，E*为恒转矩区运行电压限制椭圆，F*为恒功率运行I区电压限制椭圆，G*为恒功率运行II区电压限制椭圆，H*为减小功率运行区电压限制椭圆。对于F*，其区域特征为电压限制椭圆与MTPA曲线相交；对于G*，其区域特征为电压限制椭圆既不与MTPA曲线相交，也不与MTPV曲线相交；对于H*，其区域特征为电压限制椭圆与MTPV曲线相交，此时电机可输出的最大转矩并不产生于电流圆上，而是来自于MTPV轨迹。

在基速以下时，电流先于电压达到最大限值，电机按照MTPA轨迹运行以获得最大运行效率。为保证MTPA运行时的控制稳定性，在i_d<-Ψ_f/2(L_d-L_q)约束(图中曲线B)下，实际电机工作点将收敛于正确的MTPA轨迹(图中曲线C)。在高速运行阶段，电机工作于MTPV轨迹左侧时，电磁转矩不再随定子电流幅值的增大而增大，反而随之减小，系统逐渐失控。因此，MTPV曲线为电机高速段控制系统稳定性临界状态，电机沿MTPV轨迹(图中曲线D)运行时，随着转速的升高，输出功率不再保持恒定而逐渐下降，电机输出电磁转矩为该转速对应电压极限椭圆区域最大转矩。

恒转矩运行区：电机转速较低时，电压未达到最大限值，此时电压约束(图2中轨迹E*)不影响电机工作性能，则电机按MTPA规律运行可使效率最优，因此恒转矩区电机状态工作点受轨迹A、B、D、E*约束。

恒功率运行I区：随着转速的升高，电压限制椭圆向中心收缩，与MTPA曲线逐渐相交，电机状态由恒转矩输出转移至恒功率输出。在负载转矩较低时，电机状态沿MTPA轨迹变化保证电机的高效运行，而负载较大时只能沿电压限制椭圆变化才能获得最大输出转矩。前文已描述恒功率运行I区的区域特点，因而该区电机状态工作点约束范围为A、D、F*。

恒功率运行II区：随着转速的不断增大，电压限制椭圆与MTPA轨迹相交范围越来越小，最终不再相交，电机状态进入恒功率运行II区。恒功率运行II区有效的条件是电压限制椭圆位于MTPA轨迹左侧，且仍然与电流限制圆相交。因此，该区电机状态工作点限定在A、D、G*范围内。与恒功率运行I区所不同的是，恒功率运行II区在低转矩变化时效率最优轨迹只能沿电压限制椭圆。

减功率运行区：当电机升速至深度弱磁区时，在相同定子磁链条件下，沿MTPV轨迹运行可获的比沿电流圆轨迹更大的输出转矩，而且若电机状态工作点位于MTPV曲线左侧时，可能因为转矩关系的不平衡导致电机运行失步。电机状态进入该区的条件是电压限制椭圆仅与MTPV曲线相交，因而该运行区状态工作点的运行限制范围为D、H*。

图3(a)-图6(b)为不同速度段最优运行区域，图3(a)、图4(a)、图5(a)表示各个控制模式下的有效电流空间大小，图3(b)、图4(b)、图5(b)表示不同转矩需求下定子电流的可运行区域。从图中可看出，当电机运行于基速以下恒转矩模式时，定子电流的可运行区域是最大的，且可获得最大的输出转矩。而随着转速的升高和弱磁的不断深入，可运行区域逐渐减小，同时在该区域下的转矩输出能力也逐渐下降。当电机运行于减功率模式时，可运行区域随电压限制椭圆范围的收缩而变的很小，相应的电机仅能输出很小的电磁转矩。所以，电机转速在不断升高的过程中，其带载能力是逐渐变弱的，高速时只能轻载运行。

根据以上分析可知，应用转矩预测方法控制电机低速恒转矩工作时，沿MTPA轨迹可降低系统低损耗、提高系统效率。而要满足电机高速弱磁运行的需求，需要对价值函数进行更新，并根据不同运行区域设定不同的控制目标和约束条件。基于转矩预测控制方法的内埋式永磁同步电机弱磁控制策略具体为：

①转矩跟踪。转矩跟踪为系统主要控制目标，该控制目标任务是减小其跟踪误差，由于在系统的动态过程转矩误差始终存在，因而该项为价值函数中动态过程首要目标。转矩误差函数为

上式中电磁转矩给定由转速误差经PI控制器得到，k+1时刻的电磁转矩预测值由式(10)得到。

②区域收敛。在恒转矩运行阶段，设定式(11)为区域收敛控制标准，若仍以其为高速弱磁区域的收敛控制标准，则电机状态工作点将反方向沿MTPA运行，如6中AB段，此时输出电磁转矩急剧下降，电机无法运行至恒功率II区和减功率区。所以在弱磁工作区域，其收敛控制标准应该能使输出电磁转矩缓缓下降，电机状态工作点沿电流圆方向前进，如图中AC段。对比B、C两点，弱磁控制区域电机输出相同电磁转矩条件下，采用电流圆方向收敛标准可以获得比应用MTPA收敛标准更大的旋转速度，也就是说电流圆轨迹方向为弱磁区域正确的收敛控制标准。

由电机控制系统特性可知，AC段轨迹的每一点为弱磁过程当前电机转速对应的电压限制椭圆与最大电流圆的交点，所以只要使每一个转速下的状态工作点向该点逼近，则电机实际运行轨迹将自然趋近电流圆方向。因此，弱磁区域收敛标准定义如式(12)所示，其中λ为电压约束安全系数，取值范围为[0,1]。

不同的转速范围需要不同的区域收敛标准，因此采用如下两种方法需要判断当前时刻应该采用恒转矩区域收敛标准g_MTPA还是弱磁区域收敛标准g_FW。

方法一：根据前文所述，A点对应转速为转折速度，即ω_A＝ω_r，故当ω<ω_A时，区域收敛标准g_c＝g_MTPA；反之，g_c＝g_FW。

③约束限制。恒转矩运行时，电机状态工作点受到定子电流最大值I_max和稳定性约束条件限制，当电机运行于弱磁区域时，首先需满足逆变器输出最大电压的限制，即有

所以全速域运行控制系统性能指标函数为

g(min)＝k_T·g_T+k_c·g_c+k_L·g_L (15)

上式中，k_c为与区域收敛函数g对应的权值系数，当ω<ω_r时，有g_c＝g_MTPA且当ω>ω_r时，有g_c＝g_FW且需要指出的是，对于k_c的调节，在进入弱磁区域后要适当减小，以使弱磁轨迹沿电流圆进行。

图7给出了采用转矩预测控制的永磁同步电机弱磁控制系统的结构框图。

图8为基于转矩预测方法的弱磁控制流程图，首先测量电流、转速和转子位置信息，对电流和转矩进行预测；接着判断转速运行范围，并根据其大小选择不同的价值函数；最后进行滚动优化，输出最优开关状态。

图9(a)-图9(d)为基于转矩预测方法的内埋式永磁同步电机弱磁控制全速域运行波形。与常规的基于矢量算法的弱磁控制全速域运行波形相比，转矩预测控制其稳态性能近似于矢量控制算法，但其动态响应性能明显优于矢量控制算法，完全保障了系统的稳态精度，同时更加适用于高速动态响应的应用场合。

通过实验结果分析对比，转矩预测控制有更好的电流解耦性和定子电流利用率，可以获得更加精准的控制效果。同时，转矩预测弱磁控制方法恒转矩运行幅值更大且更加平滑，可达到的最大功率也大于矢量调制算法。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，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。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.基于转矩预测控制的永磁同步电机弱磁控制系统，其特征在于，控制系统在计算电机的最佳工作点时采用预测滚动优化方法；控制系统根据电机的转速差值计算出电机实时转矩，后通过计算此刻工况下的电流、电流角、以及转速，预测下一拍所有开关状态所对应的转矩预测值，根据预测结果输出最优开关信号；

其中，下一周期的转矩预测值通过计算获取，系统滚动优化中采用价值函数为g(min)＝k_T·g_T+k_c·g_c+k_L·g_L，此外，价值函数用于保证系统的收敛性和稳定性；

2.基于转矩预测控制的永磁同步电机弱磁控制方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

(1)首先测量电流、电机转速和转子位置信息；

(2)对电流和转矩进行预测；

(3)判断转速运行范围，并根据其大小选择不同的价值函数：

g(min)＝k_T·g_T+k_c·g_c+k_L·g_L

g_c＝g_FW

g_Imax为MTPA限流函数，g_umax为弱磁区域约束限制函数，g_stab为弱磁区域稳定性约束函数；g_FW为弱磁控制价值函数；

当电机工作在基速以下区域时，即ω<ω_r，则选择的价值函数为：

g(min)＝k_T·g_T+k_c·g_c+k_L·g_L

g_c＝g_MTPA

其中，g_dir为MTPA限制函数；

(4)最后进行滚动优化，输出最优开关状态：

3.根据权利要求1所述的基于转矩预测控制的永磁同步电机弱磁控制方法，其特征在于，步骤(1)中，电流的测量是通过电路中所采用的电流传感器实现，电机转速和转子位置通过电机端所链接的位置传感器获取，或者采用无传感器计算法计算出电机实际所处的位置。

4.根据权利要求1所述的基于转矩预测控制的永磁同步电机弱磁控制方法，其特征在于，步骤(2)中，所述电流和转矩的预测方法如下：

5.根据权利要求1所述的基于转矩预测控制的永磁同步电机弱磁控制方法，其特征在于，步骤(3)中，当电机工作在弱磁区域时，首先需满足逆变器输出最大电压的限制，即有：

<mrow> <mi>&eta;</mi> <mo>=</mo> <msqrt> <mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>L</mi> <mi>q</mi> </msub> <msub> <mi>i</mi> <mi>q</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>L</mi> <mi>d</mi> </msub> <msub> <mi>i</mi> <mi>d</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>&psi;</mi> <mi>f</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>&lambda;V</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>c</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <msqrt> <mn>3</mn> </msqrt> <mrow> <mo>|</mo> <mi>&omega;</mi> <mo>|</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> </mrow>

所以全速域运行控制系统滚动优化中采用价值函数为

g(min)＝k_T·g_T+k_c·g_c+k_L·g_L

上式中，k_c为与区域收敛函数g对应的权值系数，当ω<ω_r时，有g_c＝g_MTPA且g_L＝g_Imax+g_dir；当ω>ω_r时，有g_c＝g_FW且g_L＝g_Imax+g_umax+g_stab；对于k_c的调节，在进入弱磁区域后要减小，以使弱磁轨迹沿电流圆进行；

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将式(2)所示的坐标变换代入式(1)有

<mrow> <msup> <mrow> <mo>|</mo> <mi>u</mi> <mo>|</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>=</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&omega;L</mi> <mi>d</mi> </msub> <msubsup> <mi>i</mi> <mi>q</mi> <mi>v</mi> </msubsup> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&omega;L</mi> <mi>d</mi> </msub> <msubsup> <mi>i</mi> <mi>d</mi> <mi>v</mi> </msubsup> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

则d^vq^v坐标系下的电磁转矩表达式为

其中定子电流在d^vq^v坐标系下可分解为

<mrow> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msubsup> <mi>i</mi> <mi>d</mi> <mi>v</mi> </msubsup> <mo>=</mo> <msubsup> <mi>I</mi> <mi>s</mi> <mi>v</mi> </msubsup> <msup> <mi>sin&theta;</mi> <mi>v</mi> </msup> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msubsup> <mi>i</mi> <mi>q</mi> <mi>v</mi> </msubsup> <mo>=</mo> <msubsup> <mi>I</mi> <mi>s</mi> <mi>v</mi> </msubsup> <msup> <mi>cos&theta;</mi> <mi>v</mi> </msup> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>5</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

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式(8)是内埋式永磁同步电机MTPV运行要满足的数学表达式；

6.根据权利要求5所述的基于转矩预测控制的永磁同步电机弱磁控制方法，其特征在于，

<mrow> <msub> <mi>g</mi> <mrow> <mi>F</mi> <mi>W</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mo>|</mo> <mrow> <msqrt> <mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <msub> <mi>L</mi> <mi>q</mi> </msub> <msub> <mi>L</mi> <mi>d</mi> </msub> </mfrac> <msub> <mi>i</mi> <mi>q</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>i</mi> <mi>d</mi> </msub> <mo>+</mo> <mfrac> <msub> <mi>&psi;</mi> <mi>f</mi> </msub> <msub> <mi>L</mi> <mi>d</mi> </msub> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>&lambda;V</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>c</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <msqrt> <mn>3</mn> </msqrt> <msub> <mi>&omega;L</mi> <mi>d</mi> </msub> </mrow> </mfrac> </mrow> <mo>|</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>12</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

<mrow> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>&eta;</mi> <mo>=</mo> <msqrt> <mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>L</mi> <mi>q</mi> </msub> <msub> <mi>i</mi> <mi>q</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>L</mi> <mi>d</mi> </msub> <msub> <mi>i</mi> <mi>d</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>&psi;</mi> <mi>f</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>&lambda;V</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>c</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <msqrt> <mn>3</mn> </msqrt> <mrow> <mo>|</mo> <mi>&omega;</mi> <mo>|</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>g</mi> <msub> <mi>u</mi> <mi>max</mi> </msub> </msub> <mo>=</mo> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mrow> <mo>|</mo> <mi>&eta;</mi> <mo>|</mo> </mrow> <mo>,</mo> <mi>&eta;</mi> <mo><</mo> <mn>0</mn> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mn>0</mn> <mo>,</mo> <mi>&eta;</mi> <mo>></mo> <mn>0</mn> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>13</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中，V_dc为直流侧电压；

所以全速域运行控制系统性能指标函数为

g(min)＝k_T·g_T+k_c·g_c+k_L·g_L (15)

7.根据权利要求6所述的基于转矩预测控制的永磁同步电机弱磁控制方法，其特征在于，区域收敛时，不同的转速范围需要不同的区域收敛标准，采用如下两种方法判断当前时刻应该采用恒转矩区域收敛标准g_MTPA还是弱磁区域收敛标准g_FW；