一种永磁同步电机无权重系数预测转矩控制方法技术

本发明专利技术提出一种永磁同步电机无权重系数预测转矩控制方法，其步骤为：采样k时刻的永磁同步电机的三相电流、角速度和转子位置角，并通过坐标变换得到输出电流和等效反电动势；根据电压源逆变器的开关状态计算其输出的电压矢量和定子电压，并根据定子电压预测k+1时刻的输出电流、定子磁链以及定子磁链幅值和转矩；再利用定子磁链幅值和转矩计算转矩目标函数和定子磁链目标函数，进而得到新的目标函数；最后，对目标函数的值进行比较，将最小的目标函数对应的电压矢量用于控制永磁同步电机。本发明专利技术通过对转矩和磁链目标函数进行二范数标准化，实现了永磁同步电机的无权重系数预测转矩控制，能够简化系统复杂度，降低转矩纹波，提高转矩控制精度。

A Predictive Torque Control Method without Weight Coefficient for Permanent Magnet Synchronous Motor

【技术实现步骤摘要】
一种永磁同步电机无权重系数预测转矩控制方法
本专利技术涉及电力电子领域，特别是指一种永磁同步电机无权重系数预测转矩控制方法。
技术介绍
近年来，为了应对能源危机，新能源电动汽车技术得到蓬勃发展。与异步电机相比，永磁同步电机(PermanentMagnetSynchronousMotor，PMSM)因具有效率高、功率密度大等诸多优点而在电动汽车领域得到广泛应用。为了提高永磁同步电机的转矩动态控制特性，模型预测控制被广泛应用于永磁同步电机的驱动控制中。然而，常规的永磁同步电机预测转矩控制方法存在需要设计权重系数的缺点。虽然已有文献研究了永磁同步电机无权重系数预测转矩控制方法，但到目前为止，仍没有较好的权重系数理论设计方法。目前已存在永磁同步电机转矩预测的控制方法，比如申请号为201611046203.X，专利技术名称为一种快速无权重系数模型预测控制计算方法及其系统，提出了一种快速无权重系数模型预测控制方法，通过以目标电压矢量作为目标函数，避免了使用权重系数，从而可实现多电平变换器的快速无权重系数控制。然而，该方法不能用于实现永磁同步电机的预测转矩控制。申请号为201810724498.4，专利技术名称为直线感应电机无权重系数模型预测推力控制方法，提出了一种以推力和共轭推力为目标函数的直线感应电机无权重系数模型预测推力控制方法，通过改写目标函数，将不同量纲的推力和磁链转化为同一量纲，从而避免了使用权重系数。然而，该专利技术专利是针对直线感应电机的，无法直接应用于永磁同步电机。申请号为201811426304.9，专利技术名称为基于离散占空比的永磁电机系统无权重预测转矩控制方法，提出了一种永磁同步电机无权重预测转矩控制方法，根据磁链和转矩指令计算参考电压指令，并用参考电压来建立目标函数，从而消除权重系数。该方法虽然可以实现永磁电机系统无权重预测转矩控制，但需要进行复杂的计算以得到目标电压矢量。文献[徐艳平,李园园,周钦.永磁同步电机双模型预测转矩控制策略[J].电力电子技术,2018,52(06):37-39]提出了一种永磁同步电机双模型预测转矩控制，有效地减小转矩脉动，且减小了算法的计算量。然而该方法中需要设计权重因子，而权重因子的设计较困难。
技术实现思路
针对现有的永磁同步电机转矩预测的控制方法存在的计算量复杂的技术问题，本专利技术提出了一种永磁同步电机无权重系数预测转矩控制方法，建立了转矩和磁链两个目标函数，并通过二范数标准化得到了一个新的无需权重系数的目标函数，从而最终实现了永磁同步电机的无权重系数预测转矩控制，简化了算法复杂度，并降低了转矩纹波。本专利技术的技术方案是这样实现的：一种永磁同步电机无权重系数预测转矩控制方法，其步骤如下：步骤一、采样k时刻的永磁同步电机的三相电流ia、ib、ic和永磁同步电机的角速度ωr、转子位置角θr，并将三相电流ia、ib、ic通过坐标变换得到静止αβ坐标系下的输出电流iα和iβ；步骤二、利用步骤一中的转子位置角θr对输出电流iα、iβ进行坐标变换分别求得d轴电流id和q轴电流iq，再将步骤一中的角速度ωr、转子位置角θr和d轴电流id代入永磁同步电机的等效反电动势数学模型中，计算得到永磁同步电机的等效反电动势eα和eβ；步骤三、根据电压源逆变器的开关状态Sa、Sb、Sc，得到电压源逆变器输出的电压矢量Vi(SaSbSc)，其中，i＝0,1,2,3,4,5,6,7，开关状态Sa、Sb、Sc的值等于0或1；步骤四、根据电压源逆变器的直流电压Udc，对步骤三中的电压矢量Vi(SaSbSc)对应的开关状态Sa、Sb、Sc进行坐标变换得到逆变器的输出电压，也即永磁同步电机的定子电压uαi和uβi；步骤五、将步骤一得到的输出电流iα、iβ，步骤二得到的等效反电动势eα、eβ和步骤四得到的定子电压uαi、uβi代入永磁同步电机的离散电流预测模型预测k+1时刻的输出电流iαi(k+1)和iβi(k+1)；步骤六、将步骤五得到的输出电流iαi(k+1)、iβi(k+1)iβ和步骤二得到的等效反电动势eα、eβ代入永磁同步电机的定子磁链预测模型预测k+1时刻的定子磁链ψαi(k+1)、ψβi(k+1)并计算定子磁链幅值ψsi(k+1)；步骤七、将步骤五得到的输出电流iαi(k+1)、iβi(k+1)和步骤六得到的定子磁链ψαi(k+1)、ψβi(k+1)代入永磁同步电机的转矩预测模型，计算得到永磁同步电机的转矩Tei(k+1)；步骤八、根据负载要求设定参考电机转矩并根据参考电机转矩计算参考定子磁链步骤九、计算参考电机转矩减去步骤七得到的转矩Tei(k+1)的绝对值得到转矩目标函数gTi，计算参考定子磁链减去步骤六得到的定子磁链幅值ψsi(k+1)的绝对值得到定子磁链目标函数gψi；步骤十、分别对步骤九得到的转矩目标函数gTi和定子磁链目标函数gψi进行二范数标准化，并通过融合的方式计算得到新的目标函数Gi；步骤十一、比较目标函数Gi的值，将最小的目标函数Gi对应的电压矢量Vi(SaSbSc)作为最优矢量，并将最优矢量用于控制永磁同步电机。优选地，所述步骤一中的三相电流ia、ib、ic通过坐标变换得到静止αβ坐标系下的输出电流iα和iβ为：优选地，所述步骤二中的d轴和q轴的电流id和电流iq的获得方法为：其中，θr为永磁同步电机的转子位置角；所述永磁同步电机的等效反电动势数学模型为：其中，ωr为永磁同步电机的角速度，ψf为永磁同步电机的永磁体磁链，Ld和Lq均为永磁同步电机的定子电感。优选地，所述步骤三中的电压矢量Vi(SaSbSc)的获得方法为：Sa＝1表示双向交直流变换器a相桥臂上管导通，下管关断；Sa＝0表示双向交直流变换器a相桥臂上管关断，下管导通；Sb＝1表示双向交直流变换器b相桥臂上管导通，下管关断；Sb＝0表示双向交直流变换器b相桥臂上管关断，下管导通；Sc＝1表示双向交直流变换器c相桥臂上管导通，下管关断；Sc＝0表示双向交直流变换器c相桥臂上管关断，下管导通；若Sa＝0，Sb＝0，Sc＝0，电压矢量记为V0(000)；若Sa＝1，Sb＝0，Sc＝0，电压矢量记为V1(100)；若Sa＝1，Sb＝1，Sc＝0，电压矢量记为V2(110)；若Sa＝0，Sb＝1，Sc＝0，电压矢量记为V3(010)；若Sa＝0，Sb＝1，Sc＝1，电压矢量记为V4(011)；若Sa＝0，Sb＝0，Sc＝1，电压矢量记为V5(001)；若Sa＝1，Sb＝0，Sc＝1，电压矢量记为V6(101)；若Sa＝1，Sb＝1，Sc＝1，电压矢量记为V7(111)。优选地，所述步骤四中的永磁同步电机的定子电压uαi和uβi的获得方法为：其中，i＝0,1,2,3,4,5,6,7，Sai为电压矢量Vi(SaSbSc)对应的开关状态Sa，Sbi为电压矢量Vi(SaSbSc)对应的开关状态Sb，Sci为电压矢量Vi(SaSbSc)对应的开关状态Sc。优选地，所述步骤五中永磁同步电机的离散电流预测模型为：其中，eα和eβ均为永磁同步电机的等效反电动势，Ts为采样周期，Rs为永磁同步电机的定子电阻，Lq为永磁同步电机的定子电感；所述步骤六中的永磁同步电机的定子磁链预测模型为：其中，ωr为永磁同步电机的角速度；所述步骤六中的定子磁链本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种永磁同步电机无权重系数预测转矩控制方法，其特征在于，其步骤如下：步骤一、采样k时刻的永磁同步电机的三相电流ia、ib、ic和永磁同步电机的角速度ωr、转子位置角θr，并将三相电流ia、ib、ic通过坐标变换得到静止αβ坐标系下的输出电流iα和iβ；步骤二、利用步骤一中的转子位置角θr对输出电流iα、iβ进行坐标变换分别求得d轴电流id和q轴电流iq，再将步骤一中的角速度ωr、转子位置角θr和d轴电流id代入永磁同步电机的等效反电动势数学模型中，计算得到永磁同步电机的等效反电动势eα和eβ；步骤三、根据电压源逆变器的开关状态Sa、Sb、Sc，得到电压源逆变器输出的电压矢量Vi(SaSbSc)，其中，i＝0,1,2,3,4,5,6,7，开关状态Sa、Sb、Sc的值等于0或1；步骤四、根据电压源逆变器的直流电压Udc，对步骤三中的电压矢量Vi(SaSbSc)对应的开关状态Sa、Sb、Sc进行坐标变换得到逆变器的输出电压，也即永磁同步电机的定子电压uαi和uβi；步骤五、将步骤一得到的输出电流iα、iβ，步骤二得到的等效反电动势eα、eβ和步骤四得到的定子电压uαi、uβi代入永磁同步电机的离散电流预测模型预测k+1时刻的输出电流iαi(k+1)和iβi(k+1)；步骤六、将步骤五得到的输出电流iαi(k+1)、iβi(k+1)iβ和步骤二得到的等效反电动势eα、eβ代入永磁同步电机的定子磁链预测模型预测k+1时刻的定子磁链ψαi(k+1)、ψβi(k+1)并计算定子磁链幅值ψsi(k+1)；步骤七、将步骤五得到的输出电流iαi(k+1)、iβi(k+1)和步骤六得到的定子磁链ψαi(k+1)、ψβi(k+1)代入永磁同步电机的转矩预测模型，计算得到永磁同步电机的转矩Tei(k+1)；步骤八、根据负载要求设定参考电机转矩...

【技术特征摘要】
1.一种永磁同步电机无权重系数预测转矩控制方法，其特征在于，其步骤如下：步骤一、采样k时刻的永磁同步电机的三相电流ia、ib、ic和永磁同步电机的角速度ωr、转子位置角θr，并将三相电流ia、ib、ic通过坐标变换得到静止αβ坐标系下的输出电流iα和iβ；步骤二、利用步骤一中的转子位置角θr对输出电流iα、iβ进行坐标变换分别求得d轴电流id和q轴电流iq，再将步骤一中的角速度ωr、转子位置角θr和d轴电流id代入永磁同步电机的等效反电动势数学模型中，计算得到永磁同步电机的等效反电动势eα和eβ；步骤三、根据电压源逆变器的开关状态Sa、Sb、Sc，得到电压源逆变器输出的电压矢量Vi(SaSbSc)，其中，i＝0,1,2,3,4,5,6,7，开关状态Sa、Sb、Sc的值等于0或1；步骤四、根据电压源逆变器的直流电压Udc，对步骤三中的电压矢量Vi(SaSbSc)对应的开关状态Sa、Sb、Sc进行坐标变换得到逆变器的输出电压，也即永磁同步电机的定子电压uαi和uβi；步骤五、将步骤一得到的输出电流iα、iβ，步骤二得到的等效反电动势eα、eβ和步骤四得到的定子电压uαi、uβi代入永磁同步电机的离散电流预测模型预测k+1时刻的输出电流iαi(k+1)和iβi(k+1)；步骤六、将步骤五得到的输出电流iαi(k+1)、iβi(k+1)iβ和步骤二得到的等效反电动势eα、eβ代入永磁同步电机的定子磁链预测模型预测k+1时刻的定子磁链ψαi(k+1)、ψβi(k+1)并计算定子磁链幅值ψsi(k+1)；步骤七、将步骤五得到的输出电流iαi(k+1)、iβi(k+1)和步骤六得到的定子磁链ψαi(k+1)、ψβi(k+1)代入永磁同步电机的转矩预测模型，计算得到永磁同步电机的转矩Tei(k+1)；步骤八、根据负载要求设定参考电机转矩并根据参考电机转矩计算参考定子磁链步骤九、计算参考电机转矩减去步骤七得到的转矩Tei(k+1)的绝对值得到转矩目标函数gTi，计算参考定子磁链减去步骤六得到的定子磁链幅值ψsi(k+1)的绝对值得到定子磁链目标函数gψi；步骤十、分别对步骤九得到的转矩目标函数gTi和定子磁链目标函数gψi进行二范数标准化，并通过融合的方式计算得到新的目标函数Gi；步骤十一、比较目标函数Gi的值，将最小的目标函数Gi对应的电压矢量Vi(SaSbSc)作为最优矢量，并将最优矢量用于控制永磁同步电机。2.根据权利要求1所述的永磁同步电机无权重系数预测转矩控制方法，其特征在于，所述步骤一中的三相电流ia、ib、ic通过坐标变换得到静止αβ坐标系下的输出电流iα和iβ为：3.根据权利要求1所述的永磁同步电机无权重系数预测转矩控制方法，其特征在于，所述步骤二中的d轴和q轴的电流id和电流iq的获得方法为：其中，θr为永磁同步...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭磊磊，李琰琰，王明杰，金楠，武洁，吴振军，杨小亮，章凯旋，王华清，孙怡舒，郭鹏遥，
申请(专利权)人：郑州轻工业学院，
类型：发明
国别省市：河南,41