一种开关占空比预测转矩控制方法技术

一种开关占空比预测转矩控制方法：根据永磁同步电机系统中逆变器的三相开关占空比与电磁转矩、定子磁链之间的关系建立永磁同步电机系统中以三相开关占空比为控制变量的预测模型；将离散化的三相开关占空比组纳入到控制集中，建立新的三相离散开关占空比组控制集；将电磁转矩与定子磁链在每个控制周期末的误差平方作为评价指标，构建评价函数，利用评价函数对新建的三相离散开关占空比组控制集中不同的三相离散开关占空比组所对应的电磁转矩与定子磁链在每个控制周期末的误差进行评估；将评估结果中最小的三相离散开关占空比组所对应的三相开关信号输出到三相逆变器中。本发明专利技术根据评价函数的筛选结果直接将最优三相开关占空比对应的三相开关状态输出给逆变器。

A Predictive Torque Control Method for Switch Duty Ratio

A method for predictive torque control of switching duty ratio is presented. According to the relationship between the three-phase switch duty ratio of inverters, electromagnetic torque and stator flux in permanent magnet synchronous motor system, a predictive model with three-phase switch duty ratio as control variable in permanent magnet synchronous motor system is established. The discrete three-phase switch duty ratio group is incorporated into the control concentration, and a new three-phase discrete switch duty ratio is established. The square error of electromagnetic torque and stator flux at the end of each control cycle is taken as the evaluation index, and the evaluation function is constructed. The error of electromagnetic torque and stator flux at the end of each control cycle is evaluated by using the evaluation function corresponding to different duty cycle groups of three-phase discrete switches in the newly-built duty cycle group of three-phase discrete switches. The three-phase switching signal corresponding to the small duty cycle of three-phase discrete switches is output to the three-phase inverters. According to the screening result of the evaluation function, the optimal duty cycle of the three-phase switch is directly output to the three-phase switch state corresponding to the inverter.

【技术实现步骤摘要】
一种开关占空比预测转矩控制方法
本专利技术涉及一种永磁同步电机控制方法。特别是涉及一种在预测转矩控制的情况下，兼顾电机的运行性能的开关占空比预测转矩控制方法。
技术介绍
永磁同步电机具有结构简单、功率密度高、调速范围广等优点，因此在电梯拖动、数控机床、铁路牵引系统等领域中获得了广泛的研究与应用。预测转矩控制具有实现方法灵活，易于在多变量系统中实现，动态响应速度快等优点，如今随着微处理器技术的不断发展，预测转矩控制得到了越来越多的关注，并且在永磁同步电机系统中得到了广泛的研究。在两电平电压源逆变器馈电的永磁同步电机系统中，有限控制集预测转矩控制方法的控制集中的控制变量是8个基本电压矢量：6个幅值及相角固定的有效电压矢量与2个零矢量。由于在每个控制周期中有限控制集预测转矩控制方法仅从控制集中选择一个最优的电压矢量输出到逆变器中，因此有限控制集预测转矩控制的控制自由度低，电磁转矩难以实现高精度控制，造成了较大的转矩波动。为了降低有限控制集预测转矩控制的稳态转矩波动，现有方法通过扩充控制集中的控制变量来提高对电磁转矩与定子磁链的控制精度，降低转矩波动。各类预测转矩控制方法通过丰富控制集中的控制变量或在一个控制周期中施加多个基本电压矢量来提高对电磁转矩与定子磁链的控制精度，但更多的控制量也意味着更高的计算复杂度。随着电力电子器件技术的不断发展，如SiC功率开关器件技术的不断成熟与普及，功率开关器件允许的开关频率不断提高。为了满足获得更高开关频率的需求，需要用更时间完成控制方法的执行，从而提高数字控制电路的控制频率。因此寻找一种具有良好控制性能并且方法复杂度低的控制方法变得更加具有意义。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种能够在获得良好的永磁同步电机转矩、磁链稳态性能的基础上降低预测控制的计算复杂度的开关占空比预测转矩控制方法。本专利技术所采用的技术方案是：一种开关占空比预测转矩控制方法，包括如下步骤：1)根据永磁同步电机系统中逆变器的三相开关占空比与电磁转矩、定子磁链之间的关系建立永磁同步电机系统中以三相开关占空比为控制变量的预测模型；2)将离散化的三相开关占空比组纳入到控制集中，建立新的三相离散开关占空比组控制集；3)将电磁转矩与定子磁链在每个控制周期末的误差平方作为评价指标，构建评价函数，利用评价函数对新建的三相离散开关占空比组控制集中不同的三相离散开关占空比组所对应的电磁转矩与定子磁链在每个控制周期末的误差进行评估；4)将评估结果中最小的三相离散开关占空比组所对应的三相开关信号输出到三相逆变器中。步骤2)所述的预测模型是：式中，|ψs(k+1)|与Te(k+1)分别表示定子磁链幅值与电磁转矩在(k+1)Ts时刻的预测值；|ψs(k)|与Te(k)分别表示定子磁链幅值与电磁转矩在kTs时刻的观测值；Rs表示定子电阻；isx定子电流矢量在x轴上的分量；Vdc表示直流侧母线电压；ωr表示转子磁链矢量旋转角速度；ψf表示永磁体磁链；Ts表示控制周期；其中，Ld与Lq分别表示d、q轴定子电感，np表示PMSM极对数，δ表示负载角，即定子磁链矢量角度θs与转子磁链矢量角度θr之间的差值；dA、dB和dC表示三相开关占空比。步骤1)所述的新的三相离散开关占空比组控制集如下：式中，S表示扇区的标号，S＝1、2、3；lx与ly分别表示各相离散SDR的标号，lx＝0，1,2,…,N，ly＝0,1,2,…,N；当S＝1时，x＝A，y＝B，Z＝C；当S＝2时，x＝A，y＝C，Z＝B；当S＝3时，x＝B，y＝C，Z＝A。步骤3)所述的评价函数为：式中，dA、dB、dC分别表示A、B、C三相开关占空比；λ表示权重因子，用于规定评价函数中定子磁链项的重要程度；eT0＝Te*-Te(k)+Kωr|ψs(k)|Ts，其中，Te*表示电磁转矩的期望值，|ψs(k)|与Te(k)分别表示定子磁链幅值与电磁转矩在kTs时刻的观测值，ωr表示转子磁链矢量旋转角速度，Ts表示控制周期，其中，Ld与Lq分别表示d、q轴定子电感，np表示PMSM极对数，δ表示负载角，即定子磁链矢量角度θs与转子磁链矢量角度θr之间的差值；eψ0＝|ψs*|-|ψs(k)|+RsisxTs，其中，ψs*表示定子磁链矢量的期望值，Rs表示定子电阻；isx定子电流矢量在x轴上的分量；γT＝2KVdcTs/3，其中，Vdc表示直流侧母线电压；γψ＝2VdcTs/3。在完成步骤2)后，还利用无差拍技术提前剔除新建的三相离散开关占空比组控制集中不具备优化控制性能能力的三相离散开关占空比组，将待评估的三相离散开关占空比组数量缩减为4个，然后再进入步骤3)。所述的将待评估的三相离散开关占空比组数量缩减为4个，是将电磁转矩和定子磁链期望值替换步骤1)所述预测模型中电磁转矩和定子磁链的预测值，分别求解出dA为零、dB为零和dC为零时的三组三相开关占空比dA、dB和dC的值，其中，三相开关占空比dA、dB和dC的值均大于等于零的一组三相开关占空比是满足无差拍原则的参考三相开关占空比；将步骤1)所述的新的三相离散开关占空比组控制集中的每一个三相离散开关占空比组与参考三相开关占空比的进行对比，将最接近所述参考三相开关占空比的4个三相离散开关占空比组作为待评估的组，进入步骤3)进行评估。本专利技术的一种开关占空比预测转矩控制方法，具有如下有益效果：1、本专利技术的方法不再以定子电压矢量作为控制变量，而是直接以三相离散三相开关占空比组为控制变量。相比于传统预测转矩控制方法，本专利技术省去了矢量合成与对应三相开关占空比计算的过程，可以根据评价函数的筛选结果直接将最优三相开关占空比对应的三相开关状态输出给逆变器。2、为了避免穷举所有的三相离散开关占空比组，增加不必要的计算负担，本专利技术采用电磁转矩与定子磁链无差拍技术，在每个控制周期提前将不具备优化性能的三相离散开关占空比组剔除掉，从而进一步降低方法的计算负担。3、由于各相开关占空比离散化结果相同，因此无需将三相离散开关占空比组的离散化结果存放在复杂的多维表格中，只需将其存放在简化后的N+1的一维表格中，从而降低了其对数字控制器存储空间的占用。附图说明图1是本专利技术一种开关占空比预测转矩控制方法的流程图；图2是两电平电压源逆变器馈电的永磁同步电机系统拓扑图；图3是两电平电压源逆变器电压矢量图；图4a是一个控制周期中扇区1内合成电压矢量的开关序列图；图4b是一个控制周期中扇区2内合成电压矢量的开关序列图；图4c是一个控制周期中扇区3内合成电压矢量的开关序列图；图5是三相离散开关占空比示意图；图6是三相开关占空比预测转矩控制方法控制框图；图7a是所提开关占空比预测转矩控制方法与经典有限控制集预测转矩控制在转速突变时的暂态波形图；图7b是所提开关占空比预测转矩控制方法与经典有限控制集预测转矩控制在转矩突变时的暂态波形图；图8a是经典有限控制集预测转矩控制的电磁转矩、定子磁链、a相定子电流的稳态波形；图8b是扩展控制集预测转矩控制的电磁转矩、定子磁链、a相定子电流的稳态波形；图8c是开关占空比预测转矩控制的电磁转矩、定子磁链、a相定子电流的稳态波形；图8d是3种方法的转矩波动σT、定子磁链波动σψ、定子电流总谐波失真iTHD和平均开关频率fav的实验统计结果本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种开关占空比预测转矩控制方法，其特征在于，包括如下步骤：1)根据永磁同步电机系统中逆变器的三相开关占空比与电磁转矩、定子磁链之间的关系建立永磁同步电机系统中以三相开关占空比为控制变量的预测模型；2)将离散化的三相开关占空比组纳入到控制集中，建立新的三相离散开关占空比组控制集；3)将电磁转矩与定子磁链在每个控制周期末的误差平方作为评价指标，构建评价函数，利用评价函数对新建的三相离散开关占空比组控制集中不同的三相离散开关占空比组所对应的电磁转矩与定子磁链在每个控制周期末的误差进行评估；4)将评估结果中最小的三相离散开关占空比组所对应的三相开关信号输出到三相逆变器中。

【技术特征摘要】
1.一种开关占空比预测转矩控制方法，其特征在于，包括如下步骤：1)根据永磁同步电机系统中逆变器的三相开关占空比与电磁转矩、定子磁链之间的关系建立永磁同步电机系统中以三相开关占空比为控制变量的预测模型；2)将离散化的三相开关占空比组纳入到控制集中，建立新的三相离散开关占空比组控制集；3)将电磁转矩与定子磁链在每个控制周期末的误差平方作为评价指标，构建评价函数，利用评价函数对新建的三相离散开关占空比组控制集中不同的三相离散开关占空比组所对应的电磁转矩与定子磁链在每个控制周期末的误差进行评估；4)将评估结果中最小的三相离散开关占空比组所对应的三相开关信号输出到三相逆变器中。2.根据权利要求1所述的一种开关占空比预测转矩控制方法，其特征在于，步骤2)所述的预测模型是：式中，|ψs(k+1)|与Te(k+1)分别表示定子磁链幅值与电磁转矩在(k+1)Ts时刻的预测值；|ψs(k)|与Te(k)分别表示定子磁链幅值与电磁转矩在kTs时刻的观测值；Rs表示定子电阻；isx定子电流矢量在x轴上的分量；Vdc表示直流侧母线电压；ωr表示转子磁链矢量旋转角速度；ψf表示永磁体磁链；Ts表示控制周期；其中，Ld与Lq分别表示d、q轴定子电感，np表示PMSM极对数，δ表示负载角，即定子磁链矢量角度θs与转子磁链矢量角度θr之间的差值；dA、dB和dC表示三相开关占空比。3.根据权利要求1所述的一种开关占空比预测转矩控制方法，其特征在于，步骤1)所述的新的三相离散开关占空比组控制集如下：式中，S表示扇区的标号，S＝1、2、3；lx与ly分别表示各相离散SDR的标号，lx＝0，1,2,…,N，ly＝0,1,2,…,N；当S＝1时，x＝A，y＝B，Z＝C；当S＝2时，x＝A，y＝C，Z＝B；当S＝3时，x＝B，y＝C，Z＝A。4.根据权利要求1所述的一种开关占空比预测转矩控制方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏长亮，李晨，阎彦，史婷娜，王志强，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12