[发明专利]基于扩展步长和变作用时间的永磁电机预测磁链控制方法

说明书

本发明公开了一种基于扩展步长和变作用时间的永磁电机预测磁链控制方法，包括：将定子磁链矢量参考值与预测值分别表示为电压矢量作用时间的函数；基于扩展预测步长策略，获得每一步预测步长中的定子磁链矢量误差，基于每一步定子磁链矢量误差之和构建代价函数；通过求导获得使代价函数取得最小值时所有候选电压矢量的最优作用时间，将每一步预测步长中所有候选电压矢量及其对应最优作用时间带入代价函数中，遍历求取使代价函数取得最小值的最优电压矢量，取第一步预测步长中的电压矢量及其作用时间作为最优解；根据当前采样时间间隔内最优电压矢量切换与否，进行不同的占空比更新，实现最优解的数字化应用，最终达到最优控制永磁同步电机的目的。

技术领域

本发明涉及电机系统及控制领域，尤其涉及一种基于扩展步长和变作用时间的永磁电机预测磁链控制方法。

背景技术

永磁同步电机因其具有宽调速范围、高气隙磁通密度、高效率等优点被广泛应用于高性能需求领域^[1-3]。在实际应用中，为了获得期望的控制效果，大量的控制策略已经被提出并且深入研究。

传统的控制策略主要包括：磁场定向控制(Field-Oriented Control,FOC)策略和直接转矩控制(Direct Torque Control,DTC)策略。应用磁场定向控制策略时，通过坐标变化和脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)模块调节转矩性能，可以获得极好的稳态控制效果，但是瞬态响应仍需进一步改善^[4]；应用直接转矩控制策略时，通过滞环控制器选择最优的开关状态可以直接且独立地分别控制转矩和磁链性能。并且，由于采用六个固定的有效电压矢量输出，通过选取最优的电压矢量可以获得快速的动态响应。但是，直接转矩控制也存在一些缺点，比如低速高噪声、高转矩波动和不固定开关频率等^[5,6]。

模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)是一种新兴的永磁同步电机控制策略，该方法是一种基于最优化控制的方案^[7]。模型预测控制可以分为连续控制集和有限控制集，其中有限集模型预测控制(Finite Control Set Model Predictive Control,FCS-MPC)考虑了电力电子器件的离散特性。由于具有行为预测和直接操控变化器开关状态的固有特性，采用 FCS-MPC可以获得快速的动态响应^[8]。但是，传统FCS-MPC因其只有八个基本电压矢量，仅仅采用单步预测步长，并且电压矢量作用时间固定为采样周期，所以具有高转矩波动、高电流谐波含量等不足。

为了解决以上问题，多种文献已经提出并研究了许多技术。一种最直接的方式是通过减少电压矢量作用时间来获得改善的稳态性能，但是该方法会相应的提高开关频率和增加开关损耗；另一种典型的技术是扩展开关状态的个数，该技术只能通过多电平实现，受限于硬件设备^[9,10]。并且，在该技术中，代价函数最小化时的检索空间将会随着开关状态的扩展而提高，增加了计算负担；还有学者提出通过在采样周期内插入零矢量来调节有效矢量的作用时间，即占空比调制方法^[11,12]。在该方法中，两个电压矢量作用于一个采样周期内，包括一个零矢量和一个通过代价函数最小化选取的有效矢量。因为在一个采样周期内，每一个有效矢量作用完相应时间后必须切换到零矢量，所以该技术也是通过增加开关损耗为代价来提高控制效果。

无论采取哪种控制策略，都不能够在同一开关频率下提高系统的控制效果。因此，一种在相同开关频率下改善FCS-MPC的稳态控制效果，抑制转矩脉动和降低电流谐波含量，并且能够维持原有快速暂态响应的技术亟需提出。

参考文献