一种永磁同步电机模型预测转矩控制方法技术

本发明专利技术提供了一种永磁同步电机模型预测转矩控制方法，其特征在于：只需预测零电压矢量作用时的转矩与定子磁链，当转矩误差在设定的阈值以内时零电压矢量被选为最优电压矢量，否则基于直接转矩控制的电压矢量选择表确定最优的非零电压矢量。与直接转矩控制相比，改进的模型预测转矩控制采用固定的开关频率，能够降低开关损耗，提高逆变器的效率；与传统模型预测转矩控制相比，改进的MP‑DTC只需要预测零电压矢量作用时的转矩和定子磁链，并取消了评价函数，大大降低了计算工作量，既继承了直接转矩控制响应速度快的优点，又摒弃了传统模型预测转矩控制计算工作量大的缺点。

A predictive torque control method for permanent magnet synchronous motor model

The invention provides a permanent magnet synchronous motor model predictive torque control method, which is characterized in that: only need to predict the torque and stator flux of zero voltage vector function, when the torque error is below a threshold value of zero voltage vector was selected as the optimal voltage vector, or direct torque control based on voltage vector selection table to determine the optimal non zero voltage vector. Compared with the direct torque control, improved model predictive torque control with fixed switching frequency, can reduce switching loss and improve the efficiency of the inverter; and the traditional model predictive torque control, improved MP DTC only need to predict the torque and stator flux of zero voltage vector function, and cancel the evaluation function, greatly reduced the calculation workload, not only inherits the advantages of fast response of the direct torque control, and abandon the traditional model predictive torque control calculation workload and shortcomings.

【技术实现步骤摘要】
一种永磁同步电机模型预测转矩控制方法
本专利技术涉及电机控制
，尤其涉及一种永磁同步电机模型预测转矩控制方法。
技术介绍
传统的直接转矩控制方式能够显著提高转矩的动态响应速度，并且控制系统结构简单、鲁棒性良好。模型预测直接转矩控制是在传统的直接转矩控制的基础上发展起来的，与传统的直接转矩控制一样具有非常快的响应速度，还能够同时兼顾其它控制目标，如谐波失真、开关频率、电流保护等。然而，上述的传统的直接转矩控制方式存在开关频率不固定、转矩脉动大等缺点，而模型预测直接转矩控制又存在计算工作量大且实时性差的问题，因而本领域尚缺乏一种有效的模型预测转矩控制方法，以能够解决明显降低计算工作量，并提高控制实时性等技术问题。
技术实现思路
针对上述本领域中存在的技术问题，本专利技术提供了一种永磁同步电机模型预测转矩控制方法，具体包括以下步骤：步骤一、在每个采样周期均通过传感器测量电流信号与转子位置信号，并进行延时补偿。步骤二、基于永磁同步电机的数学模型，在零电压矢量作用下对永磁同步电机输出转矩与定子磁链进行预测；步骤三、根据步骤二所预测的转矩、定子磁链分别与给定的参考转矩、参考定子磁链之间的误差，确定最优电压矢量；步骤四、将所述步骤三中确定的最优电压矢量作用于系统进行转矩控制。进一步地，所述步骤二具体包括：永磁同步电机在零电压矢量作用下的离散数学模型为：式中，id(k+1)、iq(k+1)为经过一步延时补偿后k+1时刻的dq轴电流；id0(k+2)、iq0(k+2)为基于永磁同步电机模型预测出的零电压矢量作用一个采样周期后的k+2时刻的dq轴电流；Rs为电机定子绕组阻值；Ld、Lq分别为dq轴电感量；λf为永磁体主磁通；ωr为转子电角速度；Ts为采样周期。在零电压矢量作用下k时刻永磁同步电机的输出转矩Te0(k)与定子磁链ψs0(k)分别为：式中，P为永磁同步电机极数。进一步地，所述步骤三中确定最优电压矢量，具体包括：根据上述公式可知，在零电压矢量的作用下，输出转矩和定子磁链均变化平缓，且逆变器无开关动作，可见零电压的使用能够降低转矩脉动和逆变器的开关损耗。在零电压矢量作用下，预测的输出转矩、定子磁链与给定的参考转矩、定子磁链的误差分别为：对于模型预测转矩控制而言，使用零矢量过多会导致电机输出的平均转矩降低，使用零矢量过少会使逆变器开关频率明显增大。综合考虑这些因素，应设定一个合理的转矩误差与定子磁链误差阈值(DT0，Dψ0)。如果零矢量作用下的预测转矩与定子磁链和给定参考值之间的误差均在允许范围内，则逆变器输出的最优电压矢量为零矢量，否则需进一步在非零电压矢量中选择最优矢量，如以下公式所示：由于定子磁链的变化方向与施加的非零电压矢量的方向相一致，因此当需要选择非零电压矢量时，可基于直接转矩控制的基本原理，采用其定子磁链的分区及电压矢量选择表，选择出最优非零电压矢量。相对于传统的直接转矩控制以及模型预测直接转矩控制，本专利技术所提供的上述方法能够减小了需要确定的最优电压矢量个数，并且省去了评价函数计算，在大幅降低计算量的同时提高处理的实时性，具有诸多的有益效果。附图说明图1是传统模型预测直接转矩控制的原理示意图图2是根据本专利技术所提供方法的控制原理示意图具体实施方式下面结合附图对本专利技术所提供方法的技术方案做出进一步详尽的阐释。图1为永磁同步电机传统模型预测转矩控制系统框图。在传统的模型预测转矩控制中，离散后的永磁同步电机在dq两相旋转坐标系下的电压方程可表示为：式中，Vd(k)、Vq(k)为k时刻dq轴电压，id(k)、iq(k)为k时刻dq轴电流，ωr(k)为转子的电角速度。其中，离散的永磁同步电机定子磁链方程为：ψd(k)＝Ldid(k)+λfψq(k)＝Lqiq(k)式中，ψd(k)和ψq(k)分别为k时刻d轴和q轴磁链，ψs(k)为k时刻定子磁链。离散的输出转矩方程为：式中，Te(k)为k时刻输出电磁转矩，P为永磁同步电机的极数。从图1中可以看出，模型预测转矩控制的控制可分为以下四个步骤：1)测量：通过传感器测量获得相关的状态变量，如电流信号、母线电压信号、转子位置信号等。2)预测：根据测量获得的电机状态变量，利用永磁同步电机的离散数学模型，分别预测逆变器在7个开关状态下的输出转矩和定子磁链。3)评价：分别计算7个开关状态下的评价函数，最优电压矢量应使评价函数的值最小。4)应用：逆变器输出最优电压矢量。上述过程需要在一个采样周期内分别对7种电压矢量作用后的电机输出转矩和定子磁链进行预测，同时评价函数也需要计算7次，导致计算负担过重如图2所示，本专利技术所提供的一种永磁同步电机模型预测转矩控制方法，具体包括以下步骤：步骤一、在每个采样周期均通过传感器测量电流信号与转子位置信号，并进行延时补偿。步骤二、基于永磁同步电机的数学模型，在零电压矢量作用下对永磁同步电机输出转矩与定子磁链进行预测；步骤三、根据步骤二所预测的转矩、定子磁链分别与给定的参考转矩、参考定子磁链之间的误差，确定最优电压矢量；步骤四、将所述步骤三中确定的最优电压矢量作用于系统进行转矩控制。在本申请的一个优选实施例中，所述步骤二具体包括：建立永磁同步电机在零电压矢量作用下的离散数学模型：式中，id(k+1)、iq(k+1)为经过一步延时补偿后k+1时刻的d、q轴电流；id0(k+2)、iq0(k+2)为基于永磁同步电机模型预测出的零电压矢量作用一个采样周期后的k+2时刻的dq轴电流；Rs为电机定子绕组阻值；Ld、Lq分别为dq轴电感量；λf为永磁体主磁通；ωr为转子电角速度；Ts为采样周期。在零电压矢量作用下k时刻永磁同步电机的输出转矩Te0(k)与定子磁链ψs0(k)分别为：其中，P为永磁同步电机极数。在本申请的一个优选实施例中，所述步骤三中确定最优电压矢量，具体包括：在零电压矢量作用下，预测的输出转矩、定子磁链与给定的参考转矩、定子磁链的误差分别为：将上述误差与定子磁链误差阈值(DT0，Dψ0)比较，在小于所述阈值时选择零电压矢量作为逆变器输出的最优电压矢量，否则在非零电压矢量中选择最优电压矢量。在本申请的一个优选实施例中，当需要选择非零电压矢量时，基于直接转矩控制的基本原理，采用其定子磁链的分区及电压矢量选择表，选择出最优非零电压矢量。本专利技术所提供的方法根据转矩与磁链误差，可利用传统直接转矩控制理论中定子磁链的分区和电压矢量选择表确定出最优电压矢量，因而取消了评价函数，同时省去了评价函数中权重因子繁杂的调节工作。尽管已经示出和描述了本专利技术的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本专利技术的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本专利技术的范围由所附权利要求及其等同物限定。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种永磁同步电机模型预测转矩控制方法，其特征在于：具体包括以下步骤：步骤一、在每个采样周期均通过传感器测量电流信号与转子位置信号，并进行延时补偿。步骤二、基于永磁同步电机的数学模型，在零电压矢量作用下对永磁同步电机输出转矩与定子磁链进行预测；步骤三、根据步骤二所预测的转矩、定子磁链分别与给定的参考转矩、参考定子磁链之间的误差，确定最优电压矢量；步骤四、将所述步骤三中确定的最优电压矢量作用于系统进行转矩控制。

【技术特征摘要】
1.一种永磁同步电机模型预测转矩控制方法，其特征在于：具体包括以下步骤：步骤一、在每个采样周期均通过传感器测量电流信号与转子位置信号，并进行延时补偿。步骤二、基于永磁同步电机的数学模型，在零电压矢量作用下对永磁同步电机输出转矩与定子磁链进行预测；步骤三、根据步骤二所预测的转矩、定子磁链分别与给定的参考转矩、参考定子磁链之间的误差，确定最优电压矢量；步骤四、将所述步骤三中确定的最优电压矢量作用于系统进行转矩控制。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤二具体包括：建立永磁同步电机在零电压矢量作用下的离散数学模型：式中，id(k+1)、iq(k+1)为经过一步延时补偿后k+1时刻的dq轴电流；id0(k+2)、iq0(k+2)为基于永磁同步电机模型预测出的零电压矢量作用一个采样周期后的k+2时刻的dq轴电流；Rs为电机定子绕组阻值；Ld、Lq分别为dq轴电感量...

【专利技术属性】
技术研发人员：张承宁，苏丹丹，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11