CN111800056A - 一种基于新型开关表的永磁同步电机三矢量模型预测转矩控制方法 - Google Patents

一种基于新型开关表的永磁同步电机三矢量模型预测转矩控制方法 Download PDF

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CN111800056A CN202010702715.7A CN202010702715A CN111800056A CN 111800056 A CN111800056 A CN 111800056A CN 202010702715 A CN202010702715 A CN 202010702715A CN 111800056 A CN111800056 A CN 111800056A
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Abstract

一种基于新型开关表的永磁同步电机三矢量模型预测转矩控制方法，首先将参考转速与实际转速的差值输入转速PI控制器，计算出转矩参考值Te *；然后以转矩误差及定子磁链矢量所在扇区作为依据，通过新型开关表查表的方法快速选择两个非零电压矢量以及一个零电压矢量，两个非零电压矢量对转矩的作用效果相同，都能同时增大或减小转矩，但它们对定子磁链的作用正好相反，能对定子磁链相互补偿；进而提出了一种能同时考虑磁链和转矩脉动抑制的占空比计算方法，计算出两个非零电压矢量以及一个零电压矢量在一个控制周期内的占空比；最后将选择的三个电压矢量及占空比转化为对应的逆变器的开关序列，输送给永磁同步电机。

Description

一种基于新型开关表的永磁同步电机三矢量模型预测转矩控 制方法
技术领域
本发明涉及一种基于新型开关表的永磁同步电机三矢量模型预测转矩控制方法，属于电机驱动及控制领域。
背景技术
永磁同步电动机具有效率高、可靠性好等优点，被广泛应用于机器人、航天航空等诸多工业领域。矢量控制和直接转矩控制是电机调速领域的两种典型的控制方法。矢量控制通过将定子电流分解成d-q轴分量，并采用比例积分控制器对其进行控制，因此具有良好的稳态性能和线性控制的优点。然而，其动态特性受到内部电流环带宽的限制。直接转矩控制根据转矩和定子磁链误差信号以及定子磁链矢量的位置，直接从开关表中选择电压矢量作用于逆变器，具有控制结构简单、动态响应快等优点，但存在稳态运行时转矩和磁链脉动较大的缺点。
近年来，随着微处理器技术的迅速发展，模型预测转矩控制逐渐成为电机驱动的一种有效的控制方法。然而，传统模型预测转矩控制在一个采样周期内需要遍历7个基本电压矢量，电压矢量筛选复杂，而且在整个控制周期只作用一个电压矢量，即占空比为1，存在转矩与定子磁链脉动较大、开关频率不稳定等问题，这使得传统模型预测转矩控制方法不能满足永磁同步电机调速系统不断增长的对转矩和定子磁链的控制要求。为了改善传统模型预测转矩控制的稳态性能，快速筛选电压矢量，研究一种基于新型开关表的永磁同步电机三矢量模型预测转矩控制方法有着广阔的发展前景。
发明内容
技术问题：本发明针对现有技术无法解决模型预测转矩控制中电压矢量筛选复杂以及转矩脉动和磁链脉动较大的问题，提供一种基于新型开关表的永磁同步电机三矢量模型预测转矩控制方法，通过新型开关表快速选择三个电压矢量，并采用转矩和磁链无差拍原理计算三个电压矢量在一个控制周期的占空比，在减少复杂度的同时，提高电机的稳态性能。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种基于新型开关表的永磁同步电机三矢量模型预测转矩控制方法，其特征在于包含以下步骤：
步骤(1)：计算参考转矩Te *：将参考转速n*与实际反馈转速n的差值en输入转速PI控制器，根据公式(1.1)获得参考转矩Te *；
Figure BDA0002593461040000021
式(1.1)中，KP和KI分别为转速PI控制器的比例增益和积分增益；
步骤(2)：计算定子磁链参考幅值ψs *：根据最大转矩电流比原理，将获得的参考转矩Te *输入定子磁链参考幅值计算模块，根据公式(2.1)计算定子磁链参考幅值ψs *；
Figure BDA0002593461040000022
式(2.1)中，Ls为永磁同步电机同步电感，ψf为永磁体磁链幅值，p为永磁同步电机极对数；
步骤(3)：计算k时刻的转矩Te(k)和定子磁链矢量在α-β轴的分量ψsα(k)和ψsβ(k)：通过电流传感器获取k时刻的三相定子电流ia,ib,ic，根据公式(3.1)计算k时刻定子电流的d-q分量id和iq，将获得的d/q轴电流输入转矩和定子磁链矢量计算模块，根据公式(3.2)计算k时刻的转矩Te(k)，根据公式(3.3)计算k时刻的定子磁链矢量在α-β轴的分量ψsα(k)和ψsβ(k)；
Figure BDA0002593461040000023
式(3.1)中，ia、ib和ic为定子绕组三相电流，θr为转子位置角；
Figure BDA0002593461040000024
Figure BDA0002593461040000025
式(3.3)中，Ld为d轴电感值，Lq为q轴电感值；
步骤(4)：确定定子磁链矢量ψs(k)所在扇区：将定子磁链矢量在α-β轴的分量ψsα(k)和ψsβ(k)输入扇区判断模块，根据公式(4.1)计算k时刻的定子磁链矢量ψs(k)的空间相位角；
Figure BDA0002593461040000031
式(4.1)中，θs为定子磁链矢量ψs(k)所在的空间相位角，将θs按[0,π/3)、[π/3,2π/3)、[2π/3,π)、[π,4π/3)、[4π/3,5π/3)、[5π/3,2π)划分为6个扇区，分别编号为I、II、III、IV、V、VI；
步骤(5)：通过新型开关表选择三个电压矢量：将参考转矩Te *与k时刻的转矩Te(k)输入转矩差值计算模块，根据公式(5.1)计算k时刻的转矩Te(k)与参考转矩Te *之间的差值ΔTe；
ΔTe＝Te *-Te(k) (5.1)
进一步的，将转矩差值ΔTe以及定子磁链矢量ψs(k)所在扇区输入新型开关表模块，通过查询新型开关表直接选择两个非零电压矢量Uopt1、Uopt2以及一个零电压矢量Uopt0；
步骤(6)：三个电压矢量占空比计算：将Uopt1、Uopt2、Uopt0输入定子磁链矢量和转矩预测模块，分别根据公式(6.1)计算下一时刻的定子磁链矢量ψs1(k+1)、ψs2(k+1)、ψs0(k+1)和下一时刻的转矩Te1(k+1)、Te2(k+1)、Te0(k+1)；
Figure BDA0002593461040000032
进一步的，将三个电压矢量的定子磁链矢量预测值和转矩预测值输入误差计算模块，根据公式(6.2)分别计算下一时刻的定子磁链矢量幅值与定子磁链参考幅值的误差Δψs1、Δψs2、Δψs0，下一时刻的转矩与参考转矩的误差ΔTe1、ΔTe2、ΔTe0；
Figure BDA0002593461040000033
式(6.1)和式(6.2)中，i取值为1，2，0，分别代表第一个非零电压矢量，第二个非零电压矢量以及零电压矢量，式(6.1)中，Rs为定子电阻值，is(k)为k时刻的定子电流值；
进一步的，将转矩误差ΔTe1、ΔTe2、ΔTe0和磁链误差Δψs1、Δψs2、Δψs0输入占空比计算模块，利用转矩和磁链同时无差拍原理，根据公式(6.3)计算第一个非零电压矢量Uopt1的占空比dopt1，根据公式(6.4)计算第二个非零电压矢量Uopt2的占空比dopt2，根据公式(6.5)计算零电压矢量Uopt0的占空比dopt0；
Figure BDA0002593461040000041
Figure BDA0002593461040000042
dopt0＝1-dopt1-dopt2 (6.5)
其中：C＝m1(n2-n0)+m2(n0-n1)+m0(n1-n2) (6.6)
式(6.3)、(6.4)、(6.6)中，m1代表ΔTe1，m2代表ΔTe2，m0代表ΔTe0，n1代表Δψs1，n2代表Δψs2，n0代表Δψs0；
具体的，步骤(5)中新型开关表模块在获得转矩差值ΔTe和定子磁链矢量ψs(k)所在扇区后，按照下述关系选择两个非零电压矢量Uopt1、Uopt2以及一个零电压矢量Uopt0：
1)ΔTe≥0时：
①θs位于扇区I，Uopt1、Uopt2、Uopt0的选择分别为U2(110)、U3(010)、U0(000)；
②θs位于扇区II，Uopt1、Uopt2、Uopt0的选择分别为U3(010)、U4(011)、U0(000)；
③θs位于扇区III，Uopt1、Uopt2、Uopt0的选择分别为U4(011)、U5(001)、U0(000)；
④θs位于扇区IV，Uopt1、Uopt2、Uopt0的选择分别为U5(001)、U6(101)、U0(000)；
⑤θs位于扇区V，Uopt1、Uopt2、Uopt0的选择分别为U6(101)、U1(100)、U0(000)；
⑥θs位于扇区VI，Uopt1、Uopt2、Uopt0的选择分别为U1(100)、U2(110)、U0(000)；
2)ΔTe＜0时：
①θs位于扇区I，Uopt1、Uopt2、Uopt0的选择分别为U5(001)、U6(101)、U0(000)；
②θs位于扇区II，Uopt1、Uopt2、Uopt0的选择分别为U6(101)、U1(100)、U0(000)；
③θs位于扇区III，Uopt1、Uopt2、Uopt0的选择分别为U1(100)、U2(110)、U0(000)；
④θs位于扇区IV，Uopt1、Uopt2、Uopt0的选择分别为U2(110)、U3(010)、U0(000)；
⑤θs位于扇区V，Uopt1、Uopt2、Uopt0的选择分别为U3(010)、U4(011)、U0(000)；
⑥θs位于扇区VI，Uopt1、Uopt2、Uopt0的选择分别为U4(011)、U5(001)、U0(000)。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：通过新型开关表直接选择电压矢量，取消了成本函数和权重系数的设计，提高了处理器的效率；一个控制周期内作用三个电压矢量，包括两个非零电压矢量和一个零电压矢量，并采用一种能同时考虑转矩和磁链脉动抑制的占空比计算方法，可以有效抑制转矩和磁链脉动。
附图说明
图1为本发明的原理框图，包括转速PI控制器1、定子磁链参考幅值计算模块2、转矩和定子磁链矢量计算模块3、扇区判断模块4、电压矢量选择模块5、占空比优化模块6、逆变器7、光电编码器8、永磁同步电机9；
图2为电压矢量选择模块5的原理框图，包括转矩误差计算模块5-1、新型开关表模块5-2；
图3为占空比优化模块6的原理框图，包括定子磁链矢量和转矩预测模块6-1、误差计算模块6-2、占空比计算模块6-3；
图4为控制算法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示为一种基于新型开关表的永磁同步电机三矢量模型预测转矩控制方法原理图，包括转速PI控制器1、定子磁链参考幅值计算模块2、转矩和定子磁链矢量计算模块3、扇区判断模块4、电压矢量选择模块5、占空比优化模块6、逆变器7、光电编码器8、永磁同步电机9。
图4为基于新型开关表的永磁同步电机三矢量模型预测转矩控制方法的算法流程图。具体包括如下步骤：
步骤(1)：计算参考转矩Te *：将参考转速n*与实际反馈转速n的差值en输入转速PI控制器1，根据公式(1.1)获得参考转矩Te *；
Figure BDA0002593461040000051
式(1.1)中，KP和KI分别为转速PI控制器的比例增益和积分增益；
步骤(2)：计算定子磁链参考幅值ψs *：根据最大转矩电流比原理，将获得的参考转矩Te *输入定子磁链参考幅值计算模块2，根据公式(2.1)计算定子磁链参考幅值ψs *；
Figure BDA0002593461040000061
式(2.1)中，Ls为永磁同步电机同步电感，ψf为永磁体磁链幅值，p为永磁同步电机极对数；
步骤(3)：计算k时刻的转矩Te(k)和定子磁链矢量在α-β轴的分量ψsα(k)和ψsβ(k)：通过电流传感器获取k时刻的三相定子电流ia,ib,ic，输入PARK坐标变换器，根据公式(3.1)计算k时刻定子电流的d-q分量id和iq，将获得的d/q轴电流输入转矩和定子磁链矢量计算模块3，根据公式(3.2)计算k时刻的转矩Te(k)，根据公式(3.3)计算k时刻的定子磁链矢量在α-β轴的分量ψsα(k)和ψsβ(k)；
Figure BDA0002593461040000062
式(3.1)中，ia、ib和ic为定子绕组三相电流，θr为转子位置角；
Figure BDA0002593461040000063
Figure BDA0002593461040000064
式(3.3)中，Ld为d轴电感值，Lq为q轴电感值；
步骤(4)：确定定子磁链矢量ψs(k)所在扇区：将定子磁链矢量在α-β轴的分量ψsα(k)和ψsβ(k)输入扇区判断模块4，根据公式(4.1)计算k时刻的定子磁链矢量ψs(k)的空间相位角；
Figure BDA0002593461040000065
式(4.1)中，θs为定子磁链矢量ψs(k)所在的空间相位角，将θs按[0,π/3)、[π/3,2π/3)、[2π/3,π)、[π,4π/3)、[4π/3,5π/3)、[5π/3,2π)划分为6个扇区，分别编号为I、II、III、IV、V、VI；
步骤(5)：通过新型开关表选择三个电压矢量：将参考转矩Te *与k时刻的转矩Te(k)输入转矩差值计算模块5-1，根据公式(5.1)计算k时刻的转矩Te(k)与参考转矩Te *之间的差值ΔTe；
ΔTe＝Te *-Te(k) (5.1)
进一步的，将转矩差值ΔTe以及定子磁链矢量ψs(k)所在扇区输入新型开关表模块5-2(参照表1)，通过查询新型开关表直接选择两个非零电压矢量Uopt1、Uopt2以及一个零电压矢量Uopt0，以定子磁链矢量ψs(k)位于扇区I为例，当转矩偏差ΔTe≥0时，零电压矢量U0(000)会减小转矩，使定子磁链幅值基本不变，非零电压矢量U2(110)和U3(010)都能引起转矩的增大，但它们对定子磁链幅值的影响是相反的，能对定子磁链相互补偿，使得定子磁链接近或达到参考值，因此，当需要提高转矩时，不管定子磁链幅值是需要增大还是减小，只需要合理地分配U2(110)和U3(010)以及U0(000)在一个控制周期内的占空比，就可以达到转矩与磁链的无差拍控制；
步骤(6)：三个电压矢量占空比计算：将Uopt1、Uopt2、Uopt0输入定子磁链矢量和转矩预测模块6-1，分别根据公式(6.1)计算下一时刻的定子磁链矢量ψs1(k+1)、ψs2(k+1)、ψs0(k+1)和下一时刻的转矩Te1(k+1)、Te2(k+1)、Te0(k+1)；
Figure BDA0002593461040000071
进一步的，将三个电压矢量的定子磁链矢量预测值和转矩预测值输入误差计算模块6-2，根据公式(6.2)分别计算下一时刻的定子磁链矢量幅值与定子磁链参考幅值的误差Δψs1、Δψs2、Δψs0，下一时刻的转矩与参考转矩的误差ΔTe1、ΔTe2、ΔTe0；
Figure BDA0002593461040000072
式(6.1)和式(6.2)中，i取值为1，2，0，分别代表第一个非零电压矢量，第二个非零电压矢量以及零电压矢量，式(6.1)中，Rs为定子电阻值，is(k)为k时刻的定子电流值；
进一步的，将转矩误差ΔTe1、ΔTe2、ΔTe0和磁链误差Δψs1、Δψs2、Δψs0输入占空比计算模块6-3，利用转矩和磁链同时无差拍原理，根据公式(6.3)计算第一个非零电压矢量Uopt1的占空比dopt1，根据公式(6.4)计算第二个非零电压矢量Uopt2的占空比dopt2，根据公式(6.5)计算零电压矢量Uopt0的占空比dopt0；
Figure BDA0002593461040000081
Figure BDA0002593461040000082
dopt0＝1-dopt1-dopt2 (6.5)
其中：C＝m1(n2-n0)+m2(n0-n1)+m0(n1-n2) (6.6)
式(6.3)、(6.4)、(6.6)中，m1代表ΔTe1，m2代表ΔTe2，m0代表ΔTe0，n1代表Δψs1，n2代表Δψs2，n0代表Δψs0；
步骤(5)中的新型开关表如下表表示：
表1新型开关表
Figure BDA0002593461040000083
表1中U0(000)、U1(100)、U2(110)、U3(010)、U4(011)、U5(001)、U6(101)为三相逆变器的输出电压矢量，I、II、III、IV、V、VI为6个扇区。
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，应当指出：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)

1.一种基于新型开关表的永磁同步电机三矢量模型预测转矩控制方法，其特征在于包含以下步骤：
步骤(1)：计算参考转矩Te *：将参考转速n*与实际反馈转速n的差值en输入转速PI控制器，根据公式(1.1)获得参考转矩Te *；
Figure FDA0002593461030000011
式(1.1)中，KP和KI分别为转速PI控制器的比例增益和积分增益；
步骤(2)：计算定子磁链参考幅值ψs *：根据最大转矩电流比原理，将获得的参考转矩Te *输入定子磁链参考幅值计算模块，根据公式(2.1)计算定子磁链参考幅值ψs *；
Figure FDA0002593461030000012
式(2.1)中，Ls为永磁同步电机同步电感，ψf为永磁体磁链幅值，p为永磁同步电机极对数；
步骤(3)：计算k时刻的转矩Te(k)和定子磁链矢量在α-β轴的分量ψsα(k)和ψsβ(k)：通过电流传感器获取k时刻的三相定子电流ia、ib、ic，根据公式(3.1)计算k时刻定子电流的d-q分量id和iq，根据公式(3.2)计算k时刻的转矩Te(k)，根据公式(3.3)计算k时刻的定子磁链矢量在α-β轴的分量ψsα(k)和ψsβ(k)；
Figure FDA0002593461030000013
式(3.1)中，ia、ib和ic为定子绕组三相电流，θr为转子位置角；
Figure FDA0002593461030000014
Figure FDA0002593461030000015
式(3.3)中，Ld为d轴电感值，Lq为q轴电感值；
步骤(4)：确定定子磁链矢量ψs(k)所在扇区：根据公式(4.1)计算k时刻的定子磁链矢量ψs(k)的空间相位角；
Figure FDA0002593461030000021
式(4.1)中，θs为定子磁链矢量ψs(k)所在的空间相位角，将θs按[0,π/3)、[π/3,2π/3)、[2π/3,π)、[π,4π/3)、[4π/3,5π/3)、[5π/3,2π)划分为6个扇区，分别编号为I、II、III、IV、V、VI；
步骤(5)：通过新型开关表选择三个电压矢量：根据公式(5.1)计算k时刻的转矩Te(k)与参考转矩Te *之间的差值ΔTe，将转矩差值ΔTe以及定子磁链矢量ψs(k)所在扇区输入新型开关表模块，通过查询新型开关表直接选择两个非零电压矢量Uopt1、Uopt2以及一个零电压矢量Uopt0；
ΔTe＝Te *-Te(k) (5.1)
步骤(6)：三个电压矢量占空比计算：利用转矩和定子磁链同时无差拍原理计算三个电压矢量在一个控制周期内的占空比，从而有效减小转矩脉动以及磁链脉动。
2.根据权利要求1所述的基于新型开关表的永磁同步电机三矢量模型预测转矩控制方法，其特征在于，步骤(5)中新型开关表模块在获得转矩差值ΔTe和定子磁链矢量ψs(k)所在扇区后，按照下述关系选择两个非零电压矢量Uopt1、Uopt2以及一个零电压矢量Uopt0：
(1)ΔTe≥0时：
①θs位于扇区I，Uopt1、Uopt2、Uopt0的选择分别为U2(110)、U3(010)、U0(000)；
②θs位于扇区II，Uopt1、Uopt2、Uopt0的选择分别为U3(010)、U4(011)、U0(000)；
③θs位于扇区III，Uopt1、Uopt2、Uopt0的选择分别为U4(011)、U5(001)、U0(000)；
④θs位于扇区IV，Uopt1、Uopt2、Uopt0的选择分别为U5(001)、U6(101)、U0(000)；
⑤θs位于扇区V，Uopt1、Uopt2、Uopt0的选择分别为U6(101)、U1(100)、U0(000)；
⑥θs位于扇区VI，Uopt1、Uopt2、Uopt0的选择分别为U1(100)、U2(110)、U0(000)；
(2)ΔTe＜0时：
①θs位于扇区I，Uopt1、Uopt2、Uopt0的选择分别为U5(001)、U6(101)、U0(000)；
②θs位于扇区II，Uopt1、Uopt2、Uopt0的选择分别为U6(101)、U1(100)、U0(000)；
③θs位于扇区III，Uopt1、Uopt2、Uopt0的选择分别为U1(100)、U2(110)、U0(000)；
④θs位于扇区IV，Uopt1、Uopt2、Uopt0的选择分别为U2(110)、U3(010)、U0(000)；
⑤θs位于扇区V，Uopt1、Uopt2、Uopt0的选择分别为U3(010)、U4(011)、U0(000)；
⑥θs位于扇区VI，Uopt1、Uopt2、Uopt0的选择分别为U4(011)、U5(001)、U0(000)。
3.根据权利要求1所述的基于新型开关表的永磁同步电机三矢量模型预测转矩控制方法，其特征在于，步骤(6)中所述三个电压矢量占空比计算，具体方法是：通过新型开关表选择两个非零电压矢量Uopt1、Uopt2以及一个零电压矢量Uopt0后，将Uopt1、Uopt2、Uopt0分别代入公式(6.1)计算下一时刻的定子磁链矢量ψs1(k+1)、ψs2(k+1)、ψs0(k+1)和下一时刻的转矩Te1(k+1)、Te2(k+1)、Te0(k+1)，根据公式(6.2)分别计算下一时刻的定子磁链矢量幅值与定子磁链参考幅值的误差Δψs1、Δψs2、Δψs0和下一时刻的转矩与参考转矩的误差ΔTe1、ΔTe2、ΔTe0，利用转矩和磁链同时无差拍原理，根据公式(6.3)计算第一个非零电压矢量Uopt1的占空比dopt1，根据公式(6.4)计算第二个非零电压矢量Uopt2的占空比dopt2，根据公式(6.5)计算零电压矢量Uopt0的占空比dopt0；
Figure FDA0002593461030000031
Figure FDA0002593461030000032
式(6.1)和式(6.2)中，i取值为1，2，0，分别代表第一个非零电压矢量，第二个非零电压矢量以及零电压矢量，式(6.1)中，Rs为定子电阻值，is(k)为k时刻的定子电流值；
Figure FDA0002593461030000033
Figure FDA0002593461030000034
dopt0＝1-dopt1-dopt2 (6.5)
其中：C＝m1(n2-n0)+m2(n0-n1)+m0(n1-n2) (6.6)
式(6.3)、(6.4)、(6.6)中，m1代表ΔTe1，m2代表ΔTe2，m0代表ΔTe0，n1代表Δψs1，n2代表Δψs2，n0代表Δψs0。
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