CN113411028A - 永磁同步电机模型预测控制方法、装置、电子设备和介质 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及电机技术领域，公开了一种永磁同步电机模型预测控制方法、装置、电子设备和介质。该方法包括：采样获取任意k时刻的PMSM的参数，并基于参数进行坐标转换得到dq轴电流；基于dq轴电流计算k+1和k+2时刻PMSM的定子电流，并根据k+2时刻PMSM的定子电流获取PMSM的定子磁链幅值以及转矩预测模型；基于定子磁链幅值以及转矩预测模型确定最终PMSM的代价函数；将最小的最终PMSM的代价函数对应的电压矢量用于控制永磁同步电机。实施本发明实施例，可以避免预测控制下权重系数复杂的整定过程，又能有效地减小PMSM转矩纹波和定子电流总谐波畸变率，提高系统的稳态性能。

Description

永磁同步电机模型预测控制方法、装置、电子设备和介质

技术领域

本发明涉及电机技术领域，具体涉及一种永磁同步电机模型预测控制方法、装置、电子设备和介质。

背景技术

永磁同步电机(PMSM)由于具有体积小、功率密度高、效率高、可靠性高等优点，因此广泛地应用于航天航空、电动汽车、高铁牵引系统等各个领域。

目前，PMSM控制方法主要有矢量控制和直接转矩控制。矢量控制主要是利用直流电动机的控制思想，将三相电流分解为转矩电流和励磁电流，从而可以实现电流的解耦，因此其矢量控制能表现出和直流电动机调速系统一样好的性能，但是在矢量控制中需要进行坐标变换，且对转矩的响应较慢。直接转矩控制是通过转矩、磁链这两个滞环比较器以及开关矢量表来确定作用于逆变器的驱动信号，和矢量控制相比，直接转矩控制响应快速，对电机参数依赖程度较小，结构简单，同时也省去了坐标变换，为计算带来方便，但是仍然具有明显的转矩和磁链脉动大的缺点。

随着数字信号处理器计算性能的快速提升，模型预测控制凭借其原理简单，动态响应快，能够进行多目标控制等优点而受到了广泛关注。这种控制方法不但相对矢量控制拥有更好的动态性能，而且在稳态性能上优于直接转矩控制，且仍有提升空间。

PMSM模型预测控制一般包含转矩和磁链两个控制目标，这两者独立发挥作用却又相互制约，综合协调它们的关系是实现良好模型预测控制的关键。有限控制集模型预测控制的代价函数是实现最优电压矢量选择的关键环节，代价函数中的各项需要分配权重系数，其作用是调节该项与其他控制目标之间的重要性或者确定代价函数中的权重关系。正确设计合理的权重系数对于选择电压矢量、实现控制目标、保证系统良好的动态和稳态性能十分重要。传统预测控制下的PMSM转矩纹波和电流畸变较明显，且其代价函数中权重系数设计多以试凑为主。

目前在永磁同步电机控制方法上存在的缺陷：

1.矢量控制采用空间矢量调制产生所需的电压矢量，当系统工作于低载波比调制方式下，永磁同步电机将会产生大量电流谐波,不利于系统的稳定运行。此外，由于其电流内环一般基于比例积分(PI)控制器设计，存在积分饱和、交直轴电流控制相互影响以及系统的约束不好处理等问题，导致其电流环动态响应能力受限，无法进一步提高。

2.直接转矩控制中直接转矩开关表是针对某特定工况提前设定好的，而电动汽车工况复杂频繁多变，在其全工况运行下此方法的控制性能难以保持最优。此外，其转矩脉动较大，不能很好地满足电动汽车驱动等对稳定转矩控制的要求。

3.现有的永磁同步电机模型预测控制方法大都需要设计权重因子，传统方法在大量试凑或实验的基础上确定固定的权重分配，这要求设计者在动态性能、稳态性能及开关性能上作出妥协和让步。

文献[郭磊磊，章凯旋，王华清，等.一种永磁同步电机无权重因子预测转矩控制方法[J].轻工学报，2019，34(06)：80-88]将转矩误差和定子磁链误差转化为标幺值，并基于标幺值提出了一种新的代价函数，消除了权重因子的影响，但该方法需要准确获得代价函数最大值和最小值，且该方法对离群值十分敏感，当出现离群值时，代价函数最大值和最小值将会受到影响，控制效果较差。

申请号为201910399476.X的中国发明专利公开了一种基于标幺化的永磁同步电机无权重系数预测转矩控制方法，其通过对转矩和磁链的代价函数进行标准差标幺化，实现了永磁同步电机的无权重系数预测转矩控制，但该方法需要计算平均值和标准差，且当代价函数出现离群值时，利用该标准化方法进行标准化的数据并不理想。

申请号为201910398672.5的中国发明专利公开了一种永磁同步电机无权重系数预测转矩控制方法，其通过对转矩和磁链的代价函数进行二范数标准化，实现永磁同步电机的无权重系数控制，但该方法需要对每一个控制目标计算出准确的L2范数值，且当代价函数中新增控制约束项时，就需要重新计算一次L2范数，新的代价函数需要重新定义。

发明内容

针对所述缺陷，本发明实施例公开了一种永磁同步电机模型预测控制方法、装置、电子设备和介质，可以避免预测控制下权重系数复杂的整定过程，又能有效地减小PMSM转矩纹波和定子电流总谐波畸变率，提高系统的稳态性能。

本发明实施例第一方面公开一种永磁同步电机模型预测控制方法，所述方法包括：

采样获取任意k时刻的PMSM的参数，所述参数包括三相电流、角速度以及转子位置；并基于所述参数进行坐标转换得到dq轴电流；

基于所述dq轴电流计算k+1时刻PMSM的定子电流，并根据所述k+1时刻PMSM的定子电流获取PMSM的定子磁链初始幅值以及转矩预测初始模型；

基于所述k+1时刻PMSM的定子电流计算k+2时刻PMSM的定子电流，用于延时补偿，并根据所述k+2时刻PMSM的定子电流获取PMSM的定子磁链幅值以及转矩预测模型；

基于所述定子磁链幅值以及转矩预测模型分别得到PMSM的转矩和磁链的代价函数，并根据所述PMSM的转矩和磁链的代价函数得到最终PMSM的代价函数；

将最小的最终PMSM的代价函数对应的电压矢量作为最优矢量，并将最优矢量用于控制永磁同步电机。

作为一种可选的实施方式，在本发明实施例第一方面中，采样获取k时刻的PMSM的参数，所述参数包括三相电流、角速度以及转子位置；并基于所述参数进行坐标转换得到dq轴电流，包括：

在k时刻，分别对PMSM的三相输出电流i_a、i_b、i_c，角速度ω_r、转子位置θ进行采样，然后根据坐标变换得到两相旋转坐标系下的dq轴电流i_d和i_q：

PMSM在旋转坐标系下的定子电流状态方程为：

式中，i_d，i_q分别为PMSM的直轴电流分量和交轴电流分量；R_s为定子电阻，L_d和L_q分别为定子直轴电感分量和定子交轴电感分量，ω_r为转子的电角速度，ψ_f为转子永磁体磁链，θ为转子的角度；u_d和u_q分别为旋转坐标系下第i个电压矢量V_i对应的直轴电压分量和交轴电压分量，下标i＝0，1，…，7，V_dc为直流母线电压。

作为一种可选的实施方式，在本发明实施例第一方面中，基于所述dq轴电流计算k+1时刻PMSM的定子电流，并根据所述k+1时刻PMSM的定子电流获取PMSM的定子磁链初始幅值以及转矩预测初始模型，包括：

采用一阶欧拉离散法对式(2)进行离散化，得到：

其中，i_di(k+1)和i_qi(k+1)分别为k+1时刻PMSM的第i个直轴电流分量和交轴电流分量；i_d(k)和i_q(k)分别为k时刻PMSM的直轴电流分量和交轴电流分量；T_s为时间常数；

PMSM的定子磁链预测模型为：

其中，ψ_di(k+1)和ψ_qi(k+1)分别为k+1时刻PMSM的第i个直轴定子磁链幅值分量和交轴定子磁链幅值分量；

因此，PMSM的定子磁链幅值为：

其中，ψ_si(k+1)为k+1时刻PMSM的第i个定子磁链幅值；

PMSM的转矩预测模型为：

其中，T_ei(k+1)为k+1时刻PMSM的第i个转矩值，n_p为PMSM的极对数。

作为一种可选的实施方式，在本发明实施例第一方面中，基于所述k+1时刻PMSM的定子电流计算k+2时刻PMSM的定子电流，用于延时补偿，并根据所述k+2时刻PMSM的定子电流获取PMSM的定子磁链幅值以及转矩预测模型，包括：

计算得到k+2时刻PMSM的定子电流：

其中，i_di(k+2)和i_qi(k+2)分别为k+2时刻PMSM的第i个直轴电流分量和交轴电流分量；

PMSM的定子磁链预测模型为：

其中，ψ_di(k+2)和ψ_qi(k+2)分别为k+2时刻PMSM的第i个直轴定子磁链幅值分量和交轴定子磁链幅值分量；

因此，PMSM的定子磁链幅值为：

其中，ψ_si(k+2)为k+2时刻PMSM的第i个定子磁链幅值；

PMSM的转矩预测模型为：

其中，T_ei(k+2)为k+2时刻PMSM的第i个转矩值。

作为一种可选的实施方式，在本发明实施例第一方面中，基于所述定子磁链幅值以及转矩预测模型分别得到PMSM的转矩和磁链的代价函数，包括：

获取PMSM的转矩和磁链的代价函数：

其中，g_Ti和g_ψi分别为PMSM的第i个转矩代价函数和磁链代价函数；T_eref为转矩参考值，ψ_sref为磁链参考值；转矩参考值T_eref根据负载要求设定，磁链参考值由式(13)获得：

其中，L_s为PMSM的定子电感。

作为一种可选的实施方式，在本发明实施例第一方面中，根据所述PMSM的转矩和磁链的代价函数得到最终PMSM的代价函数，包括：

对式(11)和(12)进行简单的代价函数变换，得到一个新的无需权重系数的代价函数：

C_i＝G_Ti+G_ψi (14)

其中，C_i为PMSM的第i个代价函数；G_Ti和G_ψi分别为PMSM的第i个转矩代价变换函数和磁链代价变换函数，且：

因此，最终PMSM的代价函数为：

其中，a₁和a₂分别是满足使得max(|G_Ti|)<1和max(|G_ψi|)<1成立的最小整数。

本发明实施例第二方面公开一种永磁同步电机模型预测控制装置，其包括：

采样单元，用于采样获取任意k时刻的PMSM的参数，所述参数包括三相电流、角速度以及转子位置；并基于所述参数进行坐标转换得到dq轴电流；

预测单元，用于基于所述dq轴电流计算k+1时刻PMSM的定子电流，并根据所述k+1时刻PMSM的定子电流获取PMSM的定子磁链初始幅值以及转矩预测初始模型；

补偿单元，用于基于所述k+1时刻PMSM的定子电流计算k+2时刻PMSM的定子电流，用于延时补偿，并根据所述k+2时刻PMSM的定子电流获取PMSM的定子磁链幅值以及转矩预测模型；

计算单元，用于基于所述定子磁链幅值以及转矩预测模型分别得到PMSM的转矩和磁链的代价函数，并根据所述PMSM的转矩和磁链的代价函数得到最终PMSM的代价函数；

确定单元，用于将最小的最终PMSM的代价函数对应的电压矢量作为最优矢量，并将最优矢量用于控制永磁同步电机。

本发明实施例第三方面公开一种电子设备，包括：存储有可执行程序代码的存储器；与所述存储器耦合的处理器；所述处理器调用所述存储器中存储的所述可执行程序代码，用于执行本发明实施例第一方面公开的一种永磁同步电机模型预测控制方法。

本发明实施例第四方面公开一种计算机可读存储介质，其存储计算机程序，其中，所述计算机程序使得计算机执行本发明实施例第一方面公开的一种永磁同步电机模型预测控制方法。

与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：

本发明针对永磁同步电机，提供一种简化的永磁同步电机模型预测控制方法，既简化了系统的设计，避免了预测控制下权重系数复杂的整定过程，又能有效地减小PMSM转矩纹波和定子电流总谐波畸变率，提高系统的稳态性能。该方法实际上属于一种消除权重因子的永磁同步电机模型预测控制方法，该方法首先对转矩和磁链使用两个单独的代价函数，然后通过改写代价函数来避免代价函数中权重因子的整定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例公开的一种永磁同步电机模型预测控制方法的原理框图；

图2是本发明实施例公开的一种永磁同步电机模型预测控制方法的流程示意图；

图3是本发明实施例公开的一种永磁同步电机模型预测控制装置的结构示意图；

图4是本发明实施例公开的一种电子设备的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定顺序。本发明实施例的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，示例性地，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明实施例提供一种简化的永磁同步电机模型预测控制方法，既简化了系统的设计，避免了预测控制下权重系数复杂的整定过程，又能有效地减小PMSM转矩纹波和定子电流总谐波畸变率，提高系统的稳态性能。该方法实际上属于一种消除权重因子的永磁同步电机模型预测控制方法，该方法首先对转矩和磁链使用两个单独的代价函数，然后通过改写代价函数来避免代价函数中权重因子的整定，以下结合附图进行详细描述。

实施例一

本发明的模型预测电流控制框图如图1和2所示，具体实施步骤说明如下：

步骤1、采样PMSM的三相电流i_a、i_b、i_c，角速度ω_r，转子位置θ：

在k时刻，分别对PMSM的三相输出电流i_a、i_b、i_c，角速度ω_r、转子位置θ进行采样，然后根据坐标变换得到两相旋转坐标系下的dq轴电流i_d和i_q：

PMSM在旋转坐标系下的定子电流状态方程为：

式中，式中，i_d，i_q分别为PMSM的直轴电流分量和交轴电流分量；R_s为定子电阻，L_d和L_q分别为定子直轴电感分量和定子交轴电感分量，ω_r为转子的电角速度，ψ_f为转子永磁体磁链，θ为转子的角度；u_d和u_q分别为旋转坐标系下第i个电压矢量V_i对应的直轴电压分量和交轴电压分量，下标i＝0，1，…，7，V_dc为直流母线电压，不同开关状态下的输出电压矢量数值如表1所示。

表1电压源逆变器不同开关状态下输出电压

步骤2、计算k+1时刻PMSM的定子电流、磁链和转矩：

采用一阶欧拉离散法对式(2)进行离散化，可以得到：

PMSM的定子磁链预测模型为：

因此，PMSM的定子磁链幅值为

PMSM的转矩预测模型为：

式中，n_p为PMSM的极对数。

步骤3、计算k+2时刻PMSM的定子电流、磁链和转矩：

为了对一步延时进行补偿，可以计算得到k+2时刻PMSM的定子电流：

PMSM的定子磁链预测模型为：

因此，PMSM的定子磁链幅值为

PMSM的转矩预测模型为：

步骤4、设计转矩和磁链的代价函数：

PMSM的转矩和磁链的代价函数可以分别设计为：

g_Ti＝|T_eref-T_ei(k+2)| (27)

g_ψi＝|ψ_sref-ψ_si(k+2)| (28)

式中，T_eref为转矩参考值，ψ_sref为磁链参考值。转矩参考值T_eref根据负载要求设定，磁链参考值可由式(29)获得

对式(27)和(28)进行简单的代价函数变换，可以得到一个新的无需权重系数的代价函数。

C_i＝G_Ti+G_ψi (30)

式中，

因此，最终的代价函数可表示为：

式中，a₁和a₂分别是满足使得max(|G_Ti|)<1和max(|G_ψi|)<1成立的最小整数。假设转矩的代价函数g_Ti的值由0.3变化到4.4，它的最大值为4.4，因此本发明的方法用10(即a₁＝1)除以每个值，这样4.4就会被标准化为0.44，同理我们可以对磁链的代价函数g_ψi进行处理。特别要说明地是，本发明方法通过移动数据的小数点位置就可以将不同的量纲转化为相同的量纲，且小数点移动的位数取决于代价函数值中的最大绝对值，最终能够避免权重系数的整定过程。

步骤5、将最小的最终PMSM的代价函数对应的电压矢量作为最优矢量，并将最优矢量用于控制永磁同步电机。

比较最终PMSM代价函数C_i的值，将最小的PMSM代价函数C_i对应的电压矢量Vi(V_a，V_b，V_c)作为最优电压矢量，根据最优矢量确定最优开关状态，通过最优开关状态得到的最优占空比来控制永磁同步电机。

本发明与背景技术中的文献相比，优点在于：

其中，相较于文献[郭磊磊，章凯旋，王华清，等.一种永磁同步电机无权重因子预测转矩控制方法[J].轻工学报，2019，34(06)：80-88](以下称方法1)，本发明的方法不需要准确获得代价函数最小值，且该方法对离群值不敏感，离群值的出现不会导致控制效果变差。相较于申请号为201910399476.X的中国发明专利(以下称方法2)，本发明的方法不需要准确获得平均值和标准差，且当代价函数出现离群值时，利用本发明方法进行标准化的数据更加理想。相较于申请号为201910398672.5的中国发明专利(以下称方法3)，本发明的方法不需要计算出准确的L2范数值，且当代价函数中新增控制约束项时，本发明的代价函数也不需要重新计算L2范数值。因此，本发明方法通过简单地构造代价函数，无需获得准确的代价函数最大值，最小值，平均值，标准差，L2范数值，就能够将不同量纲的转矩和磁链转换为相同的量纲，从而避免权重系数复杂的整定过程，简化系统的设计，且有效减小转矩纹波和定子电流总谐波畸变率，提高系统的稳态性能。

为了更加直观地阐述本发明方法的有效性，将本发明方法与前述3个方法进行对比分析：

在8个开关状态下，给定转矩代价函数值g_Ti＝[1.930，3.505，1.046，0.527，0.357，2.816，4.390，1.930]，磁链代价函数值g_ψi＝[3.5，5.7，8.4，0.7，12.6，15.4，6.2，3.5]，通过计算可以得到，方法1的转矩误差在0～1(Nm)之间，磁链误差在0～0.8095(mWb)之间，方法2的转矩误差在-1.1892～1.6226(Nm)之间，磁链误差在-1.2769～1.7025(mWb)之间，方法3的转矩误差在0.0513～0.6308(Nm)之间，磁链误差在0.0295～0.6494(mWb)之间，本发明方法中的转矩误差在0.0357～0.4390(Nm)范围波动，磁链误差在0.0070～0.1540(mWb)之间。为便于分析，当转矩误差在0～1(Nm)之间，磁链误差在0～0.8095(mWb)之间时，记转矩误差最大值为1Nm，磁链误差最大值为0.8095mWb，同理用于其他方法，如表2所示。因此，相较于其他方法，本发明方法的转矩误差和磁链误差均更小，则本发明方法控制精度更高。

表2性能比较

	最大转矩误差(Nm)	最大磁链误差(mWb)
			方法1	1	0.8095
方法2	2.8118	2.9794
			方法3	0.5795	0.6199
本发明方法	0.4033	0.147

实施例二

实施例二提供一种永磁同步电机模型预测控制装置，为上述实施例一对应的虚拟装置，请参照图3所示，其包括：

采样单元110，用于采样获取任意k时刻的PMSM的参数，所述参数包括三相电流、角速度以及转子位置；并基于所述参数进行坐标转换得到dq轴电流；

预测单元120，用于基于所述dq轴电流计算k+1时刻PMSM的定子电流，并根据所述k+1时刻PMSM的定子电流获取PMSM的定子磁链初始幅值以及转矩预测初始模型；

补偿单元130，用于基于所述k+1时刻PMSM的定子电流计算k+2时刻PMSM的定子电流，用于延时补偿，并根据所述k+2时刻PMSM的定子电流获取PMSM的定子磁链幅值以及转矩预测模型；

计算单元140，用于基于所述定子磁链幅值以及转矩预测模型分别得到PMSM的转矩和磁链的代价函数，并根据所述PMSM的转矩和磁链的代价函数得到最终PMSM的代价函数；

确定单元150，用于将最小的最终PMSM的代价函数对应的电压矢量作为最优矢量，并将最优矢量用于控制永磁同步电机。

实施例三

请参阅图4，图4是本发明实施例公开的一种电子设备的结构示意图。如图4所示，该电子设备可以包括：

存储有可执行程序代码的存储器210；

与存储器210耦合的处理器220；

其中，处理器220调用存储器210中存储的可执行程序代码，执行实施例一公开的一种永磁同步电机模型预测控制方法中的部分或全部步骤。

本发明实施例公开一种计算机可读存储介质，其存储计算机程序，其中，该计算机程序使得计算机执行实施例一公开的一种永磁同步电机模型预测控制方法中的部分或全部步骤。

本发明实施例还公开一种计算机程序产品，其中，当计算机程序产品在计算机上运行时，使得计算机执行实施例一公开的一种永磁同步电机模型预测控制方法中的部分或全部步骤。

本发明实施例还公开一种应用发布平台，其中，应用发布平台用于发布计算机程序产品，其中，当计算机程序产品在计算机上运行时，使得计算机执行实施例一公开的一种永磁同步电机模型预测控制方法中的部分或全部步骤。

在本发明的各种实施例中，应理解，所述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的必然先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。所述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元若以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可获取的存储器中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或者部分，可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储器中，包括若干请求用以使得一台计算机设备(可以为个人计算机、服务器或者网络设备等，具体可以是计算机设备中的处理器)执行本发明的各个实施例所述方法的部分或全部步骤。

在本发明所提供的实施例中，应理解，“与A对应的B”表示B与A相关联，根据A可以确定B。但还应理解，根据A确定B并不意味着仅仅根据A确定B，还可以根据A和/或其他信息确定B。

本领域普通技术人员可以理解所述实施例的各种方法中的部分或全部步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质包括只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存储器(RandomAccess Memory，RAM)、可编程只读存储器(Programmable Read-only Memory，PROM)、可擦除可编程只读存储器(Erasable Programmable Read-Only Memory，EPROM)、一次可编程只读存储器(One-timeProgrammable Read-Only Memory，OTPROM)、电子抹除式可复写只读存储器(Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM)、只读光盘(CompactDisc Read-Only Memory，CD-ROM)或其他光盘存储器、磁盘存储器、磁带存储器、或者能够用于携带或存储数据的计算机可读的任何其他介质。

以上对本发明实施例公开的一种永磁同步电机模型预测控制方法、装置、电子设备和介质进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种永磁同步电机模型预测控制方法，其特征在于，其包括以下步骤：

采样获取任意k时刻的PMSM的参数，所述参数包括三相电流、角速度以及转子位置；并基于所述参数进行坐标转换得到dq轴电流；

基于所述dq轴电流计算k+1时刻PMSM的定子电流，并根据所述k+1时刻PMSM的定子电流获取PMSM的定子磁链初始幅值以及转矩预测初始模型；

基于所述k+1时刻PMSM的定子电流计算k+2时刻PMSM的定子电流，用于延时补偿，并根据所述k+2时刻PMSM的定子电流获取PMSM的定子磁链幅值以及转矩预测模型；

基于所述定子磁链幅值以及转矩预测模型分别得到PMSM的转矩和磁链的代价函数，并根据所述PMSM的转矩和磁链的代价函数得到最终PMSM的代价函数；

将最小的最终PMSM的代价函数对应的电压矢量作为最优矢量，并将最优矢量用于控制永磁同步电机。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机模型预测控制方法，其特征在于，采样获取k时刻的PMSM的参数，所述参数包括三相电流、角速度以及转子位置；并基于所述参数进行坐标转换得到dq轴电流，包括：

在k时刻，分别对PMSM的三相输出电流i_a、i_b、i_c，角速度ω_r、转子位置θ进行采样，然后根据坐标变换得到两相旋转坐标系下的dq轴电流i_d和i_q：

PMSM在旋转坐标系下的定子电流状态方程为：

式中，i_d，i_q分别为PMSM的直轴电流分量和交轴电流分量；R_s为定子电阻，L_d和L_q分别为定子直轴电感分量和定子交轴电感分量，ω_r为转子的电角速度，ψ_f为转子永磁体磁链，θ为转子的角度；u_d和u_q分别为旋转坐标系下第i个电压矢量V_i对应的直轴电压分量和交轴电压分量，下标i＝0，1，…，7，V_dc为直流母线电压。

3.根据权利要求2所述的永磁同步电机模型预测控制方法，其特征在于，基于所述dq轴电流计算k+1时刻PMSM的定子电流，并根据所述k+1时刻PMSM的定子电流获取PMSM的定子磁链初始幅值以及转矩预测初始模型，包括：

采用一阶欧拉离散法对式(2)进行离散化，得到：

其中，i_di(k+1)和i_qi(k+1)分别为k+1时刻PMSM的第i个直轴电流分量和交轴电流分量；i_d(k)和i_q(k)分别为k时刻PMSM的直轴电流分量和交轴电流分量；T_s为时间常数；

PMSM的定子磁链预测模型为：

其中，ψ_di(k+1)和ψ_qi(k+1)分别为k+1时刻PMSM的第i个直轴定子磁链幅值分量和交轴定子磁链幅值分量；

因此，PMSM的定子磁链幅值为：

其中，ψ_si(k+1)为k+1时刻PMSM的第i个定子磁链幅值；

PMSM的转矩预测模型为：

其中，T_ei(k+1)为k+1时刻PMSM的第i个转矩值，n_p为PMSM的极对数。

4.根据权利要求3所述的永磁同步电机模型预测控制方法，其特征在于，基于所述k+1时刻PMSM的定子电流计算k+2时刻PMSM的定子电流，用于延时补偿，并根据所述k+2时刻PMSM的定子电流获取PMSM的定子磁链幅值以及转矩预测模型，包括：

计算得到k+2时刻PMSM的定子电流：

其中，i_di(k+2)和i_qi(k+2)分别为k+2时刻PMSM的第i个直轴电流分量和交轴电流分量；

PMSM的定子磁链预测模型为：

其中，ψ_di(k+2)和ψ_qi(k+2)分别为k+2时刻PMSM的第i个直轴定子磁链幅值分量和交轴定子磁链幅值分量；

因此，PMSM的定子磁链幅值为：

其中，ψ_si(k+2)为k+2时刻PMSM的第i个定子磁链幅值；

PMSM的转矩预测模型为：

其中，T_ei(k+2)为k+2时刻PMSM的第i个转矩值。

5.根据权利要求4所述的永磁同步电机模型预测控制方法，其特征在于，基于所述定子磁链幅值以及转矩预测模型分别得到PMSM的转矩和磁链的代价函数，包括：

获取PMSM的转矩和磁链的代价函数：

g_Ti＝|T_eref-T_ei(k+2)| (11)

g_ψi＝|ψ_sref-ψ_si(k+2)| (12)

其中，g_Ti和g_ψi分别为PMSM的第i个转矩代价函数和磁链代价函数；T_eref为转矩参考值，ψ_sref为磁链参考值；转矩参考值T_eref根据负载要求设定，磁链参考值由式(13)获得：

其中，L_s为PMSM的定子电感。

6.根据权利要求5所述的永磁同步电机模型预测控制方法，其特征在于，根据所述PMSM的转矩和磁链的代价函数得到最终PMSM的代价函数，包括：

对式(11)和(12)进行简单的代价函数变换，得到一个新的无需权重系数的代价函数：

C_i＝G_Ti+G_ψi (14)

其中，C_i为PMSM的第i个代价函数；G_Ti和G_ψi分别为PMSM的第i个转矩代价变换函数和磁链代价变换函数，且：

因此，最终PMSM的代价函数为：

其中，a₁和a₂分别是满足使得max(|G_Ti|)<1和max(|G_ψi|)<1成立的最小整数。

7.一种永磁同步电机模型预测控制装置，其特征在于，其包括：

采样单元，用于采样获取任意k时刻的PMSM的参数，所述参数包括三相电流、角速度以及转子位置；并基于所述参数进行坐标转换得到dq轴电流；

预测单元，用于基于所述dq轴电流计算k+1时刻PMSM的定子电流，并根据所述k+1时刻PMSM的定子电流获取PMSM的定子磁链初始幅值以及转矩预测初始模型；

补偿单元，用于基于所述k+1时刻PMSM的定子电流计算k+2时刻PMSM的定子电流，用于延时补偿，并根据所述k+2时刻PMSM的定子电流获取PMSM的定子磁链幅值以及转矩预测模型；

计算单元，用于基于所述定子磁链幅值以及转矩预测模型分别得到PMSM的转矩和磁链的代价函数，并根据所述PMSM的转矩和磁链的代价函数得到最终PMSM的代价函数；

确定单元，用于将最小的最终PMSM的代价函数对应的电压矢量作为最优矢量，并将最优矢量用于控制永磁同步电机。

8.一种电子设备，其特征在于，包括：存储有可执行程序代码的存储器；与所述存储器耦合的处理器；所述处理器调用所述存储器中存储的所述可执行程序代码，用于执行权利要求1至6任一项所述的一种永磁同步电机模型预测控制方法。

9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储计算机程序，其中，所述计算机程序使得计算机执行权利要求1至6任一项所述的一种永磁同步电机模型预测控制方法。

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