CN114301336A - 一种永磁同步电机直接转矩预测控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种永磁同步电机直接转矩预测控制方法，属于电机控制技术领域。该方法根据平均等效原理，对逆变器产生的8个基本电压矢量进行扩展，从而得到包含更多电压矢量的集合，可有效提高电机转矩控制性能；同时，为了解决电压矢量增多而引起计算负担加重的问题，该方法中提出对电压矢量进行快速筛选，有效减轻扩展电压矢量带来的预测计算和代价函数穷举的计算量，可降低对电机控制器核心芯片的计算性能要求，节省成本。
Description
技术领域
本发明涉及永磁同步电机控制领域，具体涉及一种基于扩展电压矢量快速筛选的永磁同步电机直接转矩预测控制方法。
背景技术
永磁同步电机常规的控制方法主要有矢量控制(FOC)和直接转矩控制(DTC)。FOC需要进行坐标变换，计算量大，且存在多个PI调节器，其参数调节较复杂且易受电机参数的影响；DTC则通过测量电机定子绕组的电压值和电流值直接计算出定子磁链和转矩，并利用两个独立的滞环比较器实现分别对定子磁链和转矩的控制。DTC具有结构简单、转矩响应较快、对电机参数变化鲁棒性强等优点，但DTC存在转矩脉动较大、定子磁链脉动大和逆变器开关频率不恒定等缺点。为了解决永磁同步电机FOC和DTC存在的问题，国内外学者提出了很多改进的控制算法，其中最为突出的就是预测控制。常规的直接转矩预测控制中，将逆变器产生的8个基本电压矢量依次代入电机离散模型中，利用约束函数，选取使代价函数值最小的基本电压矢量作用于电机。该方法可供选择的电压矢量数量少，输出的电压矢量与期望的电压矢量存在误差，电机仍存在明显的转矩脉动。扩展逆变器产生的电压矢量数量，使其输出的电压矢量接近期望的电压矢量，可降低电机的转矩脉动，但是由于预测控制算法中代入计算的次数增多，代价函数的计算量会大大增加，对处理芯片的计算性能有更高要求，提高了成本。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种扩展电压矢量快速筛选的永磁同步电机预测直接转矩控制方法，解决预测输出电压与理想电压之间偏差较大的问题，同时避免了扩展电压矢量引起的计算量增加问题，从而减少实际输出电压与理想电压的偏差，降低输出转矩的脉动。
本发明一种扩展电压矢量快速筛选的永磁同步电机预测直接转矩控制方法，该方法具体为：
步骤一：对永磁同步电机进行电压矢量扩展；
步骤二：对扩展后的电压矢量进行筛选；
步骤三：将筛选后的扩展的电压矢量代入到预测模型中，从而选取使得代价函数最小的电压矢量作为输出的电压矢量；
对永磁同步电机在同步旋转坐标系下的数学模型进行欧拉向前离散化处理，得到磁链预测模型、电流预测模型与转矩预测模型。
在同步旋转坐标系下，永磁同步电机的电压方程为
式(1)中，ud为定子绕组电压的d轴分量，uq为定子绕组电压的q轴分量，id为定子绕组电流的d轴分量，iq为定子绕组电流的q轴分量，ψd为定子绕组磁链的d轴分量，ψq为定子绕组磁链的q轴分量，Rs为定子绕组电阻，ωr为转子电角转速。
永磁同步电机的磁链方程为
式(2)中，ψf为转子永磁体磁链。
永磁同步电机的电磁转矩方程为
式(3)中，Te为电机电磁转矩，p为电机极对数。
对式(1)～式(3)进行欧拉向前离散化处理，分别可得到永磁同步电机的磁链预测模型为
式(4)中，E为2×2的单位矩阵，Ts为控制周期，k和k+1分别表示第kTs个和第(k+1)Ts个采样时刻，
永磁同步电机的电流预测模型为
式(5)中，
永磁同步电机的转矩预测模型为
并且设计代价函数为
式(7)中，Kt、
分别为转矩权重系数与磁链权重系数，
分别为转矩与磁链的期望值。
永磁同步电机DTC含两个滞环比较器，分别为转矩滞环比较器与定子磁链滞环比较器。当电机实际定子磁链与期望定子磁链相差超过定子磁链滞环比较器的宽度Δψ时，定子磁链滞环比较器的输出状态发生改变，否则保持原输出状态。当电机实际转矩与期望转矩相差超过转矩滞环比较器的宽度ΔT时，转矩滞环比较器的输出状态发生改变，否则保持原输出状态。即
式(8)和式(9)中，φ为定子磁链滞环比较器的输出，τ为转矩滞环比较器的输出。在永磁同步电机的常规DTC中，需根据两个滞环比较器的输出状态与扇区，共同决定选取的电压矢量。
驱动永磁同步电机的两电平三相电压源逆变器，其主电路一般有6个功率开关器件。根据功率开关器件的开关状态，逆变器可输出8个电压矢量，包括2个为零电压矢量：U0(000)和U7(111)，6个非零电压矢量：U1(001)、U2(010)、U3(011)、U4(100)、U5(101)、U6(110)。
由永磁同步电机的预测模型可知，磁链的预测依赖于电压矢量，因此需将8个电压代入到模型中，最终得到其预测转矩值，将该值代入到代价函数中，取代价函数值最小的电压作为最优电压矢量作用于电机。但是该方式选取出的电压矢量与理想电压矢量仍存在较大偏差。
将逆变器所能产生的8个基本空间电压矢量映射到复平面中，构成空间电压矢量图。同时，6个非零电压矢量将复平面平分成6个扇区。每个扇区为60°夹角。根据平均值等效(SVPWM)原理对电压矢量的数量进行扩展。在每个扇区内，按10°夹角进一步分割扇区，分割线上的电压矢量幅值选取为
Udc为逆变器的直流母线电压。
根据转矩滞环比较器和扇区，只需选择两个非零电压矢量与零电压，从而由常规的8个电压矢量的计算量减少到3个电压矢量的计算量，计算量明显的减少。然后，在筛选出的扇区内扩展电压矢量数量，分别代入电机预测模型进行计算，选定使得代价函数值最小的扩展电压矢量并输出。
附图说明
图1为本发明提供的永磁同步电机扩展电压矢量快速筛选的直接转矩预测控制原理图；
图2为本发明提供的永磁同步电机扩展电压矢量快速筛选的直接转矩预测控制流程图；
图3为本发明提供的永磁同步电机电压矢量合成原理图；
图4为本发明提供的永磁同步电机扩展电压矢量结果图；
图5为本发明提供的常规直接转矩预测控制仿真结果图；
图6为本发明提供的基于扩展矢量快速筛选的永磁同步电机直接转矩预测控制仿真结果图；
具体实施方式
本发明提供一种基于扩展电压矢量快速筛选的永磁同步电机直接转矩预测控制，其原理如图1所示，包括电压区间筛选模块、扩展电压模块、预测模块等。流程如图2所示，包括以下4个步骤：
步骤1：常规的直接转矩预测控制只有8个基本电压矢量可供选择，将导致逆变器的输出电压与期望电压仍然存在较大的偏差。为了减少其偏差，本发明采取根据角度(10°)以及固定电压幅值
进行电压矢量的扩展，从而扩展电压矢量，解决其预测值与期望电压存在较大偏差。其原理是平均值等效原理，即在一个开关周期内通过对基本电压矢量加以组合，使其平均值与给定电压矢量相等。以扇区1为例，电压矢量合成原理图如图3所示。根据平均等效原理可以得到以下公式：
ToutUout＝T4U4+T6U6+T0 (10)
T4+T6+T0＝Ts (11)
其中：T4、T6、T0分别是U4、U6和零矢量(U0)的作用时间。当角度与幅值已知的情况下，可以计算出虚拟合成电压的开关信号，如当电压幅值为UA角度为θ，根据原理可得：
式中Ux、Uy分别是U4、U6在T4、T6时间内产生的有效电压。
将
代入上式，可以得到上述3个基本矢量电压的作用时间分别为
并得到虚拟合成电压矢量图如图4所示，其中U4、U6为基本电压矢量，U9、U10、U11、U12、U13则是扩展得到的5个电压矢量，互相之间的夹角为10°。
步骤2：在步骤1中对永磁同步电机进行电压矢量扩展，电压矢量的扩展使其电压扩大了6倍，也导致预测计算量以及代价函数枚举次数成倍增加。过大的计算量会影响其预测的准确性以及增加处理器的计算负担。为了解决该问题，本发明又提出了快速筛选电压方式。
永磁同步电机的给定转速和当前转速的差值，经过PI调节器调节得到期望转矩
根据期望转矩
与实际转矩Te的差值决定转矩滞环比较器的输出，即：
(1)由于在不同扇区内，电压矢量对转矩的影响不同，设计扇区观测器，计算在αβ静止坐标系下的电机定子磁链，根据定子磁链的相位，判断出扇区。定子磁链为：
ψs＝∫(us-Rsis)dt (16)
其中is与us为静止坐标系下的定子电流与定子电压。根据上式计算出定子磁链α轴分量ψα和β轴分量ψβ。磁链相位角度与扇区的对应关系如表1所示。
表1扇区划分
| 角度区间 | 0°～60° | 60°～120° | 120°～180° | 180°～240° | 240°～300° | 300°～360° |
| 扇区 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
(2)根据不同扇区对电压矢量进行筛选，并建立了电压快速筛选表，如表2所示。无论电机转矩是否需要增减，都存在两个电压矢量且其夹角为60°，由此可以把360°的区间划分成6个60°的扇区，从而减少电压矢量代入预测模型的计算量。
表2电压矢量表
步骤3：当扩展电压矢量与快速筛选完成后，需要将扩展的电压矢量代入到预测模型中，从而选取使得代价函数最小的电压矢量作为输出的电压矢量。
将其代入到永磁同步电机的预测模型
其中，E为(2*2)的单位矩阵，Ts为控制周期，k和k+1分别表示第kTs个和第(k+1)Ts个采样时刻，
从而得到电机定子磁链的预测值，再代入电流预测模型
式(18)中，
将得到的定子磁链预测值与电流预测值代入到电机转矩预测模型
最后将得到的预测转矩值，代入到约束函数
式(20)中，Kt、
分别为转矩权重系数与磁链权重系数，
分别为转矩与磁链的期望值。通过式(20)选择出使得g值最小的电压矢量，作为最优电压矢量，作用于电机。
步骤4：为了证实本发明所提方法的有效性，本发明对常规的直接转矩预测控制与所提出的基于扩展矢量快速筛选的直接转矩预测控制进行了仿真试验。仿真试验的电机参数如表3所示。图5为常规直接转矩预测控制的电机转矩波形，图6为采用本发明提出方法的电机转矩波形。从图5与图6中可以明显看出，本发明提出方法能有效降低电机转矩脉动。
表3永磁同步电机控制系统的仿真参数
Claims (4)
1.一种永磁同步电机直接转矩预测控制方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
步骤一：对永磁同步电机进行电压矢量扩展；
步骤二：对扩展后的电压矢量进行筛选；
步骤三：将筛选后的扩展的电压矢量代入到预测模型中，从而选取使得代价函数
最小的电压矢量作为输出的电压矢量；
所述的预测模型具体为：
在同步旋转坐标系下，永磁同步电机的电压方程为
其中，ud为定子绕组电压的d轴分量，uq为定子绕组电压的q轴分量，id为定子绕组电流的d轴分量，iq为定子绕组电流的q轴分量，ψd为定子绕组磁链的d轴分量，ψq为定子绕组磁链的q轴分量，Rs为定子绕组电阻，ωr为转子电角转速；
永磁同步电机的磁链方程为
其中，ψf为转子永磁体磁链；
永磁同步电机的电磁转矩方程为
其中，Te为电机电磁转矩，p为电机极对数；
对永磁同步电机的电压方程、磁链方程和转矩方程进行欧拉向前离散化处理，可得到永磁同步电机的磁链预测模型为
其中，E为2×2的单位矩阵，Ts为控制周期，k和k+1分别表示第kTs个和第(k+1)Ts个采样时刻，
永磁同步电机的电流预测模型为
其中，
永磁同步电机的转矩预测模型为
2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机直接转矩预测控制方法，其特征在于：步骤一中对永磁同步电机进行电压矢量扩展；具体为：
八个基本电压矢量之间夹角为60°，根据10°角度以及固定电压幅值
进行电压矢量的扩展，解决其预测值与期望电压存在较大偏差；根据平均等效原理可以得到以下公式：
ToutUout＝T4U4+T6U6+T0
T4+T6+T0＝Ts
其中，T4、T6、T0分别是U4、U6和零矢量U0的作用时间；当角度与幅值已知的情况下，计算出虚拟合成电压的开关信号，当电压矢量为UA，角度为θ，根据原理可得：
式中Ux、Uy分别是U4、U6在T4、T6时间内产生的有效电压；
将
代入上式，得到上述3个基本矢量电压的作用时间分别为
最终得到虚拟合成电压矢量。
3.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机直接转矩预测控制方法，其特征在于：步骤二对扩展后的电压矢量进行筛选；具体为：
永磁同步电机的给定转速和当前转速的差值，经过PI调节器调节得到期望转矩
根据期望转矩
与实际转矩Te的差值决定转矩滞环比较器的输出，即：
(1)由于在不同扇区内，电压矢量对转矩的影响不同，设计扇区观测器，计算在αβ静止坐标系下的电机定子磁链，根据定子磁链的相位，判断出扇区；定子磁链为
ψs＝∫(us-Rsis)dt
其中is与us为静止坐标系下的定子电流与定子电压；根据上式计算出定子磁链α轴分量ψα和β轴分量ψβ；磁链相位角度与扇区的对应关系如表1所示；
表1扇区划分
(2)根据不同扇区对电压矢量进行筛选，并建立了电压快速筛选表，如表2所示；无论电机转矩是否需要增减，都存在两个电压矢量且其夹角为60°，由此可以把360°的区间划分成6个60°的扇区，从而减少电压矢量代入预测模型的计算量；
表2电压矢量表
4.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机直接转矩预测控制方法，其特征在于：所述的设计代价函数为
其中，Kt、
分别为转矩权重系数与磁链权重系数，
分别为转矩与磁链的期望值。
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