永磁同步电机转矩控制方法技术

一种永磁同步电机转矩控制方法，属于控制技术领域。本发明专利技术的目的是提供一中基于驱动转矩需求估算和预测控制，以解决驾驶员驱/制动和提高能效多控制需求的折中优化和建立优化问题求解筛选原则提高计算效率问题的永磁同步电机转矩控制方法。本发明专利技术的电机转矩预测控制流程是：先将转矩参考值根据电机方程转化为电机定子矢量电流参考值；建立三相逆变器开关状态和输出的矢量电压之间的关系式；估算下一个时域的电流值；最优的开关组合状态作用逆变器驱动电机。本发明专利技术所述的转矩控制方法，采集驾驶员踏板信息和车轮转速信息的根据永磁同步电机的机械外特性曲线计算车辆所需驱动力矩值，有效解释了驾驶员的驱/制动的动力需求，为后续电机控制提供参考，提高了系统可靠性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于控制

技术介绍
当今新能源汽车以其节能减排的特点广受社会各界关注，得到各国乃至各大汽车厂商的大力开发和应用。尤其是轮毂电驱动汽车，因采用轮毂电机技术尤其是四轮轮毂驱动电机，使得整车四轮驱动力独立可控，整车动力操纵更为灵活、方便，可有效提高电动汽车在恶劣环境下的行驶性能，正逐步成为未来最具发展潜力的纯电动汽车类型。作为电动汽车轮毂驱动电机的主要选择，永磁同步电机因其具有体积小，质量轻，运行可靠，大转矩输出，调速范围宽，高功率密度和高效率等优点，能够满足高性能电动汽车电机驱动控制系统的基本要求。轮毂电机作为驱动源在满足电动汽车的行驶动力性需求的同时，还要满足行驶过程中的舒适性、环境适应性和一次充电可以行驶的续驶里程的性能。因此，作为轮毂驱动电机的永磁同步电机控制技术不仅需要满足驾驶员的转矩驱动和制动需求，也要通过减少电机损耗提高驱动能效的控制需求，这是一个多目标实现的问题，由此同普通工业用电机相比控制要求更为严格、复杂，这也是轮毂电驱动汽车发展的核心问题之一。目前，针对永磁同步电机的控制方法主要有矢量控制和直接转矩控制，近些年来由于微处理器的快速发展，数字控制器的计算能力有了大大的提升，使得一些高级控制算法，尤其是模型预测控制算法得以在电机控制当中实现。许多专家在永磁同步电机驱动控制方面进行了许多努力，针对于预测控制的实施也提出了一些相对成型的方法，如专利CN201310740488、CN201610197283、CN201610533077、CN201510676715等，但在已公开的专利方法中仍存在一些有待解决的问题：(1)使电机在满足驱/制动动力需求的同时，实现减少驱动系统中电机和逆变器的损耗提高整体能效的多目标控制需求；(2)有效处理已存在的物理约束，如电流限幅；(3)在求解过程中制定筛选原则减少候选解的计算，降低迭代次数，减少计算负担，以提高算法计算效率。因此，研究可有效满足驾驶员动力性和经济性的多控制需求，处理已存在的约束限制，提高自主调节能力，响应速度快的永磁同步电机转矩控制策略,对轮毂电驱动汽车电控技术发展而言意义十分重大。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一中基于驱动转矩需求估算和预测控制，以解决驾驶员驱/制动和提高能效多控制需求的折中优化和建立优化问题求解筛选原则提高计算效率问题的永磁同步电机转矩控制方法。本专利技术的电机转矩预测控制流程是：步骤1）先将转矩参考值根据电机方程转化为电机定子矢量电流参考值；步骤2）建立三相逆变器开关状态和输出的矢量电压之间的关系式；步骤3）将采集的当前电机三相电流值进行clark和park变换为转子坐标系下d-q轴电流，并根据候选开关状态对应的矢量电压和永磁同步电机电流动态方程估算下一个时域的电流值；步骤4）通过优化问题的代价函数和约束限制，以及筛选原则比较得到最优的开关组合状态，作用逆变器驱动电机。本专利技术的步骤是：步骤1）：先将单个电机转矩参考值根据电机方程转化为永磁同步电机在转子坐标系下的定子d-q轴矢量电流的参考值：（5）式中，和分别表示电机在转子坐标系下的d轴和q轴电流，单位A，其中表示参考值；步骤2）：建立三相逆变器开关状态和转子坐标系下的d-q轴输出矢量电压之间的关系式：首先定义a、b、c三个桥的输出电压分别为、、，单位V，计算如下：（6）式中，表示母线直流电压，单位V；、、分别表示三相开关状态，仅有0和1两个状态，无量纲单位；三相桥式电路每个桥之间存在一个正交向量的相位移，即，由此定义输出电压矢量为三相电压的矢量和：（7）将带入(7)，然后将输出电压矢量表示为轴上的矩阵形式：（8）再经过Park变换，轴上的矢量电压转换为转子坐标系下的定子d-q轴的矢量电压，即：（9）式中表示永磁同步电机的转子角位移，单位rad；由以上公式(8)和(9)，得到逆变器开关状态信号和定子d-q轴矢量电压之间的关系式：(10)步骤3）：下一个时刻的电流值估算过程：首先，采集到当前电机的a、b、c三相电流值、、，单位A，同样根据clark和park变换，转换成转子坐标系下定子d-q轴的矢量电流，作为预测控制的初始状态值，即：（11）然后，根据Kirchoff电压定律和电感特性，建立永磁同步电机转子坐标系下的定子d-q轴电流方程，即：（12）式中，表示电枢电阻，单位；和分别表示d-q轴电感，单位H；表示极对数，无量纲；表示永磁铁磁通量，单位Wb；然后，将公式(10)带入(12)中，整理得到控制输入为开关状态好状态量为d-q矢量电流的动态方程：（13）定义变量，则公式(13)可转换为；采用梯形积分法离散化动态方程(13)，计算公式：（14）式中，表示估算的下一时刻d-q轴电流矢量值，表示中间计算量，表示系统采样周期，单位s；为0-1之间的调节因子，无量纲；步骤4）：最优的开关组合：制定电机转矩预测控制器的目标函数，如下：（15）式中，表示加权系数，单位分别为和；表示当前最优目标函数，单位无量纲；分别表示转矩跟踪误差最小和能耗最低两个子目标，单位无量纲。本专利技术单个电机转矩参考值的获得：根据永磁同步电机的机械外特性曲线，估算出当前状态车辆所需的电机驱动轴转矩：（1）（2）式中，和分别表示整车所需的驱动转矩和制动转矩，单位Nm；和分别表示驾驶员的加速踏板和制动踏板开度(0-1)，无量纲；表示电机输出轴和车轮力矩轴之间的传动比，一般大于1，无量纲；表示实时的电机输出轴转速，单位rad/s；表示实时的电机最大轴输出转矩，单位Nm，是一个关于转速的函数，由转速和外特性决定；实时的电机最大轴输出转矩的计算如下：（3）式中为最大功率，为最大输出转矩；计算得到单个轮毂电机期望转矩值，如下：（4）。本专利技术最小转矩跟踪误差和最低能耗：①在中，估算得到单个电机的驱/制动转矩期望值如公式(4)，并转化为电机电流的参考值如公式(5)，通过控制永磁同步电机的d-q轴的下一时刻预测电流跟踪电流参考值误差最小，实现良好的车辆纵向加速和制动性能性能；②在中，电机驱动系统能耗包括电机自身的铜损和逆变器开关损耗，电机自身铜损和通电电流有关，即：（16）式中，表示时间间隔内铜损能耗能量，单位J；逆变器开关损耗包括三相桥臂上6个IGBT开关的关断损耗和导通损耗，定义下角标表示a、b、c逆变器三个桥臂，则第相IGBT在单个时间间隔内的损耗能量，单位J，计算如下：（17）式中，分别表示在时间间隔内逆变器单个桥臂上IGBT开关的名义工况下导通、闭合和关断损耗能量，单位J；分别表示IGBT开关名义工况下的电流和电压值，单位分别为A和V；，无量纲，单位J；表示逆变器第桥臂当前开关的状态改变，如果当前开关状态为，上一时刻开关状态为，则；逆变器的三相桥臂总计能量损耗，单位J：（18）式中，开关状态变化矢量，维度3*1，无量纲；表示abc矢量电流的下一时刻的预测值，单位A，由下式计算得到：（19）式中，和可由公式(11)、(13)和(14)计算得到；③两步筛选原则：在计算目标函数前筛选掉不符合电机运行条件的候选开关状态，两步筛选原则：A、实行最小开关损耗原则，每时域的候选解由8个降低为4个，可将其描述为；B、约束，为永磁同步电机d-q轴电流限幅约束，将预测值超出边界范围开关状态候选解筛选掉。本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种永磁同步电机转矩控制方法，其特征在于：电机转矩预测控制流程是：步骤1）先将转矩参考值根据电机方程转化为电机定子矢量电流参考值；步骤2）建立三相逆变器开关状态和输出的矢量电压之间的关系式；步骤3）将采集的当前电机三相电流值进行clark和park变换为转子坐标系下d‑q轴电流，并根据候选开关状态对应的矢量电压和永磁同步电机电流动态方程估算下一个时域的电流值；步骤4）通过优化问题的代价函数和约束限制，以及筛选原则比较得到最优的开关组合状态，作用逆变器驱动电机。

【技术特征摘要】
1.一种永磁同步电机转矩控制方法，其特征在于：电机转矩预测控制流程是：步骤1）先将转矩参考值根据电机方程转化为电机定子矢量电流参考值；步骤2）建立三相逆变器开关状态和输出的矢量电压之间的关系式；步骤3）将采集的当前电机三相电流值进行clark和park变换为转子坐标系下d-q轴电流，并根据候选开关状态对应的矢量电压和永磁同步电机电流动态方程估算下一个时域的电流值；步骤4）通过优化问题的代价函数和约束限制，以及筛选原则比较得到最优的开关组合状态，作用逆变器驱动电机。2.根据权利要求1所述的永磁同步电机转矩控制方法，其特征在于：步骤1）：先将单个电机转矩参考值根据电机方程转化为永磁同步电机在转子坐标系下的定子d-q轴矢量电流的参考值：（5）式中，和分别表示电机在转子坐标系下的d轴和q轴电流，单位A，其中表示参考值；步骤2）：建立三相逆变器开关状态和转子坐标系下的d-q轴输出矢量电压之间的关系式：首先定义a、b、c三个桥的输出电压分别为、、，单位V，计算如下：（6）式中，表示母线直流电压，单位V；、、分别表示三相开关状态，仅有0和1两个状态，无量纲单位；三相桥式电路每个桥之间存在一个正交向量的相位移，即，由此定义输出电压矢量为三相电压的矢量和：（7）将带入(7)，然后将输出电压矢量表示为轴上的矩阵形式：（8）再经过Park变换，轴上的矢量电压转换为转子坐标系下的定子d-q轴的矢量电压，即：（9）式中表示永磁同步电机的转子角位移，单位rad；由以上公式(8)和(9)，得到逆变器开关状态信号和定子d-q轴矢量电压之间的关系式：(10)步骤3）：下一个时刻的电流值估算过程：首先，采集到当前电机的a、b、c三相电流值、、，单位A，同样根据clark和park变换，转换成转子坐标系下定子d-q轴的矢量电流，作为预测控制的初始状态值，即：（11）然后，根据Kirchoff电压定律和电感特性，建立永磁同步电机转子坐标系下的定子d-q轴电流方程，即：（12）式中，表示电枢电阻，单位；和分别表示d-q轴电感，单位H；表示极对数，无量纲；表示永磁铁磁通量，单位Wb；然后，将公式(10)带入(12)中，整理得到控制输入为开关状态好状态量为d-q矢量电流的动态方程：（13）定义变量，则公式(13)可转换为；采用梯形积分法离散化动态方程(13)，计算公式：（14）式中，表示估算的下一时刻d-q轴电流矢量值，表示中间计算量，表示系统采样周期，单位s；为0-1之间的调节因子，无量纲；步骤4）：最优的开关组合...

【专利技术属性】
技术研发人员：任秉韬，徐薇，赵海艳，赵明星，陈虹，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22