CN113541546B - 一种永磁同步电机直接预测转矩控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机直接预测转矩控制方法及系统，基于八组实际空间电压矢量直接对转矩及定子磁链进行预估计算的预测模型；基于实际空间电压矢量转换时逆变器的开关次数、定子磁链幅值、转矩估计偏移量构建的绝对值构建实际空间电压矢量筛选评价函数；高并发寄存器转换级数字电路设计与Verilog编码，包括各功能电路综合模块；基于Verilog语言的RTL代码数字化测试平台，对RTL代码的功能性以及可综合性进行检测。基于本方法及FPGA实现的控制系统，使得永磁同步电机控制频率有效提高，保证较小的转矩脉动的同时，降低开关频率，延长功率器件寿命。

Description

一种永磁同步电机直接预测转矩控制方法及系统

技术领域

本发明属于永磁同步电机控制技术领域，具体涉及一种永磁同步电机直接预测转矩控制方法及系统。

背景技术

目前永磁同步电机控制方法中最常见的是电流矢量控制策略以及直接转矩控制策略，传统的电流矢量控制策略利用级联结构，通过PI控制器以及空间矢量脉宽调制，实现对速度、电流等被控对象的控制，其控制策略结构相对简单，广泛应用于各种工业领域中，占主导地位，但也存在依赖控制器参数取值、动态响应差的缺点。

而直接转矩控制方法因为其结构简单、转矩动态响应快、无需调制等特点为永磁同步电机控制提供了一种新的思路，但传统DTC依赖开关查找表，占用寄存器资源过多，且缺少定量化的控制补偿策略，相对而言转矩波动比较大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种永磁同步电机直接预测转矩控制方法及系统，使得控制频率有效提高，保证较小的转矩脉动的同时，降低开关频率，延长功率器件寿命。

本发明采用以下技术方案：

一种永磁同步电机直接预测转矩控制方法，包括以下步骤：

S1、在k时刻通过电流采样得到电机的实际三相采样电流，采用前欧拉法将永磁同步电机d q坐标系下的电压方程离散化，得到定子d、q轴电流在k+1时刻的电流预测值；

S2、建立磁链预测模型，根据步骤S1得到的k+1时刻的电流预测值预测计算k+1时刻的d、q轴磁链；

S3、根据步骤S2得到的k+1时刻的d、q轴磁链计算转矩估计偏移量；

S4、根据步骤S3得到的转矩估计偏移量构造基于评价优先级的分段式筛选评价函数，将分段式筛选评价函数最小值所对应的空间电压矢量作为k+1时刻施加于电机的最优实际空间电压矢量，输出最优空间电压矢量对应的逆变器开关组合序号，采用单步动态开关策略，八组实际空间电压矢量各自对应八种不同的逆变器开关情况，实现永磁同步电机直接预测转矩控制。

具体的，步骤S1中，定子d、q轴电流在k+1时刻的预测值

和

分别为：

其中，T_s表示离散控制周期；k表示第k个离散控制周期；i_d(k)、i_q(k)分别用于表示定子d、q轴电流在k时刻的实际值；U_d(k)、U_d(k)分别表示在k时刻施加于电机的基本电压矢量在d轴和q轴上的投影分量。

具体的，步骤S2具体为：

将八组实际空间电压矢量

分别带入对应的磁链增量表达式中得到k+1时刻永磁同步电机的八组预测磁链增量Δψ_di、Δψ_qi，再计算得到k时刻下永磁同步电机定子磁链值

通过分别累加得到k+1时刻下八组不同的实际空间电压矢量作用下的定子磁链一步预测估计值

进一步的，d、q轴预测的磁链增量表达式具体为：

其中，Δψ_d(k+1)为，Δψ_q(k+1)分别为d、q轴的预测磁链增量，L_d、L_q为d、q轴的电感，

为定子d、q轴电流在k+1时刻的预测值，ψ_r为转子磁链，R为定子内阻，ω_e为电角速度，T_s为采样周期。

具体的，步骤S3具体为：

根据永磁同步电机电磁转矩计算得到同一时刻下八组不同的实际空间电压矢量作用下的电磁转矩一步预测估计值T_ei；再将得到的八组预测转矩值T_ei分别与对应时刻下的参考转矩T_ref作差并取绝对值，得到转矩估计偏移量ΔT_i。

进一步的，永磁同步电机电磁转矩T_e为：

其中，ψ_d、ψ_q为k时刻下八组不同的实际空间电压矢量作用下的定子磁链一步预测估计值

L_d、L_q为dq轴电感，ψ_r为转子磁链，ρ为永磁同步电机的极对数。

具体的，步骤S4中，当转矩估计偏移量ΔT_i≥T_TOL时，分段式筛选评价函数J₁为：

J₁＝ΔT_i

其中，i＝1,2,...,8，T_TOL为固定参数，J₁的最小值对应的i作为选取的最优实际空间电压矢量序号。

具体的，步骤S4中，当转矩估计偏移量ΔT_i＜T_TOL时，分段式筛选评价函数J₂为：

J₂＝|ψ_i|·K_i'

其中，i＝1,2,...,8，T_TOL为固定参数，|ψ_i|为定子估计磁链的幅值，K_ij'为基于上一次开关状态的开关变化次数的非零参考值，J₂的最小值对应的i作为选取的最优实际空间电压矢量序号。

具体的，步骤S4中，分段式筛选评价函数中的开关次数矩阵K为：

其中，行数i代表当前实际空间电压矢量的序号，j列代表上一次施加于电机的实际空间电压矢量的序号；

开关次数的非零参考值矩阵K'为：

本发明的另一技术方案是，一种永磁同步电机直接预测转矩控制系统，包括：

预测模块，在k时刻通过电流采样得到电机的实际三相采样电流，对k+1时刻的电流值进行预测，采用前欧拉法将永磁同步电机d q坐标系下的电压方程离散化，得到k+1时刻的电流预测值；

计算模块，建立磁链预测模型，根据预测模块得到的k+1时刻的预测值预测计算k+1时刻的d、q轴磁链；

偏移模块，通过计算模块得到的k+1时刻的d、q轴磁链计算转矩估计偏移量；

控制模块，根据偏移模块得到的转矩估计偏移量构造基于评价优先级的分段式筛选评价函数，将分段式筛选评价函数最小值所对应的空间电压矢量作为k+1时刻施加于电机的最优实际空间电压矢量，输出最优空间电压矢量对应的逆变器开关组合序号，采用单步动态开关策略，八组实际空间电压矢量各自对应八种不同的逆变器开关情况，实现永磁同步电机直接预测转矩控制。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种永磁同步电机直接预测转矩控制方法，在直接转矩控制算法的基础上，弃用传统直接转矩控制中使用滞环控制器以及开关表的控制模式，引入直接对转矩及定子磁链进行预测估计的基于八组实际空间电压矢量的预测模型及筛选评价函数，并利用FPGA高并行运算以及流水线处理的优势，提高控制频率的同时，减少转矩脉动，且因为单步动态开关策略的存在，不同于SVPWM脉宽调制策略中开关频率固定且随控制频率变高而变高，其开关频率是动态变化的，即在某些不需要频繁开关的工况下可以选择保持原开关状态的策略，降低开关频率，延长功率器件寿命。

进一步的，计算定子d、q轴电流在k+1时刻的预测值

和

是由于在k时刻通过电流采样得到电机的实际电流值与下一控制时刻存在计算延迟，因此无法直接用于k+1时刻的空间电压矢量的计算，需要对采样电流进行一步预测计算。

进一步的，计算k+1时刻下八组不同的实际空间电压矢量作用下的磁链一步预测估计值

其目的是通过磁链估计来对转矩进行估计，进而实现转矩控制的目的。

进一步的，计算d、q轴的预测磁链增量Δψ_d(k+1)、Δψ_q(k+1)，是由于d、q轴的预测磁链增量可以通过定子d、q轴电流在k+1时刻的预测值

和

计算得出，从而通过分别累加得到k+1时刻下八组不同的实际空间电压矢量作用下的磁链一步预测估计值

进一步的，计算转矩估计偏移量ΔT_i，其目的是通过对比同一控制时刻下预测转矩值T_ei与参考转矩T_ref的误差，作为分段式筛选评价函数的重要参考变量，可以直接确定转矩误差最小的空间电压矢量，实现直接转矩控制的目的。

进一步的，计算永磁同步电机预测转矩值T_ei，其目的是推导并计算出转矩估计偏移量ΔT_i。

进一步的，分段式筛选评价函数J₁设置的目的是，通过该函数筛选出大于转矩容限T_TOL的各转矩估计偏移量ΔT_i当中，转矩估计偏移量的绝对值最小的所对应的空间电压矢量。

进一步的，分段式筛选评价函数J₂设置的目的是，通过该函数筛选出小于转矩容限T_TOL的各转矩估计偏移量ΔT_i当中，对应的定子估计磁链的幅值以及基于上一次开关状态的开关变化次数的非零参考值作为主要权重，来对最优空间电压矢量进行筛选，即在一定工况范围内，转矩估计偏移量已经足够小，不再作为评价标准，减少开关次数以及弱磁保护则成为主要的控制目的。

进一步的，分段式筛选评价函数中开关次数的矩阵K设置的目的是，描述控制过程中逆变器的开关次数，对于转矩容限范围以内的空间电压矢量，优先考虑开关次数最少的。而非零参考值矩阵K'的主要目的是避免零值对评价函数的影响，因此选取K非零重构矩阵K'来作为评价函数的权重。

综上所述，本发明提供了一种永磁同步电机直接预测转矩控制方法及系统，通过硬件电路优化，提高计算频率，进而使得控制频率有效提高，而直接预测转矩控制算法在对保证较小的转矩脉动的同时，降低了开关频率，延长了功率器件的寿命。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明永磁同步电机直接预测转矩控制方法及其FPGA实现的原理框图；

图2为本发明永磁同步电机直接转矩控制方法的流程图；

图3为本发明实际电磁转矩与参考转矩的仿真对比图。

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。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明提供了一种永磁同步电机直接预测转矩控制方法，基于八组实际空间电压矢量直接对转矩及定子磁链进行预估计算的预测模型；基于实际空间电压矢量转换时逆变器的开关次数、定子磁链幅值、转矩估计偏移量构建的绝对值构建实际空间电压矢量筛选评价函数；高并发寄存器转换级(RTL)数字电路设计与Verilog编码，包括各功能电路综合模块；基于Verilog语言的RTL代码数字化测试平台，对RTL代码的功能性以及可综合性进行检测。本发明使得永磁同步电机控制频率有效提高，保证较小的转矩脉动的同时，降低开关频率，延长功率器件寿命。

请参阅图1，本发明一种永磁同步电机直接预测转矩控制方法，包括直接对转矩及定子磁链进行预估计算的基于八组实际空间电压矢量的预测模型；用实际空间电压矢量转换时逆变器开关次数、定子磁链幅值、预测转矩与参考转矩之差的绝对值构建实际空间电压矢量筛选评价函数。具体步骤如下：

S1、在k时刻通过电流采样得到电机的实际三相采样电流i_abc(k)，由于实际是在k+1时刻才将空间电压矢量施加于电机，因此需要对k+1时刻的电流值进行预测，采用前欧拉法将永磁同步电机dq坐标系下的电压方程离散化，得到定子d、q轴电流在k+1时刻的电流预测值，电流预测模型表达式为：

其中，T_s表示离散控制周期；k表示第k个离散控制周期；

和

分别用于表示定子d、q轴电流在k+1时刻的预测值；i_d(k)、i_q(k)分别用于表示定子d、q轴电流在k时刻的实际值；U_d(k)、U_d(k)分别表示在k时刻施加于电机的基本电压矢量在d轴和q轴上的投影分量。

S2、根据步骤S1计算的定子d、q轴电流在k+1时刻的预测值

和

对k+1时刻的d、q轴磁链

进行预测计算，i＝1,2,...,8，预测磁链增量表达式：

其中，L_d、L_q为d、q轴电感，

为定子d、q轴电流在k+1时刻的预测值，ψ_r为转子磁链，R为定子内阻，ω_e为电角速度，T_s为采样周期，将八组实际空间电压矢量

分别带入该式中，得到k+1时刻永磁同步电机发八组磁链增量Δψ_d(k+1)、Δψ_q(k+1)，再依据式ψ_d＝L_di_d+ψ_r、ψ_q＝L_qi_q，计算得到k时刻下的永磁同步电机定子磁链值

通过分别累加，得到k+1时刻下八组不同的实际空间电压矢量作用下的定子磁链一步预测估计值，记为

S3、通过步骤S2所求得的k+1时刻下八组不同的实际空间电压矢量作用下的定子磁链一步预测估计值

对转矩估计偏移量ΔT_i进行计算，依据永磁同步电机电磁转矩公式：

计算得到同一时刻下八组不同的实际空间电压矢量作用下的电磁转矩一步预测估计值，记为T_ei，其中ψ_d、ψ_q为k时刻下八组不同的实际空间电压矢量作用下的定子磁链一步预测估计值

L_d、L_q为dq轴电感，ψ_r为转子磁链，ρ为永磁同步电机的极对数。再将得到的八组预测转矩值T_ei分别与该时刻下的参考转矩T_ref作差并取绝对值，得到转矩估计偏移量，记为ΔT_i。

S4、根据步骤S3所得到转矩估计偏移量ΔT_i，构造基于评价优先级的分段式筛选评价函数，选取k+1时刻施加于电机的最优实际空间电压矢量，并输出最优空间电压矢量所对应的逆变器开关组合序号。

分段式筛选评价函数为：

J₁＝ΔT_i

J₂＝|ψ_i|·K_i'

其中，ΔT_i≥T_TOL,i＝1,2,...,8，T_TOL为固定参数，即当转矩估计偏移量均大于该值时，优先选择J₁作为筛选评价函数，J₁的最小值所对应的i即为选取的最优实际空间电压矢量序号。若有ΔT_i＜T_TOL，则依据表达式J₂进行筛选，其中，|ψ_i|为定子估计磁链的幅值，K_ij'为基于上一次开关状态的开关变化次数的非零参考值，二者乘积的最小值对应的i即为选取的最优实际空间电压矢量序号。

筛选评价函数中表示开关次数的矩阵K的表达式为：

其中，行数i代表当前实际空间电压矢量的序号，j列代表上一次施加于电机的实际空间电压矢量的序号。

将该矩阵中的各元素n作为2的n次幂，构造开关次数的非零参考值矩阵K'，其表达式为：

采用单步动态开关策略，八组实际空间电压矢量各自对应八种不同的逆变器开关情况，本方法中每个控制周期内仅有至多一次的开关变化。

本发明再一个实施例中，提供一种永磁同步电机直接预测转矩控制系统，该系统能够用于实现上述永磁同步电机直接预测转矩控制方法，具体的，该永磁同步电机直接预测转矩控制系统包括预测模块、计算模块、偏移模块以及控制模块。

其中，预测模块，在k时刻通过电流采样得到电机的实际三相采样电流，对k+1时刻的电流值进行预测，采用前欧拉法将永磁同步电机d q坐标系下的电压方程离散化，得到k+1时刻的电流预测值；

计算模块，建立磁链预测模型，根据预测模块得到的k+1时刻的预测值预测计算k+1时刻的d、q轴磁链；

偏移模块，通过计算模块得到的k+1时刻的d、q轴磁链计算转矩估计偏移量；

控制模块，根据偏移模块得到的转矩估计偏移量构造基于评价优先级的分段式筛选评价函数，将分段式筛选评价函数最小值所对应的空间电压矢量作为k+1时刻施加于电机的最优实际空间电压矢量，输出最优空间电压矢量对应的逆变器开关组合序号，采用单步动态开关策略，八组实际空间电压矢量各自对应八种不同的逆变器开关情况，实现永磁同步电机直接预测转矩控制。

本发明再一个实施例中，提供了一种终端设备，该终端设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(Central ProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor、DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable GateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能；本发明实施例所述的处理器可以用于永磁同步电机直接预测转矩控制方法的操作，包括：

在k时刻通过电流采样得到电机的实际三相采样电流，采用前欧拉法将永磁同步电机d q坐标系下的电压方程离散化，得到定子d、q轴电流在k+1时刻的电流预测值；建立磁链预测模型，根据k+1时刻的电流预测值预测计算k+1时刻的d、q轴磁链；根据k+1时刻的d、q轴磁链计算转矩估计偏移量；根据转矩估计偏移量构造基于评价优先级的分段式筛选评价函数，将分段式筛选评价函数最小值所对应的空间电压矢量作为k+1时刻施加于电机的最优实际空间电压矢量，输出最优空间电压矢量对应的逆变器开关组合序号，采用单步动态开关策略，八组实际空间电压矢量各自对应八种不同的逆变器开关情况，实现永磁同步电机直接预测转矩控制。

本发明再一个实施例中，本发明还提供了一种存储介质，具体为计算机可读存储介质(Memory)，所述计算机可读存储介质是终端设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括终端设备中的内置存储介质，当然也可以包括终端设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作系统。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速RAM存储器，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。

可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中有关永磁同步电机直接预测转矩控制方法的相应步骤；计算机可读存储介质中的一条或一条以上指令由处理器加载并执行如下步骤：

在k时刻通过电流采样得到电机的实际三相采样电流，采用前欧拉法将永磁同步电机d q坐标系下的电压方程离散化，得到定子d、q轴电流在k+1时刻的电流预测值；建立磁链预测模型，根据k+1时刻的电流预测值预测计算k+1时刻的d、q轴磁链；根据k+1时刻的d、q轴磁链计算转矩估计偏移量；根据转矩估计偏移量构造基于评价优先级的分段式筛选评价函数，将分段式筛选评价函数最小值所对应的空间电压矢量作为k+1时刻施加于电机的最优实际空间电压矢量，输出最优空间电压矢量对应的逆变器开关组合序号，采用单步动态开关策略，八组实际空间电压矢量各自对应八种不同的逆变器开关情况，实现永磁同步电机直接预测转矩控制。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

在上述方法的基础上，本发明对所提出的方法进行了FPGA实现，并通过高并发寄存器转换级(RTL)数字电路设计与Verilog编码，采用自顶向下的模块化设计方法，设计综合出RTL硬件数字电路，其中，包括FPGA顶层模块、直接预测转矩控制方法顶层模块、ADC控制器模块、增量编码器读取模块、方法顶层模块、Prak变换模块、磁链计算模块、电角度电角速度转换模块、磁链及转矩预测估计模块(八组)、评价筛选模块、PWM脉冲产生模块，各模块之间通过模块例化进行分层嵌套；设计了串行分级运算的组合逻辑模块之间通过设计插入寄存器并进行有效的寄存器配平；并行同级运算的组合逻辑模块之间，通过设计buffer(缓存器)实现异步复位同步释放。

采用自顶向下的模块化设计方法，是从系统级开始，把系统划分为基本单元模块，然后再把每个基本单元模块划分为下一层次的基本单元，直到可以直接用EDA元件库中的基本元件来实现为止，最终将方法模型拆分为基本的电路元件并用硬件描述语言表示出来，另外整个电机控制系统除核心方法模块外，还包括了与外围电路以及传感器的交互模块，自顶向下的模块化设计可以将各子模块集成在一个顶层模块当中，节省了对外围电路的控制成本，提高了硬件集成度。

在串行分级运算的组合逻辑模块之间，即在定子磁链与电磁转矩的预测模型模块中，通过设计插入寄存器并进行有效的寄存器配平，用于实现流水线设计模式，为同样功能的组合逻辑设计提供更大的吞吐量，假设在一二级组合逻辑中，1、2并行组合逻辑中的计算结果传递到3，且组合逻辑器件具有相同的传递延迟T_pd，总的延迟就为2*T_pd，对于流水线设计来说，计算周期为(T_pd+T_co)，其中T_co为寄存器延时，则其首次延迟为2*(T_pd+T_co)，而吞吐延迟(T_pd+T_co)，一般情况下T_co＜＜T_pd，因此流水线设计对于相同功能的组合逻辑设计能提供更大的吞吐量，最终提高控制频率。

并行同级运算的组合逻辑模块之间，即在通过设计buffer(缓存器)实现异步复位同步释放，用于避免竞争冒险情况的出现，本发明中的八组磁链及转矩预测估计模块就使用高并发处理之后，再通过buffer进行缓存最后同步释放，提高计算频率的同时保证数据的完整性以及准确性。

建立基于Verilog语言的HDL测试平台(Testbench)，用于进行RTL代码的功能性验证，测试激励与仿真实际采样点保持同步，保证测试的准确性。

请参阅图2，为永磁同步电机直接预测转矩控制方法的算法流程图，算法实施流程如图所示，在硬件编程中，八组预测模型采用并行计算策略，充分发挥FPGA高并发处理的特点，提高控制频率。

请参阅图3，为实际电磁转矩与参考转矩的仿真对比图，看到在该方法中转矩跟随效果很好，且相应的转矩脉动较小，表现出良好的动态性能。

综上所述，本发明一种永磁同步电机直接预测转矩控制方法及系统，通过设计基于FPGA的硬件电路优化，提高计算频率，进而使得控制频率有效提高，而直接预测转矩控制算法在保证较小的转矩脉动的同时，降低了开关频率，延长了功率器件的寿命。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种永磁同步电机直接预测转矩控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在k时刻通过电流采样得到电机的实际三相采样电流，采用前欧拉法将永磁同步电机d q坐标系下的电压方程离散化，得到定子d、q轴电流在k+1时刻的电流预测值；

S2、建立磁链预测模型，根据步骤S1得到的k+1时刻的电流预测值预测计算k+1时刻的d、q轴磁链；

S3、根据步骤S2得到的k+1时刻的d、q轴磁链计算转矩估计偏移量，具体为：根据永磁同步电机电磁转矩计算得到同一时刻下八组不同的实际空间电压矢量作用下的电磁转矩一步预测估计值T_ei；再将得到的八组预测转矩值T_ei分别与对应时刻下的参考转矩T_ref作差并取绝对值，得到转矩估计偏移量ΔT_i；

S4、根据步骤S3得到的转矩估计偏移量构造基于评价优先级的分段式筛选评价函数，将分段式筛选评价函数最小值所对应的空间电压矢量作为k+1时刻施加于电机的最优实际空间电压矢量，输出最优空间电压矢量对应的逆变器开关组合序号，采用单步动态开关策略，八组实际空间电压矢量各自对应八种不同的逆变器开关情况，实现永磁同步电机直接预测转矩控制；

当转矩估计偏移量ΔT_i≥T_TOL时，分段式筛选评价函数J₁为：

J₁＝ΔT_i

其中，i＝1,2,...,8，T_TOL为固定参数，J₁的最小值对应的i作为选取的最优实际空间电压矢量序号；

当转矩估计偏移量ΔT_i＜T_TOL时，分段式筛选评价函数J₂为：

J₂＝|ψ_i|·K_ij'

其中，i＝1,2,...,8，T_TOL为固定参数，|ψ_i|为定子估计磁链的幅值，K_ij'为基于上一次开关状态的开关变化次数的非零参考值，J₂的最小值对应的i作为选取的最优实际空间电压矢量序号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，定子d、q轴电流在k+1时刻的预测值

和

分别为：

其中，T_s表示离散控制周期；k表示第k个离散控制周期；i_d(k)、i_q(k)分别用于表示定子d、q轴电流在k时刻的实际值；U_d(k)、U_d(k)分别表示在k时刻施加于电机的基本电压矢量在d轴和q轴上的投影分量。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2具体为：

将八组实际空间电压矢量

分别带入对应的磁链增量表达式中得到k+1时刻永磁同步电机的八组预测磁链增量Δψ_di、Δψ_qi，再计算得到k时刻下永磁同步电机定子磁链值

通过分别累加得到k+1时刻下八组不同的实际空间电压矢量作用下的定子磁链一步预测估计值

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，d、q轴预测的磁链增量表达式具体为：

其中，Δψ_d(k+1)，Δψ_q(k+1)分别为d、q轴的预测磁链增量，L_d、L_q为d、q轴的电感，

为定子d、q轴电流在k+1时刻的预测值，ψ_r为转子磁链，R为定子内阻，ω_e为电角速度，T_s为采样周期。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中，永磁同步电机电磁转矩T_e为：

其中，ψ_d、ψ_q为k时刻下八组不同的实际空间电压矢量作用下的定子磁链一步预测估计值

L_d、L_q为dq轴电感，ψ_r为转子磁链，ρ为永磁同步电机的极对数。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中，分段式筛选评价函数中的开关次数矩阵K为：

其中，行数i代表当前实际空间电压矢量的序号，j列代表上一次施加于电机的实际空间电压矢量的序号；

开关次数的非零参考值矩阵K'为：

7.一种永磁同步电机直接预测转矩控制系统，其特征在于，包括：

预测模块，在k时刻通过电流采样得到电机的实际三相采样电流，对k+1时刻的电流值进行预测，采用前欧拉法将永磁同步电机d q坐标系下的电压方程离散化，得到k+1时刻的电流预测值；

计算模块，建立磁链预测模型，根据预测模块得到的k+1时刻的预测值预测计算k+1时刻的d、q轴磁链；

偏移模块，通过计算模块得到的k+1时刻的d、q轴磁链计算转矩估计偏移量，具体为：根据永磁同步电机电磁转矩计算得到同一时刻下八组不同的实际空间电压矢量作用下的电磁转矩一步预测估计值T_ei；再将得到的八组预测转矩值T_ei分别与对应时刻下的参考转矩T_ref作差并取绝对值，得到转矩估计偏移量ΔT_i；

控制模块，根据偏移模块得到的转矩估计偏移量构造基于评价优先级的分段式筛选评价函数，将分段式筛选评价函数最小值所对应的空间电压矢量作为k+1时刻施加于电机的最优实际空间电压矢量，输出最优空间电压矢量对应的逆变器开关组合序号，采用单步动态开关策略，八组实际空间电压矢量各自对应八种不同的逆变器开关情况，实现永磁同步电机直接预测转矩控制；

当转矩估计偏移量ΔT_i≥T_TOL时，分段式筛选评价函数J₁为：

J₁＝ΔT_i

其中，i＝1,2,...,8，T_TOL为固定参数，J₁的最小值对应的i作为选取的最优实际空间电压矢量序号；

当转矩估计偏移量ΔT_i＜T_TOL时，分段式筛选评价函数J₂为：

J₂＝|ψ_i|·K_ij'

其中，i＝1,2,...,8，T_TOL为固定参数，|ψ_i|为定子估计磁链的幅值，K_ij'为基于上一次开关状态的开关变化次数的非零参考值，J₂的最小值对应的i作为选取的最优实际空间电压矢量序号。

Images