本发明专利技术公开了一种永磁同步电机准无差拍模型预测磁链控制方法，在有限控制框架内，首先计算下一时刻的定子磁链矢量参考值，再根据参考值按照无差拍控制思想，获得目标电压矢量；通过目标电压矢量的位置角判断目标电压矢量所在扇区，利用扇区选择3个有效电压矢量；然后，根据3个有效电压矢量预测下一时刻的定子磁链矢量；最后，通过优化价值函数获得逆变器最优开关状态，逆变器根据最优开关状态输出电压给永磁同步电机。本方法的价值函数中不含有权值计算，在进行价值函数优化时，只需针对3个有效电压矢量进行优化，减少了算法运算时间。
【技术实现步骤摘要】
一种永磁同步电机准无差拍模型预测磁链控制方法
本专利技术涉及一种永磁同步电机准无差拍模型预测磁链控制方法，属于电机驱动及控制技术。
技术介绍
有限控制集模型预测控制能够根据被控对象的约束和离散特性在线解决优化问题，其结构简单且容易实现，近年来在电力电子和电机驱动领域被广泛应用。在电机控制领域，根据控制变量的不同，有限控制集模型预测控制有模型预测电流控制、模型预测转矩控制和模型预测磁链控制。模型预测电流控制以定子电枢电流为控制对象，其稳态转矩脉动较大。模型预测转矩控制的价值函数由转矩和定子磁链幅值两部分构成，由于二者量纲不同，需要通过权值进行联接，目前权值的选择仍是一个开放性课题，没有统一的理论指导。模型预测磁链控制与模型预测转矩控制相比，仅以定子磁链矢量为控制目标，避免了权值计算，可简化控制算法。在三相交流电机两电平逆变器驱动结构中，模型预测磁链控制是在7个不同的基本电压矢量中寻找最优电压矢量。而较多的电压矢量对象，在优化过程中会加剧系统延迟，导致预测控制不精准，特别是在多相电机预测控制中。因此，减少优化过程中的对象有利于提高预测控制性能。
技术实现思路
专利技术目的：鉴于上述背景，本专利技术针对永磁同步电机模型预测磁链控制过程中最优电压矢量选择过程作了进一步优化。根据无差拍控制思想，利用模型预测磁链控制中的磁链矢量参考计算目标电压矢量，提供一种永磁同步电机准无差拍模型预测磁链控制方法；由于模型预测磁链控制是在有限控制集原理下设计的，因此本专利技术方法不能获得真正意义上的目标电压矢量，只能从目标电压矢量所在扇区内的基本电压矢量中选择最优基本电压矢量，即不能实现真正意义上的无差拍控制，而只能实现准无差拍控制。技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种永磁同步电机准无差拍模型预测磁链控制方法，包括如下步骤：(1)计算参考转矩Te*(k)：将参考速度ω*(k)与实际反馈速度ω(k)的差值e(k)输入PI控制器，根据公式(1.1)计算参考转矩Te*(k)；其中：KP和KI分别为PI控制器的比例增益和积分增益；(2)计算(k+1)时刻定子磁链矢量参考ψs*(k+1)：将定子磁链幅值参考|ψs*(k)|和参考转矩Te*(k)输入转矩角计算模块，根据公式(2.1)计算转矩角参考δ*(k)；将转子位置角θr(k)和实际反馈速度ω(k)输入转子位置角预测模块，根据公式(2.2)预测(k+1)时刻转子位置角θr(k+1)；将转矩角参考δ*(k)和(k+1)时刻转子位置角θr(k+1)相加，得到(k+1)时刻定子磁链位置角θs(k+1)；将定子磁链幅值参考|ψs*(k)|和(k+1)时刻定子磁链位置角θs(k+1)输入定子磁链矢量参考计算模块，根据公式(2.4)计算(k+1)时刻定子磁链矢量参考ψs*(k+1)；θr(k+1)＝θr(k)+ω(k)Ts(2.2)θs(k+1)＝δ*(k)+θr(k+1)(2.3)ψs*(k+1)＝|ψs*(k)|exp(jθs(k+1))(2.4)其中：Ls为永磁同步电机同步电感，Pr为永磁同步电机极对数，|ψf*(k)|为永磁体磁链幅值，Ts为预测控制的采样时间；(3)有效电压矢量选择：将(k+1)时刻定子磁链矢量参考ψs*(k+1)输入目标矢量计算模块，根据公式(3.1)计算目标电压矢量uobj(k+1)；将目标电压矢量uobj(k+1)输入目标电压矢量角计算模块，根据公式(3.2)计算目标电压矢量与α轴夹角θu(k+1)；将目标电压矢量与α轴夹角θu(k+1)输入扇区判断模块，根据目标电压矢量与α轴夹角θu(k+1)判断目标电压矢量uobj(k+1)的扇区号N(k+1)；将扇区号N(k+1)输入选择模块，获得三个基本电压矢量ui(k+1)，矢量编号i＝2N-1,2N,2N+1；其中：ψs(k)为k时刻定子磁链矢量，Rs为定子电阻，is(k)为定子电流，uobjβ(k+1)和uobjα(k+1)分别为uobj(k+1)的α轴和β轴分量；(4)计算(k+1)时刻定子磁链矢量预测值ψs(k+1)：将定子电流is(k)和三个基本电压矢量ui(k+1)输入定子磁链矢量预测模块，根据公式(4.1)计算(k+1)时刻定子磁链矢量预测值ψs(k+1)；ψs(k+1)＝ψs(k)+Ts(ui(k+1)-Rsis(k))(4.1)(5)选择逆变器最优开关状态：将(k+1)时刻定子磁链矢量参考ψs*(k+1)和(k+1)时刻定子磁链矢量预测值ψs(k+1)输入优化模块，根据公式(5.1)计算价值函数gi，价值函数gi取最小值时，其对应的基本电压矢量确定为最优基本电压矢量uopt，根据最优基本电压矢量uopt获得最优开关状态Sa,b,c；gi＝|ψs*(k+1)-ψs(k+1)|(5.1)(6)输出最优电压：逆变器将最优开关状态Sa,b,c转化为最优电压输送给永磁同步电机。具体的，选择模块在获得扇区号N(k+1)后，按照下述关系选择三个基本电压矢量ui(k+1)：①N(k+1)＝1时，基本电压矢量为(100,000,110)，三个基本电压矢量为u1、u2和u3；②N(k+1)＝2时，基本电压矢量为(110,000,010)，三个基本电压矢量为u3、u4和u5；③N(k+1)＝3时，基本电压矢量为(010,000,011)，三个基本电压矢量为u5、u6和u7；④N(k+1)＝4时，基本电压矢量为(011,000,001)，三个基本电压矢量为u7、u8和u9；⑤N(k+1)＝5时，基本电压矢量为(001,000,101)，三个基本电压矢量为u9、u10和u11；⑥N(k+1)＝6时，基本电压矢量为(101,000,100)，三个基本电压矢量为u11、u12和u13。有益效果：本专利技术提供的永磁同步电机准无差拍模型预测磁链控制方法，直接以定子磁链矢量为控制变量，与普通的模型预测控制相比，避免了权值的计算，简化了最优基本电压矢量选择过程，降低了系统延迟，有利于提高算法的时效性，更适合于实际应用。本专利技术所提供的方法也为多相电机和多电平逆变器模型预测控制策略优化提供了一种新思路。附图说明图1为本专利技术的原理框图，包括PI控制器1、定子磁链矢量参考计算模块2、有效电压矢量选择模块3、定子磁链矢量预测模块4、优化模块5、逆变器6、永磁同步电机7和光电编码器8；图2为定子磁链矢量参考计算模块2的原理框图，包括转矩角计算模块2-1、转子位置角预测模块2-2和定子磁链矢量参考计算模块2-3；图3为有效电压矢量选择模块3的原理框图，包括目标电压矢量计算模块3-1、目标电压矢量角计算模块3-2、扇区判断模块3-3和选择模块3-4；图4是k时刻永磁同步电机矢量关系图；图5是k时刻电压矢量关系图；图6是准无差拍模型预测磁链控制算法流程图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作更进一步的说明。如图1所示为一种永磁同步电机准无差拍模型预测磁链控制系统如图1所示，包括PI控制器1、定子磁链矢量参考计算模块2、有效电压矢量选择模块3、定子磁链矢量预测模块4、优化模块5、逆变器6、永磁同步电机7和光电编码器8。要实现所述的永磁同步电机准无差拍模型预测磁链控制，需要计算定子磁链矢量参考ψs*(k+1)和定子磁链矢量预测值ψs(k+1)，根据准无差拍控本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种永磁同步电机准无差拍模型预测磁链控制方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)计算参考转矩Te*(k)：将参考速度ω*(k)与实际反馈速度ω(k)的差值e(k)输入PI控制器(1)，根据公式(1.1)计算参考转矩Te*(k)；Te*(k)=e(k)(KP+KIs)---(1.1)]]>其中：KP和KI分别为PI控制器(1)的比例增益和积分增益；(2)计算(k+1)时刻定子磁链矢量参考ψs*(k+1)：将定子磁链幅值参考|ψs*(k)|和参考转矩Te*(k)输入转矩角计算模块(2‑1)，根据公式(2.1)计算转矩角参考δ*(k)；将转子位置角θr(k)和实际反馈速度ω(k)输入转子位置角预测模块(2‑2)，根据公式(2.2)预测(k+1)时刻转子位置角θr(k+1)；将转矩角参考δ*(k)和(k+1)时刻转子位置角θr(k+1)相加，得到(k+1)时刻定子磁链位置角θs(k+1)；将定子磁链幅值参考|ψs*(k)|和(k+1)时刻定子磁链位置角θs(k+1)输入定子磁链矢量参考计算模块(2‑3)，根据公式(2.4)计算(k+1)时刻定子磁链矢量参考ψs*(k+1)；δ*(k)=arcsin2LsTe*(k)3Pr|ψs*(k)||ψf*(k)|---(2.1)]]>θr(k+1)＝θr(k)+ω(k)Ts (2.2)θs(k+1)＝δ*(k)+θr(k+1) (2.3)ψs*(k+1)＝|ψs*(k)|exp(jθs(k+1)) (2.4)其中：Ls为永磁同步电机同步电感，Pr为永磁同步电机极对数，|ψf*(k)|为永磁体磁链幅值，Ts为预测控制的采样时间；(3)有效电压矢量选择：将(k+1)时刻定子磁链矢量参考ψs*(k+1)输入目标矢量计算模块(3‑1)，根据公式(3.1)计算目标电压矢量uobj(k+1)；将目标电压矢量uobj(k+1)输入目标电压矢量角计算模块(3‑2)，根据公式(3.2)计算目标电压矢量与α轴夹角θu(k+1)；将目标电压矢量与α轴夹角θu(k+1)输入扇区判断模块(3‑3)，根据目标电压矢量与α轴夹角θu(k+1)判断目标电压矢量uobj(k+1)的扇区号N(k+1)；将扇区号N(k+1)输入选择模块(3‑4)，获得三个基本电压矢量ui(k+1)，矢量编号uobj(k+1)=ψs*(k+1)-ψs(k)Ts+Rsis(k)---(3.1)]]>θu(k+1)=arc tanuobjβ(k+1)uobjα(k+1)---(3.2)]]>其中：ψs(k)为k时刻定子磁链矢量，Rs为定子电阻，is(k)为定子电流，uobjβ(k+1)和uobjα(k+1)分别为uobj(k+1)的α轴和β轴分量；(4)计算(k+1)时刻定子磁链矢量预测值ψs(k+1)：将定子电流is(k)和三个基本电压矢量ui(k+1)输入定子磁链矢量预测模块(4)，根据公式(4.1)计算(k+1)时刻定子磁链矢量预测值ψs(k+1)；ψs(k+1)＝ψs(k)+Ts(ui(k+1)‑Rsis(k)) (4.1)(5)选择逆变器最优开关状态：将(k+1)时刻定子磁链矢量参考ψs*(k+1)和(k+1)时刻定子磁链矢量预测值ψs(k+1)输入优化模块(5)，根据公式(5.1)计算价值函数gi，价值函数gi取最小值时，其对应的基本电压矢量确定为最优基本电压矢量uopt，根据最优基本电压矢量uopt获得最优开关状态Sa,b,c；gi＝|ψs*(k+1)‑ψs(k+1)| (5.1)(6)输出最优电压：逆变器将最优开关状态Sa,b,c转化为最优电压输送给永磁同步电机。...
【技术特征摘要】
1.一种永磁同步电机准无差拍模型预测磁链控制方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)计算参考转矩Te*(k)：将参考速度ω*(k)与实际反馈速度ω(k)的差值e(k)输入PI控制器(1)，根据公式(1.1)计算参考转矩Te*(k)；其中：KP和KI分别为PI控制器(1)的比例增益和积分增益；(2)计算k+1时刻定子磁链矢量参考ψs*(k+1)：将定子磁链幅值参考|ψs*(k)|和参考转矩Te*(k)输入转矩角计算模块(2-1)，根据公式(2.1)计算转矩角参考δ*(k)；将转子位置角θr(k)和实际反馈速度ω(k)输入转子位置角预测模块(2-2)，根据公式(2.2)预测k+1时刻转子位置角θr(k+1)；将转矩角参考δ*(k)和k+1时刻转子位置角θr(k+1)相加，得到k+1时刻定子磁链位置角θs(k+1)；将定子磁链幅值参考|ψs*(k)|和k+1时刻定子磁链位置角θs(k+1)输入定子磁链矢量参考计算模块(2-3)，根据公式(2.4)计算k+1时刻定子磁链矢量参考ψs*(k+1)；θr(k+1)＝θr(k)+ω(k)Ts(2.2)θs(k+1)＝δ*(k)+θr(k+1)(2.3)ψs*(k+1)＝|ψs*(k)|exp(jθs(k+1))(2.4)其中：Ls为永磁同步电机同步电感，Pr为永磁同步电机极对数，|ψf*(k)|为永磁体磁链幅值，Ts为预测控制的采样时间；(3)有效电压矢量选择：将k+1时刻定子磁链矢量参考ψs*(k+1)输入目标矢量计算模块(3-1)，根据公式(3.1)计算目标电压矢量uobj(k+1)；将目标电压矢量uobj(k+1)输入目标电压矢量角计算模块(3-2)，根据公式(3.2)计算目标电压矢量与α轴夹角θu(k+1)；将目标电压矢量与α轴夹角θu(k+1)输入扇区判断模块(3-3)，根据目标电压矢量与α轴夹角θu(k+1)判断目标电压矢量uobj(k+1)的扇区号N(k+1)；将扇区号N(k+1)输入选择模块(3-4)，获得三个基本电压矢量ui(k+1)，矢量编号i＝2N-1,...
【专利技术属性】
技术研发人员：花为，黄文涛，程明，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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