[发明专利]计及开关频率优化的永磁同步电机模型预测转矩控制方法

说明书

本发明公开了一种计及开关频率优化的永磁同步电机模型预测转矩控制方法，首先，通过转速负反馈得到的转速增量经PI控制器后获得给定转矩T_e^ref；再从编码器中获取永磁同步电机的电角度θ_r和电角速度ω_r，并获取k时刻的三相定子电流i_a，i_b和i_c，经Clark变换和Park变换后得到k时刻定子电流的d‑q分量i_d和i_q；然后，利用预测模型在线预测(k+1)时刻定子电流的d‑q分量i_d^k+1，i_q^k+1和电磁转矩T_e^k+1，并结合多个控制目标构建全速域价值函数；最后，通过最小化全速域价值函数获得逆变器最优电压矢量。本发明考虑了永磁同步电机凸极效应，可有效降低逆变器开关频率，同时兼具良好的动态响应性能，在恒转矩区和恒功率区均能适用。

技术领域

本发明涉及一种计及开关频率优化的永磁同步电机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

内埋式永磁同步电机(Interior permanent magnet synchronous motor，IPMSM)具有功率密度大、体积小、调速性能好等优点近年来在电动汽车等新能源领域得到广泛应用。传统高性能永磁同步电机调速控制方法主要有矢量控制(Vector control，VC)和直接转矩控制(Direct torque control，DTC)。VC方案主要思想是将定子电流分解成d-q轴电流用以分别控制转子磁链与电磁转矩，具有较好的稳态性能，但也存在坐标变换复杂、PI控制器参数整定困难、动态性能较差等问题；而DTC方案则以IPMSM的转矩作为控制目标，具有结构简单、转矩响应迅速、参数鲁棒性好等优点，同时也存在低速运行状态下转矩脉动大、逆变器开关频率不固定等问题。因此，为了进一步提高直接转矩控制系统性能，近年来，模型预测转矩控制(Model predictive torque control，MPTC)受到了研究者们的广泛关注。

MPTC采用转矩预测在线寻优的思想，通过实时求解价值函数，获得逆变器最优作用电压矢量，可提高系统的动态响应性能，并在一定程度上可减小转矩脉动。由于MPTC策略在PMSM变频调速领域有着较好的应用前景，近年来国内外诸多学者致力于MPTC在恒转矩区和恒功率区的研究和改进。在恒转矩区采用最大转矩电流比(Maximum torque perampere，MTPA)控制，可有效利用磁阻转矩，增强电机的带负载能力。在恒功率区，采用弱磁控制，可拓宽IPMSM运行速度范围。另外，为提高电机系统整体效率，需合理设计逆变器开关频率。目前，降低逆变器开关损耗的方法主要有两种，一种是直接以降低开关损耗为目标，通过降低开关器件每一次开关动作时产生的开关损耗来降低逆变器的损耗。另一种是间接方法，以降低开关频率为目标，通过减少开关器件的开关切换次数来降低逆变器的开关损耗。与前者相比，后者基本上代表逆变器的开关损耗，控制起来简单易行，并且在额定转矩下两种算法的损耗几乎一样。

中国发明专利201410012091.0，发明名称为永磁同步电机低逆变器功耗直接转矩控制方法及装置，公开了永磁同步电机低逆变器功耗直接转矩控制方法及装置。该方法在给定的转矩和定子磁链的参考值的基础上，根据控制器内部模型预测出它们的预测值，采用最小化包括磁链、转矩和预测时域内平均开关频率的目标函数获得最合适的逆变器的开关位置，使整体逆变器开关频率最低。然而该专利未考虑IPMSM全速域运行时逆变器开关损耗对电机性能的影响，也未考虑IPMSM的凸极效应。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种计及开关频率优化的永磁同步电机模型预测转矩控制方法，在实现逆变器开关频率优化的同时，还可获得较好的动态响应性能，并且适用于恒转矩区和恒功率区。