CN115811264A - 一种新型永磁同步电机模型预测直接转矩控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型永磁同步电机模型预测直接转矩控制方法，本发明涉及电机控制技术领域。该新型永磁同步电机模型预测直接转矩控制方法，通过结合占空比控制思想与模型预测控制，考虑在单个控制周期内作用两个电压矢量，采用直接转矩控制直接获取第一最优电压矢量，以电磁转矩和定子磁链的综合误差为代价函数，遍历零矢量和除第一最优电压矢量外的其余五个有效电压矢量，分别计算有效电压矢量和零矢量、两个有效电压矢量作用时的代价函数值，最小化代价函数从而选出最优电压矢量组合并计算作用时间，保持了直接转矩控制的快速动态响应性能，减小了电磁转矩脉动，改善了电机的稳态控制性能。

Description

一种新型永磁同步电机模型预测直接转矩控制方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，具体为一种新型永磁同步电机模型预测直接转矩控制方法。

背景技术

永磁同步电机具有高效率、高可靠性以及高功率密度等优良特性，广泛应用于高性能伺服控制系统，目前，永磁同步电机高性能控制技术主要为矢量控制和直接转矩控制，矢量控制动态和稳态控制性能良好，其控制性能依赖于PI控制器的参数，存在PI参数整定问题，直接转矩控制动态响应快、无需坐标变换，主要缺点是转矩脉动较大，转矩脉动的存在会严重影响其在高性能场合的应用，为解决传统DTC转矩脉动大的问题，进行了广泛的研究，其中基于占空比的DTC是一种较为有效且常用的改进方法，可在一定程度上降低转矩和磁链脉动，但该方法没有考虑两个有效电压矢量组合的情况。

近年来，电机控制技术不断发展，各种控制方法被应用于电机控制领域，其中模型预测控制即MPC因具有动态响应快、易于实现多目标优化等优点，已经成为电机控制领域的研究热点之一，根据备选控制量集合的不同，MPC可以分为连续控制集MPC和有限控制集MPC即FCS-MPC两类，其中FCS-MPC的基本思想是遍历所有控制量，根据预测数学模型得出不同控制量作用下代价函数的值，以代价函数最小的控制量作为下一时刻的控制量，有学者提出基于模型预测的直接转矩控制方法，将占空比思想引入根据转矩和磁链误差计算得到占空比，改善传统DTC的转矩控制性能，该方法仍没有考虑两个有效电压矢量组合的情况，基于此，本发明提出一种新型永磁同步电机模型预测直接转矩控制方法，采用传统DTC选择第一最优电压矢量，通过MPC确定第二最优电压矢量并计算最优电压矢量作用时间，与传统的直接转矩控制和占空比直接转矩控制相比，所提算法保持了直接转矩控制的快速动态响应性能，减小了电磁转矩脉动，改善了电机的稳态控制性能。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种新型永磁同步电机模型预测直接转矩控制方法，解决了上述的问题。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种新型永磁同步电机模型预测直接转矩控制方法，具体包括以下步骤：

S1、建立永磁同步电机在d-q坐标系下的数学模型，预先设定电机给定转速；

S2、选择最优电压矢量组合及计算作用时间。

本发明进一步设置为：所述S2具体包括如下步骤：

S21、离散化永磁同步电机电压方程，获取电流预测模型，定义电磁转矩和定子磁链的综合误差为代价函数；

S22、当电机稳态运行时，在单个控制周期内选择两个最优电压矢量作用，其中第一最优电压矢量通过DTC开关表获取，第二最优电压矢量为遍历零矢量和除第一最优电压矢量外的其余五个有效电压矢量，根据模型预测转矩控制方法选择，并计算出最优电压矢量组合作用时间。

本发明进一步设置为：所述S21中表贴式永磁同步电机的电压方程，在转子磁链d-q同步旋转坐标系中为：

式中u_d、u_q、i_d、i_q分别为电机的d、q坐标系下定子电压和定子电流，R_s为定子相电阻，L_s为定子电感，ω_e为转子的电角速度，ψ_f为转子磁链幅值；

将电压方程离散化可得电流预测模型为：

式中u_d(k)、u_q(k)、i_d(k)、i_q(k)分别为k时刻电机d、q轴定子电压和定子电流，i_d(k+1)、i_q(k+1)为k+1时刻电机d、q轴定子电流预测值，ω_r(k)为k时刻转子的电角速度，T_s为控制周期。

本发明进一步设置为：所述永磁同步电机的转矩方程表示为：

其中T_e为电磁转矩，n_p为电机的极对数；

定子磁链方程为：

将转矩方程和定子磁链方程离散化可得：

式中T_e(k+1)、ψ_d(k+1)、ψ_q(k+1)分别为k+1时刻电磁转矩预测值和d、q轴定子磁链预测值。

本发明进一步设置为：所述S21中定义代价函数如下：

式中λ为权重因子，

分别为电磁转矩和定子磁链参考值。

本发明进一步设置为：所述S22中遍历零矢量和除第一最优电压矢量外的其余五个有效电压矢量，求代价函数最小值确定第二最优电压矢量及电压矢量组合作用时间：

在单个控制周期内，双电压矢量组合作用时，d、q轴电流的预测公式可表示如下：

式中：s_d1、s_q1、s_d2、s_q2分别为电压矢量组合u_t1和u_t2作用时d、q轴电流的斜率，t₁为u_t1作用时间，T_s-t₁为u_t2作用时间，由永磁同步电机电压方程可得各电压矢量作用时d、q轴电流斜率分别为：

式中u_d、u_q分别为各电压矢量的d、q轴分量；

联立d、q轴电流的预测公式、电磁转矩和定子磁链预测公式及代价函数，代价函数对t₁求导并令其为零，求得代价函数取极小值时电压矢量作用时间为：

式中：

M＝L_sb[(s_d1-s_d2)²+(s_q1-s_q2)²]、

若t₁小于零，令t₁为零；若t₁大于T_s，令t₁为T_s。

(三)有益效果

本发明提供了一种新型永磁同步电机模型预测直接转矩控制方法。具备以下有益效果：

本发明通过结合占空比控制思想与模型预测控制，考虑在单个控制周期内作用两个电压矢量，采用直接转矩控制直接获取第一最优电压矢量，以电磁转矩和定子磁链的综合误差为代价函数，遍历零矢量和除第一最优电压矢量外的其余五个有效电压矢量，分别计算有效电压矢量和零矢量、两个有效电压矢量作用时的代价函数值，最小化代价函数从而选出最优电压矢量组合并计算作用时间，保持了直接转矩控制的快速动态响应性能，减小了电磁转矩脉动，改善了电机的稳态控制性能。

附图说明

图1为本发明方法的控制框图。

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。

请参阅图1，本发明实施例提供一种技术方案：一种新型永磁同步电机模型预测直接转矩控制方法，具体包括以下步骤：

S1、建立永磁同步电机在d-q坐标系下的数学模型，预先设定电机给定转速；

S2、选择最优电压矢量组合及计算作用时间。

作为优选方案，S2具体包括以下步骤：

S21、离散化永磁同步电机电压方程，获取电流预测模型，以电磁转矩和定子磁链的综合误差为代价函数；

在转子磁链d-q同步旋转坐标系中，表贴式永磁同步电机的电压方程为：

式中u_d、u_q、i_d、i_q分别为电机的d、q坐标系下定子电压和定子电流，R_s为定子相电阻，L_s为定子电感，ω_e为转子的电角速度，ψ_f为转子磁链幅值；

永磁同步电机的转矩方程可以表示为：

其中T_e为电磁转矩，n_p为电机的极对数；

定子磁链方程为：

将电压方程离散化可得电流预测模型为：

式中u_d(k)、u_q(k)、i_d(k)、i_q(k)分别为k时刻电机d、q轴定子电压和定子电流，i_d(k+1)、i_q(k+1)为k+1时刻电机d、q轴定子电流预测值，ω_r(k)为k时刻转子的电角速度，T_s为控制周期。

将转矩方程和定子磁链方程离散化可得

上式中T_e(k+1)、ψ_d(k+1)、ψ_q(k+1)分别为k+1时刻电磁转矩预测值和d、q轴定子磁链预测值；

定义如下代价函数

式中λ为权重因子，

分别为电磁转矩和定子磁链参考值；

S22、当电机稳态运行时，在单个控制周期作用两个电压矢量，其中第一最优电压矢量通过传统DTC开关表获取，第二最优电压矢量遍历零矢量和除第一最优电压矢量外的其余五个有效电压矢量，根据模型预测转矩控制方法选择，同时计算出最优电压矢量组合作用时间；

第一最优电压矢量根据DTC开关表直接获取，遍历零矢量和除第一最优电压矢量外的其余五个有效电压矢量，求代价函数最小值确定第二最优电压矢量及电压矢量组合作用时间；

在单个控制周期内，双电压矢量组合作用时，d、q轴电流的预测公式表示如下：

式中：s_d1、s_q1、s_d2、s_q2分别为电压矢量组合u_t1和u_t2作用时d、q轴电流的斜率，t₁为u_t1作用时间，T_s-t₁为u_t2作用时间，由永磁同步电机电压方程得各电压矢量作用时d、q轴电流斜率分别为：

式中u_d、u_q分别为各电压矢量的d、q轴分量，作为详细说明，电压矢量不同，则计算的d、q轴电流斜率也不同，

联立d、q轴电流的预测公式、电磁转矩和定子磁链预测公式及代价函数，代价函数对t₁求导并令其为零，求得代价函数取极小值时电压矢量作用时间为：

式中：

M＝L_sb[(s_d1-s_d2)²+(s_q1-s_q2)²]、

若t₁小于零，令t₁为零；若t₁大于T_s，令t₁为T_s。

综上所述，本发明提出的一种新型永磁同步电机模型预测直接转矩控制方法，引入占空比控制，采用传统的DTC选择第一最优电压矢量，通过MPC选择第二最优电压矢量并计算电压矢量组合作用时间，该方法将MPC与DTC结合，考虑了零电压矢量单独作用、有效电压矢量和零矢量组合作用、两个有效电压矢量组合作用三种情况，保持了DTC动态响应快的特点，同时有效减小了电磁转矩脉动，改善了系统的稳态控制性能。

Claims (6)

1.一种新型永磁同步电机模型预测直接转矩控制方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

S1、建立永磁同步电机在d-q坐标系下的数学模型，预先设定电机给定转速；

S2、选择最优电压矢量组合及计算作用时间。

2.根据权利要求1所述的一种新型永磁同步电机模型预测直接转矩控制方法，其特征在于：所述S2具体包括如下步骤：

S21、离散化永磁同步电机电压方程，获取电流预测模型，定义电磁转矩和定子磁链的综合误差为代价函数；

S22、当电机稳态运行时，在单个控制周期内作用两个最优电压矢量，其中第一最优电压矢量通过DTC开关表获取，第二最优电压矢量为遍历零矢量和除第一最优电压矢量外的其余五个有效电压矢量，根据模型预测转矩控制方法选择，并计算出最优电压矢量组合作用时间。

3.根据权利要求2所述的一种新型永磁同步电机模型预测直接转矩控制方法，其特征在于：所述S21中表贴式永磁同步电机的电压方程，在转子磁链d-q同步旋转坐标系中为：

式中u_d、u_q、i_d、i_q分别为电机的d、q坐标系下定子电压和定子电流，R_s为定子相电阻，L_s为定子电感，ω_e为转子的电角速度，ψ_f为转子磁链幅值；

将电压方程离散化可得电流预测模型为：

式中u_d(k)、u_q(k)、i_d(k)、i_q(k)分别为k时刻电机d、q轴定子电压和定子电流，i_d(k+1)、i_q(k+1)为k+1时刻电机d、q轴定子电流预测值，ω_r(k)为k时刻转子的电角速度，T_s为控制周期。

4.根据权利要求3所述的一种新型永磁同步电机模型预测直接转矩控制方法，其特征在于：所述永磁同步电机的转矩方程表示为：

其中T_e为电磁转矩，n_p为电机的极对数；

定子磁链方程为：

将转矩方程和定子磁链方程离散化可得：

式中T_e(k+1)、ψ_d(k+1)、ψ_q(k+1)分别为k+1时刻电磁转矩预测值和d、q轴定子磁链预测值。

5.根据权利要求4所述的一种新型永磁同步电机模型预测直接转矩控制方法，其特征在于：所述S21中定义代价函数如下：

式中λ为权重因子，

分别为电磁转矩和定子磁链参考值。

6.根据权利要求5所述的一种新型永磁同步电机模型预测直接转矩控制方法，其特征在于：所述S22中遍历零矢量和除第一最优电压矢量外的其余五个有效电压矢量，求代价函数最小值确定第二最优电压矢量及电压矢量组合作用时间：

在单个控制周期内，双电压矢量组合作用时，d、q轴电流的预测公式可表示如下：

式中：s_d1、s_q1、s_d2、s_q2分别为电压矢量组合u_t1和u_t2作用时d、q轴电流的斜率，t₁为u_t1作用时间，T_s-t₁为u_t2作用时间，由永磁同步电机电压方程可得各电压矢量作用时d、q轴电流斜率分别为：

式中u_d、u_q分别为各电压矢量的d、q轴分量；

联立d、q轴电流的预测公式、电磁转矩和定子磁链预测公式及代价函数，代价函数对t₁求导并令其为零，求得代价函数取极小值时电压矢量作用时间为：

式中：

M＝L_sb[(s_d1-s_d2)²+(s_q1-s_q2)²]、

若t₁小于零，令t₁为零；若t₁大于T_s，令t₁为T_s。

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