CN109617481A - 一种永磁同步电机预测转矩控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机预测转矩控制方法，属于永磁同步电机技术领域，首先根据速度PI控制器获得转矩参考值，通过最大转矩电流比算法求出对应的磁链参考值；利用第k个控制周期开始时刻采集的电流和电机位置信号，通过电机模型预测公式求出不同控制电压矢量作用电机后第(k+2)个控制周期开始时刻的永磁同步电机定子磁链及转矩根据参考值和预测值求出下个控制周期不同电压矢量V_n作用下对应的误差量和误差系数；将误差系数带入到设计好的评价函数中便可求出最优的电压矢量V_n，本发明在恒转矩区和恒功率区均能适用。

Description

一种永磁同步电机预测转矩控制方法

技术领域

本发明涉及永磁同步电机技术领域，具体涉及一种永磁同步电机预测转矩控制方法。

背景技术

随着新能源政策的不断提出和完善，人们对新能源行业的期望越来越高。永磁同步电机具有调速范围广，功率密度大，可靠性高等优点被广泛应用于电动汽车、机械制造等领域。近年来电力电子技术的不断发展，使得永磁同步电机的控制技术也越来越成熟。其中有限控制集模型预测控制是继矢量控制和直接转矩控制之后提出的一种较为新颖的永磁同步电机控制方法。

有限控制集模型预测控制根据当前控制周期开始时刻的电机状态和逆变器所能输出的备选电压矢量，利用电机模型能够预测出电机下一控制周期在不同逆变器电压矢量作用结束时刻的电机状态。根据这些电机状态和为满足期望而设计好的评价函数，可以求出满足期望的电压矢量并于下一控制周期开始时刻作用于电机从而达到理想的控制效果。这种方法具有动态响应好，拓展性强等优点。其中有限控制集模型预测转矩控制作为一种较为常用的方法它的评价函数由两部分组成，一部分为转矩分量，为期望转矩和预测转矩误差的绝对值；另一部分为磁链分量，为期望磁链和预测磁链误差的绝对值。由于二者具有不同的量纲，需要设计相应的权重系数来使得二者控制均衡。然而要使系统控制稳定需要将权重系数控制在一个范围之内，然而不同的权重系数的控制效果又不相同，为满足控制要求需要多次整定和修改权重系数大大增加了控制的复杂程度。

如中国专利申请号为：CN201610197283.2的专利公布了一种永磁同步电机模型预测控制方法，包括以下步骤：(1)在当前时刻k将采集的三相电流转换到αβ坐标系；(2)依据αβ坐标系的电流值预测k+1时刻的电流值和k+2时刻的电流参考值；(3)以k+2时刻的电流参考值为控制目标，依据k+1时刻电流值计算k+1时刻的电压控制矢量参考值；(4)解析k+1时刻的电压控制矢量参考值对应的角度，判定该角度所属的扇区，从扇区中提取候选电压控制矢量；(5)将候选电压控制矢量代入目标函数，选取使得目标函数值最小对应的候选电压控制矢量作为最佳电压控制矢量。但是其没有解决有限控制集模型预测控制方法在转矩分量和磁链分量权重系数上需要多次整定和修改的问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种永磁同步电机预测转矩控制方法，省去转矩分量和磁链分的权重系数。

本发明所述永磁同步电机预测转矩控制方法，包括如下步骤：

步骤1，利用电机编码器获取永磁同步电机第k个控制周期开始时刻的转子机械角速度ω(k)和电角速度ω_e(k)以及转子位置电角度θ(k)；采集永磁同步电机直流母线电压u_dc(k)和三相定子电流i_a(k)、i_b(k)、i_c(k)，并进行坐标变换得到两相静止坐标系α-β下电流分量i_α(k)、i_β(k)以及旋转坐标系d-q下的电流分量i_d(k)和i_q(k)；

步骤2，利用坐标变换后的电压电流信号以及转速信号，包括电流分量i_d(k)、i_q(k)和电角速度ω_e(k)，以及第k个控制周期施加的电压矢量V(k)在旋转坐标系d-q下的电压分量V_d(k)、V_q(k)，通过永磁同步电机延时补偿模型公式，预测得到第k+1个控制周期开始时刻的旋转坐标系d-q下电流分量

步骤3，将所述永磁同步电机转子机械角速度ω(k)与期望转速ω^*之间的差值e(k)，经PI控制器得到永磁同步电机第k个控制周期的电磁转矩期望值T^*(k)；根据电磁转矩期望值T^*(k)，采用最大转矩电流比的方法，得到旋转坐标系d-q下电流分量的期望值i_d ^*(k)和i_q ^*(k)，并据电流分量的期望值i_d ^*(k)和i_q ^*(k)求出永磁同步电机定子磁链的期望值ψ_s ^*(k)；

步骤4，将预测得到永磁同步电机第k+1个控制周期开始时刻的旋转坐标系d-q下的电流分量和以及永磁同步电机控制系统逆变器中的8个电压矢量V₀、V₁、V₂、……、V₇，带入到所述永磁同步电机延时补偿模型公式和所述永磁同步电机定子磁链期望值ψ_s ^*(k)的公式，预测出电压矢量V₀、V₁、V₂、……、V₇作用下，第k+2控制周期开始时刻永磁同步电机定子磁链及转矩由于电压矢量V₀和电压矢量V₇的作用效果相同，舍去电压矢量V₀的相关计算；

步骤5，将预测出的电压矢量V₁、V₂、……、V₇作用的永磁同步电机磁链和转矩，同期望的永磁同步电机磁链ψ_s ^*(k)和转矩T^*(k)做差，求得不同电压矢量V_n作用下的误差绝对值，分别为|Δψ_sn|和|ΔT_n|；

将所述的7个磁链误差|Δψ_sn|由小到大进行排序，定义电压矢量V₁、V₂、……、V₇作用下的磁链误差偏移系数φ_ψn，根据其由小到大的顺序依次赋值为0，1，2，3，4，5，6；

将所述的7个转矩误差|ΔT_n|由小到大进行排序，定义电压矢量V₁、V₂、……、V₇作用下的转矩误差偏移系数φ_Tn，根据其由小到大的顺序依次赋值为0，1，2，3，4，5，6；

步骤6，针对电压矢量V₁、V₂、……、V₇作用下电机的控制效果建立评价函数g(n)，根据评价函数g(n)的计算结果，找到评价函数g(n)的最小值g(n)_min，则与所述最小值g(n)_min对应的电压矢量V_n为最优电压矢量V_opt；

进一步的，步骤1中，两相静止坐标系α-β下电流分量i_α(k)、i_β(k)以及旋转坐标系d-q下的电流分量i_d(k)和i_q(k)的变换公式如下：

式中i_a(k)、i_b(k)、i_c(k)分别为永磁同步电机三相定子电流，i_α(k)、i_β(k)分别为永磁同步电机两相静止坐标系α-β下的电流分量，i_d(k)、i_q(k)分别为永磁同步电机旋转坐标系d-q下的电流分量，θ(k)为同步电机转子位置电角度；

进一步地，步骤2中，所述永磁同步电机延时补偿模型公式如下：

式中L_d，L_q分别为永磁同步电机的直轴电感和交轴电感，R_s为定子电阻，T_s为控制周期的时长，ψ_f为转子永磁体磁链，ω_e(k)为电角速度，V_d(k)、V_q(k)分别为第k个控制周期施加的电压矢量V(k)在旋转坐标系d-q下的电压分量，i_d(k)、i_q(k)分别为永磁同步电机旋转坐标系d-q下的电流分量，分别为预测得到的第k+1个控制周期开始时刻的旋转坐标系d-q下电流分量；

进一步地，步骤3中，所述的PI控制器是采用如下公式：

T^*(k)＝K_pe(k)+K_ie(k)T_s+T^*(k-1)……(4)

式中，K_p为PI控制器中的比例环节系数，K_i为PI控制器中的积分环节系数，T_s为控制周期，T^*(k-1)为PI控制器在上一个控制周期输出的永磁同步电机第k-1个控制周期的电磁转矩期望值；

所述最大转矩电流比的计算方法公式如下：

式中，i_s ^*为最大转矩电流比算法下与T^*(k)对应的定子电流值；

所述永磁同步电机定子磁链期望值ψ_s ^*(k)的公式如下：

式中，L_d，L_q分别为同步电机的直轴电感和交轴电感，ψ_f为同步电机转子永磁体磁链；

进一步地，步骤4中，永磁同步电机预测模型公式如下：

式中L_d，L_q分别为永磁同步电机的直轴电感和交轴电感，R_s为定子电阻，T_s为控制周期的时长，p为永磁同步电机的极对数，分别为预测得到的第(k+1)个控制周期开始时刻的旋转坐标系d-q下电流分量，n为与电压矢量V_n相关变量的序号，V_dn、V_qn分别为逆变器电压矢量V_n在旋转坐标系d-q下的电压分量，为电压矢量V_n作用后第(k+2)控制周期开始时刻同步电机定子磁链ψ_s在旋转坐标系d-q下的分量，为电压矢量V_n作用后第k+2个控制周期开始时刻永磁同步电机输出的转矩，ψ_f为永磁同步电机转子永磁体磁链，ω_e(k+1)为第k+1个控制周期中的转速，由于电压矢量V₀和电压矢量V₇的作用效果相同，舍去电压矢量V₀的相关计算；

进一步地，步骤6中，评价函数g(n)公式如下：

式中φ_ψn和φ_Tn分别为磁链误差绝对值和转矩误差绝对值排序后所对应的误差偏移系数，J为均衡系数，范围为(0，1)，V_argming(n)为求数列{g(0)，g(1)，……，g(n)}中最小值所对应的电压矢量。

进一步地，步骤4中，由于永磁同步电机的机械时间常数远大于电气时间常数，规定两个相邻控制周期中转速不变。

进一步地，步骤6中，J取值为0.5。

本发明的有益效果是：

本发明所述永磁同步电机预测转矩控制方法，通过设计误差偏移系数，使得模型预测转矩控制的评价函数中的量纲得以统一，省去了权重系数，解决了权重系数整定困难的问题。

附图说明

图1是本发明所述永磁同步电机预测转矩控制方法的流程图；

图2是本发明所述永磁同步电机预测转矩控制方法的空间电压矢量图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明做进一步说明。

本发明所述永磁同步电机预测转矩控制方法，包括如下步骤：

步骤1，利用电机编码器获取永磁同步电机第k个控制周期开始时刻的转子机械角速度ω(k)和电角速度ω_e(k)以及转子位置电角度θ(k)；采集永磁同步电机直流母线电压u_dc(k)和三相定子电流i_a(k)、i_b(k)、i_c(k)，并进行坐标变换得到两相静止坐标系α-β下电流分量i_α(k)、i_β(k)以及旋转坐标系d-q下的电流分量i_d(k)和i_q(k)，变换公式如下：

式中i_a(k)、i_b(k)、i_c(k)分别为永磁同步电机三相定子电流，i_α(k)、i_β(k)分别为永磁同步电机两相静止坐标系α-β下的电流分量，i_d(k)、i_q(k)分别为永磁同步电机旋转坐标系d-q下的电流分量，θ(k)为同步电机转子位置电角度；

步骤2，利用坐标变换后的电压电流信号以及转速信号，包括电流分量i_d(k)、i_q(k)和电角速度ω_e(k)，以及第k个控制周期施加的电压矢量V(k)在旋转坐标系d-q下的电压分量V_d(k)、V_q(k)，通过永磁同步电机延时补偿模型公式，预测得到第k+1个控制周期开始时刻的旋转坐标系d-q下电流分量所述永磁同步电机延时补偿模型公式如下：

式中L_d，L_q分别为永磁同步电机的直轴电感和交轴电感，R_s为定子电阻，T_s为控制周期的时长，ψ_f为转子永磁体磁链，ω_e(k)为电角速度，V_d(k)、V_q(k)分别为第k个控制周期施加的电压矢量V(k)在旋转坐标系d-q下的电压分量，i_d(k)、i_q(k)分别为永磁同步电机旋转坐标系d-q下的电流分量，分别为预测得到的第k+1个控制周期开始时刻的旋转坐标系d-q下电流分量；

步骤3，将所述永磁同步电机转子机械角速度ω(k)与期望转速ω^*之间的差值e(k)，经PI控制器得到永磁同步电机第k个控制周期的电磁转矩期望值T^*(k)；根据电磁转矩期望值T^*(k)，采用最大转矩电流比的方法，得到旋转坐标系d-q下电流分量的期望值i_d ^*(k)和i_q ^*(k)，并据电流分量的期望值i_d ^*(k)和i_q ^*(k)求出永磁同步电机定子磁链的期望值ψ_s ^*(k)；

所述的PI控制器是采用如下公式：

T^*(k)＝K_pe(k)+K_ie(k)T_s+T^*(k-1)……(4)

式中，K_p为PI控制器中的比例环节系数，K_i为PI控制器中的积分环节系数，T_s为控制周期，T^*(k-1)为PI控制器在上一个控制周期输出的永磁同步电机第k-1个控制周期的电磁转矩期望值；

所述最大转矩电流比的计算方法公式如下：

式中，i_s ^*为最大转矩电流比算法下与T^*(k)对应的定子电流值；

所述永磁同步电机定子磁链期望值ψ_s ^*(k)的公式如下：

式中，L_d，L_q分别为同步电机的直轴电感和交轴电感，ψ_f为同步电机转子永磁体磁链；

步骤4，将预测得到永磁同步电机第k+1个控制周期开始时刻的旋转坐标系d-q下的电流分量和以及永磁同步电机控制系统逆变器中的8个电压矢量V₀、V₁、V₂、……、V₇，带入到所述永磁同步电机延时补偿模型公式和所述永磁同步电机定子磁链期望值ψ_s ^*(k)的公式，预测出电压矢量V₀、V₁、V₂、……、V₇作用下，第k+2控制周期开始时刻永磁同步电机定子磁链及转矩永磁同步电机预测模型公式如下：

式中L_d，L_q分别为永磁同步电机的直轴电感和交轴电感，R_s为定子电阻，T_s为控制周期的时长，p为永磁同步电机的极对数，分别为预测得到的第(k+1)个控制周期开始时刻的旋转坐标系d-q下电流分量，n为与电压矢量V_n相关变量的序号，V_dn、V_qn分别为逆变器电压矢量V_n在旋转坐标系d-q下的电压分量，为电压矢量V_n作用后第(k+2)控制周期开始时刻同步电机定子磁链ψ_s在旋转坐标系d-q下的分量，为电压矢量V_n作用后第k+2个控制周期开始时刻永磁同步电机输出的转矩，ψ_f为永磁同步电机转子永磁体磁链，ω_e(k+1)为第k+1个控制周期中的转速，由于永磁同步电机的机械时间常数远大于电气时间常数，规定两个相邻控制周期中转速不变；由于电压矢量V₀和电压矢量V₇的作用效果相同，舍去电压矢量V₀的相关计算；

步骤5，将预测出的电压矢量V₁、V₂、……、V₇作用的永磁同步电机磁链和转矩，同期望的永磁同步电机磁链ψ_s ^*(k)和转矩T^*(k)做差，求得不同电压矢量V_n作用下的误差绝对值，分别为|Δψ_sn|和|ΔT_n|；

将所述的7个磁链误差|Δψ_sn|由小到大进行排序，定义电压矢量V₁、V₂、……、V₇作用下的磁链误差偏移系数φ_ψn，根据其由小到大的顺序依次赋值为0，1，2，3，4，5，6；

将所述的7个转矩误差|ΔT_n|由小到大进行排序，定义电压矢量V₁、V₂、……、V₇作用下的转矩误差偏移系数φ_Tn，根据其由小到大的顺序依次赋值为0，1，2，3，4，5，6；

步骤6，针对电压矢量V₁、V₂、……、V₇作用下电机的控制效果建立评价函数g(n)，根据评价函数g(n)的计算结果，找到评价函数g(n)的最小值g(n)_min，则与所述最小值g(n)_min对应的电压矢量V_n为最优电压矢量V_opt；

评价函数g(n)公式如下：

式中φ_ψn和φ_Tn分别为磁链误差绝对值和转矩误差绝对值排序后所对应的误差偏移系数，J为均衡系数，范围为(0，1)，J取值为0.5，V_argming(n)为求数列{g(0)，g(1)，……，g(n)}中最小值所对应的电压矢量。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种永磁同步电机预测转矩控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，利用电机编码器获取永磁同步电机第k个控制周期开始时刻的转子机械角速度ω(k)和电角速度ω_e(k)以及转子位置电角度θ(k)；采集永磁同步电机直流母线电压u_dc(k)和三相定子电流i_a(k)、i_b(k)、i_c(k)，并进行坐标变换得到两相静止坐标系α-β下电流分量i_α(k)、i_β(k)以及旋转坐标系d-q下的电流分量i_d(k)和i_q(k)；

步骤2，利用坐标变换后的电压电流信号以及转速信号，包括电流分量i_d(k)、i_q(k)和电角速度ω_e(k)，以及第k个控制周期施加的电压矢量V(k)在旋转坐标系d-q下的电压分量V_d(k)、V_q(k)，通过永磁同步电机延时补偿模型公式，预测得到第k+1个控制周期开始时刻的旋转坐标系d-q下电流分量

步骤3，将所述永磁同步电机转子机械角速度ω(k)与期望转速ω^*之间的差值e(k)，经PI控制器得到永磁同步电机第k个控制周期的电磁转矩期望值T^*(k)；根据电磁转矩期望值T^*(k)，采用最大转矩电流比的方法，得到旋转坐标系d-q下电流分量的期望值i_d ^*(k)和i_q ^*(k)，并据电流分量的期望值i_d ^*(k)和i_q ^*(k)求出永磁同步电机定子磁链的期望值ψ_s ^*(k)；

步骤4，将预测得到永磁同步电机第k+1个控制周期开始时刻的旋转坐标系d-q下的电流分量和以及永磁同步电机控制系统逆变器中的8个电压矢量V₀、V₁、V₂、……、V₇，带入到所述永磁同步电机延时补偿模型公式和所述永磁同步电机定子磁链期望值ψ_s ^*(k)的公式，预测出电压矢量V₀、V₁、V₂、……、V₇作用下，第k+2控制周期开始时刻永磁同步电机定子磁链及转矩由于电压矢量V₀和电压矢量V₇的作用效果相同，舍去电压矢量V₀的相关计算；

步骤5，将预测出的电压矢量V₁、V₂、……、V₇作用的永磁同步电机磁链和转矩，同期望的永磁同步电机磁链ψ_s ^*(k)和转矩T^*(k)做差，求得不同电压矢量V_n作用下的误差绝对值，分别为|Δψ_sn|和|ΔT_n|；

将所述的7个磁链误差|Δψ_sn|由小到大进行排序，定义电压矢量V₁、V₂、……、V₇作用下的磁链误差偏移系数φ_ψn，根据其由小到大的顺序依次赋值为0，1，2，3，4，5，6；

将所述的7个转矩误差|ΔT_n|由小到大进行排序，定义电压矢量V₁、V₂、……、V₇作用下的转矩误差偏移系数φ_Tn，根据其由小到大的顺序依次赋值为0，1，2，3，4，5，6；

步骤6，针对电压矢量V₁、V₂、……、V₇作用下电机的控制效果建立评价函数g(n)，根据评价函数g(n)的计算结果，找到评价函数g(n)的最小值g(n)_min，则与所述最小值g(n)_min对应的电压矢量V_n为最优电压矢量V_opt。

2.根据权利要求1中所述的一种永磁同步电机预测转矩控制方法，其特征在于，所述步骤1中，两相静止坐标系α-β下电流分量i_α(k)、i_β(k)以及旋转坐标系d-q下的电流分量i_d(k)和i_q(k)的变换公式如下：

式中i_a(k)、i_b(k)、i_c(k)分别为永磁同步电机三相定子电流，i_α(k)、i_β(k)分别为永磁同步电机两相静止坐标系α-β下的电流分量，i_d(k)、i_q(k)分别为永磁同步电机旋转坐标系d-q下的电流分量，θ(k)为同步电机转子位置电角度。

3.根据权利要求1中所述的一种永磁同步电机预测转矩控制方法，其特征在于，所述步骤2中，所述永磁同步电机延时补偿模型公式如下：

式中L_d，L_q分别为永磁同步电机的直轴电感和交轴电感，R_s为定子电阻，T_s为控制周期的时长，ψ_f为转子永磁体磁链，ω_e(k)为电角速度，V_d(k)、V_q(k)分别为第k个控制周期施加的电压矢量V(k)在旋转坐标系d-q下的电压分量，i_d(k)、i_q(k)分别为永磁同步电机旋转坐标系d-q下的电流分量，分别为预测得到的第k+1个控制周期开始时刻的旋转坐标系d-q下电流分量。

4.根据权利要求1中所述的一种永磁同步电机预测转矩控制方法，其特征在于，所述步骤3中，所述的PI控制器是采用如下公式：

T^*(k)＝K_pe(k)+K_ie(k)T_s+T^*(k-1)……(4)

式中，K_p为PI控制器中的比例环节系数，K_i为PI控制器中的积分环节系数，T_s为控制周期，T^*(k-1)为PI控制器在上一个控制周期输出的永磁同步电机第k-1个控制周期的电磁转矩期望值；

所述最大转矩电流比的计算方法公式如下：

式中，i_s ^*为最大转矩电流比算法下与T^*(k)对应的定子电流值；

所述永磁同步电机定子磁链期望值ψ_s ^*(k)的公式如下：

式中，L_d，L_q分别为同步电机的直轴电感和交轴电感，ψ_f为同步电机转子永磁体磁链。

5.根据权利要求1中所述的一种永磁同步电机预测转矩控制方法，其特征在于，所述步骤4中，永磁同步电机预测模型公式如下：

式中L_d，L_q分别为永磁同步电机的直轴电感和交轴电感，R_s为定子电阻，T_s为控制周期的时长，p为永磁同步电机的极对数，分别为预测得到的第(k+1)个控制周期开始时刻的旋转坐标系d-q下电流分量，n为与电压矢量V_n相关变量的序号，V_dn、V_qn分别为逆变器电压矢量V_n在旋转坐标系d-q下的电压分量，为电压矢量V_n作用后第(k+2)控制周期开始时刻同步电机定子磁链ψ_s在旋转坐标系d-q下的分量，为电压矢量V_n作用后第k+2个控制周期开始时刻永磁同步电机输出的转矩，ψ_f为永磁同步电机转子永磁体磁链，ω_e(k+1)为第k+1个控制周期中的转速，由于电压矢量V₀和电压矢量V₇的作用效果相同，舍去电压矢量V₀的相关计算。

6.根据权利要求1中所述的一种永磁同步电机预测转矩控制方法，其特征在于，所述步骤6中，评价函数g(n)公式如下：

式中φ_ψn和φ_Tn分别为磁链误差绝对值和转矩误差绝对值排序后所对应的误差偏移系数，J为均衡系数，范围为(0，1)，V_argming(n)为求数列{g(0)，g(1)，……，g(n)}中最小值所对应的电压矢量。

7.根据权利要求1中所述的一种永磁同步电机预测转矩控制方法，其特征在于，所述步骤4中，由于永磁同步电机的机械时间常数远大于电气时间常数，规定两个相邻控制周期中转速不变。

8.根据权利要求1中所述的一种永磁同步电机预测转矩控制方法，其特征在于，所述步骤6中，J取值为0.5。