[发明专利]一种永磁同步电机全速域模型预测磁链控制方法

说明书

本发明公开了一种永磁同步电机全速域模型预测磁链控制方法，首先通过转速外环PI控制器获得参考转矩T_e^ref；再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，经坐标变换后得到k时刻定子电流的d‑q轴分量；然后，结合磁链方程和负载角进行磁链计算，得到(k+1)时刻磁链预测值及磁链参考值；进而，利用(k+1)时刻磁链预测值和参考值构建全速域价值函数，并通过最小化全速域价值函数获得逆变器最优电压矢量；最后根据q轴磁链无差拍思想计算占空比，分配最优电压矢量与零矢量作用于逆变器的时间。本发明可有效降低电流与转矩脉动，同时兼具良好的动稳态性能，在恒转矩区和恒功率区均能适用。

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机全速域模型预测磁链控制方法，属于电机驱动及控制领域。

背景技术

永磁同步电动机(Permanent magnet synchronous motor，PMSM)具有损耗小、温升低、功率因数高、启动力矩高、启动时间短、过载能力高等优势。传统的永磁同步电机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是通过控制励磁电流和转矩电流，从而独立控制磁链和转矩的一种线性控制方法。但是坐标变换复杂，并且电流调节器通常为PI控制，PI控制存在惯性环节，有滞后作用，使得系统动态性能较差。DTC采用滞环控制器与离线开关表，简化系统结构，但开关频率变化大，导致电机低速运行时性能较差。随着微处理器性能的提升，模型预测控制(Modelpredict control，MPC)得到广泛关注。MPC是利用数学模型预测下一时刻系统变量的变化趋势，来选取当前时刻相应的最优控制动作，进行滚动优化，从而对控制目标进行精确的控制。因此一种源于DTC的新型模型预测控制方法被提出，其原理与DTC具有相似性，即通过系统的预测模型，直接对转矩和磁链进行预测，并通过相应的价值函数选择最优电压矢量。该算法具有结构简单、动态响应快等优点，但是权值系数设计过程复杂。

针对权值系数设计复杂问题，模型预测磁链控制通过深入推导磁链和转矩之间的解析关系，将对定子磁链幅值和电磁转矩的控制转换为等效的定子磁链矢量的控制，从而消除了传统方法中繁琐的权重系数设计，而且算法简单，容易实现。由于MPC策略在PMSM驱动领域有着较好的应用前景，近年来诸多学者致力于MPC在电机全速域运行状态下的研究和改进。电机运行在基速以下，即恒转矩区时，采用最大转矩电流比(Maximum torque perampere，MTPA)控制，可有效利用磁阻转矩，增加电机系统效率。电机运行在基速以上，即恒功率区时，采用弱磁控制(Flux weakening control，FWC)，可拓宽PMSM运行速度范围。另外，采用占空比控制的双矢量模型预测控制可以有效减小电流及转矩脉动。

中国发明专利201810417636.4，发明名称为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，公开了永磁同步电机在恒转矩区和恒功率区运行时基于模型预测转矩控制的方法及装置。该方法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，使逆变器开关频率降低的同时，得到较好的系统控制效果。然而该专利未考虑全速域价值函数中权值系数设计繁琐的问题，也未考虑模型预测转矩控制中电流与转矩脉动较大的问题。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种永磁同步电机全速域模型预测磁链控制方法，在消除权值系数的同时可获得较好的动稳态性能，且有效地降低电流及转矩脉动，并且此方法适用于恒转矩区和恒功率区。