计及最优占空比调制的永磁同步电机预测磁链控制方法技术

本发明专利技术公开了一种计及最优占空比调制的永磁同步电机预测磁链控制方法，通过将磁链矢量的有效值最小化原理引入到基本电压矢量的占空比计算中，并结合电压矢量筛选方法，可在降低处理器计算时间的同时有效抑制转矩和磁链脉动，提高系统的可靠性和稳态性能。首先将转矩增量转化为负载角增量，将控制目标统一为定子磁链矢量；然后根据无差拍思想进行基本电压矢量筛选，在减小备选矢量的前提下可以快速计算出有效电压矢量的作用时间；进而通过磁链矢量的有效值最小化原理计算出电压矢量的占空比，并根据磁链矢量的综合误差确定所选电压矢量和矢量占空比，有效抑制转矩和磁链脉动。

【技术实现步骤摘要】
计及最优占空比调制的永磁同步电机预测磁链控制方法
本专利技术涉及一种电机预测磁链控制方法，特别是一种计及最优占空比调制的永磁同步电机预测磁链控制方法。
技术介绍
有限状态集模型预测控制是一种基于系统动态模型的计算，可根据不同设计要求设计价值函数，由于概念简单，动态响应快，易于考虑系统的约束以及具有优秀的多变量控制能力等优点，近些年吸引了国内外大量学者对其在电力传动领域的应用近些了研究。传统的模型预测控制目标函数包含转矩和磁链不同量纲的控制变量，需要繁复的权重系数调试；专注于转矩增量控制而对定子磁链的增量作近似处理，导致较大磁链控制偏差；每个控制周期施加一个电压矢量，转矩和磁链脉动较大，稳定性能相对较差。因此，研究一种能够实现算法复杂度减小、转矩脉动降低、磁链控制精度提高和权重系数消除的预测控制算法有着广阔的发展前景。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种计及最优占空比调制的永磁同步电机预测磁链控制方法，用于电机驱动系统的转矩和磁链脉动抑制。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种计及最优占空比调制的永磁同步电机预测磁链控制方法，其特征在于包含以下步骤：步骤一：在每一个控制周期中，利用转速PI控制器实时计算转矩参考值Te*；步骤二：通过PARK坐标变换器实时计算逆变器输出d/q轴电流id/iq，进而将获得的d/q轴电流输入转矩估计模块实时计算转矩Te，然后利用转矩PI控制器实时计算负载角增量Δδsf；步骤三：基于最大转矩电流比原理，通过磁链幅值参考值估计模块计算(k+1)时刻的定子磁链矢量参考幅值ψs*(k+1)；步骤四：将获得的d/q轴电流输入磁链估计模块实时获得磁链矢量ψsd/ψsq，进而将获得的磁链矢量输入负载角估计模块实时计算负载角δsf，然后结合负载角增量Δδsf获得(k+1)时刻的负载角参考值步骤五：将获得的(k+1)时刻磁链矢量参考幅值ψs*(k+1)和负载角参考值δsf(k+1)输入定子磁链矢量参考值计算模块得到(k+1)时刻的参考磁链矢量ψsd*(k+1)/ψsq*(k+1)；步骤六：将获得的(k+1)时刻的参考磁链矢量ψsd*(k+1)/ψsq*(k+1)、磁链矢量ψsd/ψsq和d/q轴电流id/iq输入无差拍计算模块得到(k+1)时刻的参考电压矢量ud*(k+1)/uq*(k+1)；步骤七：将获得的参考电压矢量输入电压矢量筛选模块，进而根据扇区选取两个基本非零矢量ui(i＝1,2)；步骤八：将两个基本非零矢量ui(i＝1,2)、磁链矢量ψs和零矢量u0输入占空比计算模块得到非零矢量对应的占空比di(i＝1,2)；步骤九：将(k+1)时刻的参考磁链矢量ψsd*(k+1)/ψsq*(k+1)、基本电压矢量ui(i＝1,2)、占空比di(i＝1,2)和磁链矢量ψs输入最小化目标函数模块得到所选电压矢量uopt和占空比dopt，进而将开关状态送给逆变器得到三相电驱动永磁同步电机。进一步地，所述步骤一具体为将参考转速n*与实际转速n的差值en输入转速PI控制器，根据公式(1.1)获得参考转矩Te*：其中，KPn和KIn分别为转速PI控制器的比例增益和积分增益，s为拉普拉斯积分项。进一步地，所述步骤二中电机负载角增量Δδsf获取方法为2.1将采集得到的逆变器输出三相电流和电机转子磁链位置角输入PARK坐标变换器，根据公式(2.1)进行坐标变换获得d/q轴电流id/iq；其中，ia、ib和ic为逆变器输出三相电流，θr为转子磁链位置角；2.2将获得的d/q轴电流id/iq输入转矩估计模块，根据公式(2.2)实时计算转矩Te；其中，P为极对数，ψf为永磁体磁链幅值，Ld和Lq分别为直轴和交轴电感；2.3将获得的参考转矩Te*与实时转矩Te的差值eT输入转矩PI控制器，根据公式(2.3)获得负载角增量Δδsf；其中，KPT和KIT分别为转速PI控制器的比例增益和积分增益。进一步地，所述步骤三中(k+1)时刻的定子磁链矢量参考幅值ψs*(k+1)获取方法为将获得的参考转矩Te*输入磁链幅值参考值估计模块，根据公式(3.1)计算(k+1)时刻的定子磁链矢量参考幅值ψs*(k+1)：进一步地，所述步骤四中计算(k+1)时刻负载角δsf(k+1)的方法具体为4.1将获得的d/q轴电流输入磁链估计模块，根据公式(4.1)计算磁链矢量ψsd/ψsq；4.2将获得的磁链矢量输入负载角估计模块，根据公式(4.2)实时计算电机负载角δsf，然后根据公式(4.3)将实时负载角增量与实时负载角相加得到(k+1)时刻的负载角进一步地，所述步骤五中计算(k+1)时刻参考磁链矢量ψsd*(k+1)/ψsq*(k+1)方法为将获得的定子磁链矢量参考幅值ψs*(k+1)和负载角δsf(k+1)输入定子磁链矢量参考值计算模块，根据公式(5.1)计算(k+1)时刻的参考磁链矢量ψsd*(k+1)/ψsq*(k+1)：进一步地，所述步骤六中计算(k+1)时刻参考电压矢量ud*(k+1)/uq*(k+1)的方法为将获得的(k+1)时刻的参考磁链矢量ψsd*(k+1)/ψsq*(k+1)、磁链矢量ψsd/ψsq和d/q轴电流id/iq输入无差拍计算模块，根据公式(6.1)计算得到(k+1)时刻的参考电压矢量ud*(k+1)/uq*(k+1)：其中，Rs为定子电阻，Ts为采样时间，ωe为转子电角速度。进一步地，所述步骤七中选取两个基本非零矢量ui(i＝1,2)的方法为根据公式(7.1)将获得的参考电压矢量经过反PARK变换得到uα*(k+1)/uβ*(k+1)；进而根据公式(7.2)获得参考电压矢量在αβ轴的参考角度θs*；然后将θs*按[0,π/3)、[π/3,2π/3)、[2π/3,π)、[π,4π/3)、[4π/3,5π/3)、[5π/3,2π)划分为6个扇区，分别编号I、II、III、IV、V、VI，选取得到基本非零矢量ui(i＝1,2)：进一步地，所述步骤八中计算两个基本非零矢量对应的占空比di(i＝1,2)的方法为将选取得到基本非零矢量ui(i＝1,2)、零矢量u0、磁链矢量ψsd/ψsq输入占空比计算模块，根据公式(8.1)计算非零矢量和零矢量分别作用时磁链沿d/q轴的变化率，进而计算公式(8.2)的有效值最小值，计算得到的占空比di(i＝1,2)如公式(8.3)所示：其中，S11/S12分别为非零矢量/零矢量沿d轴的磁链变化率，S21/S22分别为非零矢量/零矢量沿q轴的磁链变化率，uid(i＝1,2)为选取的非零矢量沿d轴的分量，uiq(i＝1,2)为选取的非零矢量沿d轴的分量；其中，S1为非零矢量和零矢量沿d轴的磁链变化率之差，S1＝S11-S12，S2为非零矢量和零矢量沿q轴的磁链变化率之差，S2＝S21-S22，Er为磁链矢量有效值与磁链矢量给定值之差，ψsde为定子磁链沿d轴的初始误差，ψsde＝ψsd-ψsd*(k+1)，ψsqe为定子磁链沿q轴的初始误差，ψsqe＝ψsq-ψsq*(k+1)；其中，C＝S1Ts(2ψsde+S12Ts)+S2Ts(2ψsqe+S22Ts)，A＝S1(-2S1-S12)+S2(-2S2-S22)。进一步地，所述步骤九中将(k+1)时刻的参考磁链矢量ψs本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种计及最优占空比调制的永磁同步电机预测磁链控制方法，其特征在于包含以下步骤：步骤一：在每一个控制周期中，利用转速PI控制器实时计算转矩参考值Te*；步骤二：通过PARK坐标变换器实时计算逆变器输出d/q轴电流id/iq，进而将获得的d/q轴电流输入转矩估计模块实时计算转矩Te，然后利用转矩PI控制器实时计算负载角增量Δδsf；步骤三：基于最大转矩电流比原理，通过磁链幅值参考值估计模块计算(k+1)时刻的定子磁链矢量参考幅值ψs*(k+1)；步骤四：将获得的d/q轴电流输入磁链估计模块实时获得磁链矢量ψsd/ψsq，进而将获得的磁链矢量输入负载角估计模块实时计算负载角δsf，然后结合负载角增量Δδsf获得(k+1)时刻的负载角参考值δsf*(k+1)；步骤五：将获得的(k+1)时刻磁链矢量参考幅值ψs*(k+1)和负载角参考值δsf(k+1)输入定子磁链矢量参考值计算模块得到(k+1)时刻的参考磁链矢量ψsd*(k+1)/ψsq*(k+1)；步骤六：将获得的(k+1)时刻的参考磁链矢量ψsd*(k+1)/ψsq*(k+1)、磁链矢量ψsd/ψsq和d/q轴电流id/iq输入无差拍计算模块得到(k+1)时刻的参考电压矢量ud*(k+1)/uq*(k+1)；步骤七：将获得的参考电压矢量输入电压矢量筛选模块，进而根据扇区选取两个基本非零矢量ui(i＝1,2)；步骤八：将两个基本非零矢量ui(i＝1,2)、磁链矢量ψs和零矢量u0输入占空比计算模块得到非零矢量对应的占空比di(i＝1,2)；步骤九：将(k+1)时刻的参考磁链矢量ψsd*(k+1)/ψsq*(k+1)、基本电压矢量ui(i＝1,2)、占空比di(i＝1,2)和磁链矢量ψs输入最小化目标函数模块得到所选电压矢量uopt和占空比dopt，进而将开关状态送给逆变器得到三相电驱动永磁同步电机。...

【技术特征摘要】
1.一种计及最优占空比调制的永磁同步电机预测磁链控制方法，其特征在于包含以下步骤：步骤一：在每一个控制周期中，利用转速PI控制器实时计算转矩参考值Te*；步骤二：通过PARK坐标变换器实时计算逆变器输出d/q轴电流id/iq，进而将获得的d/q轴电流输入转矩估计模块实时计算转矩Te，然后利用转矩PI控制器实时计算负载角增量Δδsf；步骤三：基于最大转矩电流比原理，通过磁链幅值参考值估计模块计算(k+1)时刻的定子磁链矢量参考幅值ψs*(k+1)；步骤四：将获得的d/q轴电流输入磁链估计模块实时获得磁链矢量ψsd/ψsq，进而将获得的磁链矢量输入负载角估计模块实时计算负载角δsf，然后结合负载角增量Δδsf获得(k+1)时刻的负载角参考值δsf*(k+1)；步骤五：将获得的(k+1)时刻磁链矢量参考幅值ψs*(k+1)和负载角参考值δsf(k+1)输入定子磁链矢量参考值计算模块得到(k+1)时刻的参考磁链矢量ψsd*(k+1)/ψsq*(k+1)；步骤六：将获得的(k+1)时刻的参考磁链矢量ψsd*(k+1)/ψsq*(k+1)、磁链矢量ψsd/ψsq和d/q轴电流id/iq输入无差拍计算模块得到(k+1)时刻的参考电压矢量ud*(k+1)/uq*(k+1)；步骤七：将获得的参考电压矢量输入电压矢量筛选模块，进而根据扇区选取两个基本非零矢量ui(i＝1,2)；步骤八：将两个基本非零矢量ui(i＝1,2)、磁链矢量ψs和零矢量u0输入占空比计算模块得到非零矢量对应的占空比di(i＝1,2)；步骤九：将(k+1)时刻的参考磁链矢量ψsd*(k+1)/ψsq*(k+1)、基本电压矢量ui(i＝1,2)、占空比di(i＝1,2)和磁链矢量ψs输入最小化目标函数模块得到所选电压矢量uopt和占空比dopt，进而将开关状态送给逆变器得到三相电驱动永磁同步电机。2.按照权利要求1所述的计及最优占空比调制的永磁同步电机预测磁链控制方法，其特征在于：所述步骤一具体为将参考转速n*与实际转速n的差值en输入转速PI控制器，根据公式(1.1)获得参考转矩Te*：其中，KPn和KIn分别为转速PI控制器的比例增益和积分增益，s为拉普拉斯积分项。3.按照权利要求1所述的计及最优占空比调制的永磁同步电机预测磁链控制方法，其特征在于：所述步骤二中电机负载角增量Δδsf获取方法为2.1将采集得到的逆变器输出三相电流和电机转子磁链位置角输入PARK坐标变换器，根据公式(2.1)进行坐标变换获得d/q轴电流id/iq；其中，ia、ib和ic为逆变器输出三相电流，θr为转子磁链位置角；2.2将获得的d/q轴电流id/iq输入转矩估计模块，根据公式(2.2)实时计算转矩Te；其中，P为极对数，ψf为永磁体磁链幅值，Ld和Lq分别为直轴和交轴电感；2.3将获得的参考转矩Te*与实时转矩Te的差值eT输入转矩PI控制器，根据公式(2.3)获得负载角增量Δδsf；其中，KPT和KIT分别为转速PI控制器的比例增益和积分增益。4.按照权利要求1所述的计及最优占空比调制的永磁同步电机预测磁链控制方法，其特征在于：所述步骤三中(k+1)时刻的定子磁链矢量参考幅值ψs*(k+1)获取方法为将获得的参考转矩Te*输入磁链幅值参考值估计模块，根据公式(3.1)计算(k+1)时刻的定子磁链矢量参考幅值ψs*(k+1)：5.按照权利要求1所述的计及最优占空比调制的永磁同步电机预测磁链控制方法，其特征在于：所述步骤四中计算(k+1)时刻负载角δsf(k+1)的方法具体为4.1将获得的d/q轴电流输入磁链估计模块，根据公式(4.1)计算磁链矢量ψsd/ψsq；4.2将获得的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张蔚，袁晓强，於锋，张徐，杨泽贤，翟良冠，王文林，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32