[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

摘要

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。

主权项

1.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，其特征在于：包括转速PI控制器(1)、模型预测控制模块(2)、全速域价值函数模块(3)、逆变器(4)、坐标变换模块(5)、永磁同步电机(6)和编码器(7)；首先，通过转速负反馈得到的转速增量经转速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转子电角度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，利用模型预测控制模块在线预测k+1时刻的定子电流的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；所述的给定转矩T_e^ref获取方法为：将参考速度与实际速度的差值e_n输入转速PI控制器，根据公式(1)获得参考转矩T_e^ref；式中，k_p和k_i分别为转速PI控制器的比例增益和积分增益；所述的电角度θ_r、电角速度ω_r以及k时刻定子电流的d‑q分量i_d，i_q获取方法为：从编码器中获取永磁同步电机的电角度θ_r，再经式(2)求电角度θ_r关于时间的微分，得到电角速度ω_r；再测量永磁同步电机k时刻三相定子电流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；计算k+1时刻定子电流d‑q轴分量i_d^k+1、i_q^k+1和电磁转矩T_e^k+1的方法为：将得到的d‑q轴电流i_d、i_q，转子电角速度ω_r以及转子电角度θ_r输入模块预测控制模块(2)，根据公式(3)获得k+1时刻的预测电流模型，然后根据公式(4)获得k+1时刻电磁转矩预测值T_e^k+1；式中，u_d^k、u_q^k为k时刻定子电压在d‑q轴分量上的电压；R_s为定子每相电阻；L_d、L_q为直、交轴电感；T为系统的采样周期；ψ_f为转子永磁体磁链；n_p为极对数；在全速域价值函数模块(3)中构建低中速区控制目标的价值函数，计算k+1时刻低中速区转矩误差函数g_T、低中速区区域收敛函数g_MTPA、低中速区电流限制条件函数和低中速区方向选择函数g_dir的方法为：根据公式(5)获得k+1时刻的低中速区转矩误差函数g_T；将公式(6)和公式(7)联立并令等于0，此时永磁同步电机以最大转矩电流比方式运行，根据公式(8)获得k+1时刻低中速区区域收敛函数g_MTPA；定子电流受到逆变器输出最大电流I_max的限制，根据公式(9)获得k+1时刻低中速区电流限制条件函数最大转矩电流比轨迹是一个双曲线，而左侧的轨迹所产生的电磁转矩始终大于右侧，根据公式(10)获得k+1时刻低中速区方向选择函数g_dir；g_T＝|T_e^ref‑T_e^k+1|            (5)式中，i_s为定子电流；I_max为最大定子电流；T_e为电磁转矩。