[发明专利]基于模型预测控制的永磁同步电机直接转矩控制方法

权利要求书

1.一种基于模型预测控制的永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征在于：电机的相关参数如表1所示：

表1 永磁同步电机相关参数

；

永磁同步电机在d-q坐标系下的数学模型如下：

电压方程:

磁链方程:

电磁转矩方程：

1、扩展卡尔曼估计

估计器的目的是利用可测量的u_d、u_q、i_d、i_q作为EKF估计器的输入，通过估计器计算得到实时的和作为控制器的反馈量；

a、对状态变量进行估计得出估计值：

x(k+1/k)＝x(k)+T*(f(x(k),u(k))) (4)

b、状态估计值所对应的协方差矩阵：

c、滤波增益用如下公式进行表示：

K(k+1)＝P_k+1/k*H^T*[HP_k+1/kH_T+R]^-1 (6)

d、状态更新之后所对应的状态误差协方差阵：

P_k+1＝P_k+1/k-K(k+1)*H*P_k+1/k (7)

e、状态更新之后的最优估计值：

x(k+1)＝x(k+1/k)+K(k+1)(y(k+1)-h(x(k+1),u(k+1))) (8)

由以上公式得到磁链的最优估计值，根据坐标变换和公式(3)可得到转矩的反馈值；

2、基于模型预测控制的电机驱动系统控制器

1)逆变器建模

定义逆变器三相相电压为

式中，u_dc为直流电源的电压值，u_iN表示三相电压，i为a、b或c，由于上下桥臂的开关闭合状态正好相反，可用S_a、S_b、S_c表示三相逆变器的开关闭合状态S_x，x＝1，2，...，6；上式(9)经过Clarke得：

经过Park变换得：

由(9)、(10)、(11)得：

2)PMSM建模

由公式(1)、(2)、(3)得电压的状态方程为：

磁链的状态方程为：

定义电机转矩和磁链为：

3)逆变器和PMSM一体化建模

选择电机转矩和磁链为状态量，即x＝[T_e ψ_s]^T，选择三相逆变器的开关信号为控制量，即u＝[S_a S_b S_c]^T，选择系统的时变参数为d＝ψ_d，则系统状态方程为：

式中，

由以上步骤可完成MPC控制器的实现，选取使转矩与磁链预测值与期望值误差最小的J作为目标函数：

将可选不同开关组合所对应的各项值代入目标函数J，筛选得到目标函数值最小时对应的开关组合作为控制器输出的控制量。

2.权利要求1所述的基于模型预测控制的永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征在于：具体控制过程表述为：

首先通过传感器测量和计算，得到电压反馈量u_d、u_q和电流反馈量i_d、i_q，将数据传递给EKF估计器模块，通过公式计算可得当前时刻磁链估计值和转矩估计值将估计值和给定值传递给MPC控制器，经过最优计算得到控制器输出控制量S_a、S_b、S_c作用于三相逆变器，然后得到控制电机的三相电压完成对PMSM的控制。