一种基于磁链矢量的永磁同步电机转矩控制策略制造技术

本发明专利技术公开了一种基于磁链矢量的永磁同步电机转矩控制策略，该策略在有限集模型预测控制的基础上通过分析电磁转矩参考值、定子磁链参考值与磁链矢量相角之间的内在关系，将电磁转矩参考值和定子磁链参考值转化为磁链矢量参考值，构造基于磁链矢量误差的价值函数。在此基础上利用价值函数衡量控制集中备选电压矢量作用效果。为降低开关频率减少损耗，本发明专利技术采用有限控制集的方式，通过计算并使用令价值函数最小时各备选电压矢量最佳占空比，实现基于磁链矢量的转矩控制策略。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电机控制领域，更具体的说，是涉及一种基于磁链矢量的永磁同步电机转矩控制策略，适合于永磁同步电机高精度伺服驱动控制。
技术介绍
永磁同步电机因其能量密度大，转矩惯量比高，价格低，效率高等优点，近年来广泛应用于轨道牵引、纺织、印刷及冶金等工业生产中，永磁同步电机控制技术也成为科研界研究的热点。为获得良好的转矩与磁链控制效果，2013年有技术方案基于无差拍控制思想，计算并调制出令下一控制周期转矩与磁链同时无偏差的伏秒电压矢量。但是该方法需要在两相旋转坐标系中分别考虑转矩和磁链偏差值对所需定子电压矢量的制约关系，从而建立二元一次方程组对定子电压矢量进行求解。无差拍控制方法不仅需要繁重的计算和坐标变换过程，还需要通过空间矢量调制合成定子电压，从而具有较高的开关频率和开关损耗。有限集模型预测控制(FCS-MPC)作为一种具有较低开关频率和损耗特点的控制算法，也被应用于电压型逆变器馈电的永磁同步电机驱动系统中。有限集模型预测控制在当前控制周期内对每个开关状态所产生的电机输出结果进行预测，将预测结果与所期望结果最相近的开关状态作为最佳开关状态应用于下一控制周期。其中价值函数被用来评价不同开关状态对应的预测结果与期望结果相近程度，并以此为标准选出最优开关状态。价值函数可以通过包含不同类型的电机输出量来选出兼顾不同电机性能的最优开关状态。作为有限集模型预测控制的一种，传统预测转矩控制(PTC)将转矩与磁链两个电机输出量引入价值函数。由于转矩和磁链不是同一量纲，导致价值函数的值难以均衡表现转矩和磁链预测值与期望值的偏差程度。为了解决这一问题，传统PTC在价值函数中磁链项之前加入了一个权重系数，以此来调节磁链项对价值函数值的影响程度。通常将电机额定转矩与额定磁链的比值当作权重系数初始值，然而最终权重系数的选择是一个由大量仿真和实验结果决定的探索式过程。因此权重系数大小的确定往往需要多次尝试和调整，也伴随着大量的时间和观测过程。为避免对权重系数的反复调整，2016年有技术方案依据等转矩效应选择使价值函数中转矩误差为零的伏秒电压矢量，从而消除权重系数并通过加入占空比来缓解等转矩效应弱化磁链控制的影响；也有技术方案把为获得期望转矩和期望磁链幅值的矢量作用时间作为价值函数项，从而避免量纲不同的问题；也有技术方案把权重系数作为价值函数中的变量，计算得到使转矩波动最小化情况下的最佳权重系数。此外，传统预测转矩控制往往通过价值函数选出最优矢量之后再进行占空比调制。这样原本加入占空比的可以获得更好转矩和磁链控制效果的电压矢量反而可能不会被选择到，即传统预测转矩控制并不能有效利用占空比调制。
技术实现思路
本专利技术在有限集模型预测控制的基础上提出一种基于磁链矢量的永磁同步电机转矩控制策略，该策略通过分析电磁转矩参考值、定子磁链参考值与磁链矢量相角之间的内在关系，将电磁转矩参考值和定子磁链参考值转化为磁链矢量参考值，构造基于磁链矢量误差的价值函数。在此基础上利用价值函数衡量控制集中备选电压矢量作用效果。为降低开关频率减少损耗，本专利技术采用有限控制集的方式，通过计算并使用令价值函数最小时各备选电压矢量最佳占空比，实现基于磁链矢量的转矩控制策略。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于磁链矢量的永磁同步电机转矩控制策略，涉及三相电源、永磁同步电机、三相逆变桥和控制器，通过计算参考定子磁链矢量和参考定子电压矢量，将调制后的定子电压矢量通入永磁同步电机，使电机定子磁链矢量跟随参考定子磁链矢量，从而获得较好的转矩和磁链控制性能，同时降低开关频率和开关损耗，包括以下步骤：(1)计算电磁转矩参考值、定子磁链参考值与磁链矢量相角的关系，计算参考定子磁链矢量的相角；(2)考虑数字控制器延时条件下进行磁链观测及延时补偿，计算数字控制器一个延时周期条件下的参考定子磁链矢量Ψsref和参考定子电压矢量；(3)为衡量有限控制集中各备选电压矢量对电机定子磁链矢量作用效果，构造一个基于磁链矢量的价值函数来计算电机定子磁链矢量与参考定子磁链矢量Ψsref之间的偏差；(4)计算使得所述价值函数最小时的各备选电压矢量的占空比，并选取令价值函数最小时所对应的电压矢量和占空比作为最佳电压矢量及最佳占空比。步骤(1)中满足电磁转矩参考值及定子磁链参考值控制要求的转子磁链矢量Ψr逆时针旋转到定子磁链矢量Ψs所需的角度θrs应为式中，Ls为电机定子电感，Ψsref和Teref代表定子磁链参考值和电磁转矩参考值，Ψr为永磁同步电机转子磁链幅值，p为电机极对数。步骤(2)中，由于电压矢量us(k+1)直到第(k+1)Ts时刻才作用于电机，为使其在第(k+2)Ts时刻电机的定子磁链矢量与参考定子磁链矢量Ψsref之间无偏差，参考定子磁链矢量Ψsref的幅值和相角分别为(k+1)Ts时刻参考定子电压矢量为式中，Ts为采样周期，Rs电机定子电阻，is代表定子电流矢量。步骤(3)中价值函数表示为参考定子磁链矢量与第(k+2)Ts时刻电机定子磁链矢量之差的绝对值。步骤(4)中参考定子电压矢量与加入占空比的备选电压矢量之差与所述备选电压矢量垂直，此时，各备选电压矢量Vi的最佳占空比diopt为式中,θvu表示由参考定子电压矢量与备选电压矢量Vi之间的夹角。与现有技术相比，本专利技术的技术方案所带来的有益效果是：(1)本专利技术将电磁转矩参考值和磁链幅值参考值转化为磁链矢量参考值，构造基于磁链矢量误差的价值函数。从而消除了传统PTC算法中平衡转矩和磁链幅值误差的权重系数，避免权重系数整定问题。(2)本专利技术计算和调制参考定子电压矢量，利用有限集控制方式拓展了备选矢量的数量，通过参考定子电压矢量将每个控制周期内的备选电压矢量数量降到两个，与预测转矩控制相比避免备选电压矢量的重复计算。(3)本专利技术利用价值函数计算备选矢量的最佳占空比，使得占空比调制环节相比传统PTC算法更能有效发挥作用，从而解决了占空比环节在传统PTC算法中无法有效发挥作用的问题，获得了更好的控制效果。(4)传统的预测转矩控制方法并未解决权重系数整定和有效利用占空比的问题，本专利技术在预测转矩控制的基础上，通过令定子磁链矢量跟随参考定子磁链矢量，消除了传统预测转矩控制价值函数中的权重系数并有效利用占空比，获得较好的转矩和磁链控制性能。附图说明图1为基于磁链矢量的转矩控制框图。图2为延时补偿时序图。图3为有效矢量及其调制生成的虚拟电压矢量图。图4(a)、4(b)和4(c)分别为传统PTC算法、加入占空比和虚拟矢量的PTC算法和本专利技术算法下的稳态仿真波形。图5(a)、5(b)和5(c)分别为传统PTC算法、加入占空比和虚拟矢量的PTC算法和本专利技术算法下的突增转矩仿真波形。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步的描述：本专利技术保护一种基于磁链矢量的永磁同步电机转矩控制策略，也即基于磁链矢量的转矩控制算法，其控制框图如图1所示。主要包括定子磁链相角参考值计算，磁链观测及延时补偿，参考定子电压矢量计算，有限控制集和占空比计算环节。以下将逐一分析：两相静止坐标系下，表贴式永磁同步电机的电压和磁链方程分别为Ψs＝Lsis+Ψr(2)式中，Rs和Ls为电机电阻和定子电感；us和is代表定子电压和电流矢量；Ψs和Ψr代表定子磁链矢量和转子磁链矢量。永磁本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于磁链矢量的永磁同步电机转矩控制策略，涉及三相电源、永磁同步电机、三相逆变桥和控制器，其特征在于，通过计算参考定子磁链矢量和参考定子电压矢量，将调制后的定子电压矢量通入永磁同步电机，使电机定子磁链矢量跟随参考定子磁链矢量，从而获得较好的转矩和磁链控制性能，同时降低开关频率和开关损耗，包括以下步骤：(1)计算电磁转矩参考值、定子磁链参考值与磁链矢量相角的关系，计算参考定子磁链矢量的相角；(2)考虑数字控制器延时条件下进行磁链观测及延时补偿，计算数字控制器一个延时周期条件下的参考定子磁链矢量Ψsref和参考定子电压矢量；(3)为衡量有限控制集中各备选电压矢量对电机定子磁链矢量作用效果，构造一个基于磁链矢量的价值函数来计算电机定子磁链矢量与参考定子磁链矢量Ψsref之间的偏差；(4)计算使得所述价值函数最小时的各备选电压矢量的占空比，并选取令价值函数最小时所对应的电压矢量和占空比作为最佳电压矢量及最佳占空比。

【技术特征摘要】
1.一种基于磁链矢量的永磁同步电机转矩控制策略，涉及三相电源、永磁同步电机、三相逆变桥和控制器，其特征在于，通过计算参考定子磁链矢量和参考定子电压矢量，将调制后的定子电压矢量通入永磁同步电机，使电机定子磁链矢量跟随参考定子磁链矢量，从而获得较好的转矩和磁链控制性能，同时降低开关频率和开关损耗，包括以下步骤：(1)计算电磁转矩参考值、定子磁链参考值与磁链矢量相角的关系，计算参考定子磁链矢量的相角；(2)考虑数字控制器延时条件下进行磁链观测及延时补偿，计算数字控制器一个延时周期条件下的参考定子磁链矢量Ψsref和参考定子电压矢量；(3)为衡量有限控制集中各备选电压矢量对电机定子磁链矢量作用效果，构造一个基于磁链矢量的价值函数来计算电机定子磁链矢量与参考定子磁链矢量Ψsref之间的偏差；(4)计算使得所述价值函数最小时的各备选电压矢量的占空比，并选取令价值函数最小时所对应的电压矢量和占空比作为最佳电压矢量及最佳占空比。2.根据权利要求1所述一种基于磁链矢量的永磁同步电机转矩控制策略，其特征在于，步骤(1)中满足电磁转矩参考值及定子磁链参考值控制要求的转子磁链矢量Ψr逆时针旋转到定子磁链矢量Ψs所需的角度θrs应为θrs=arcsin(TerefLs1.5pΨrΨsref)]]>式中，Ls为电机定子电感，Ψsref和Teref代表定子磁链参考值和电磁转矩参考值，Ψr为永磁同步电机转子磁链幅值，p为电机极对数。3.根据权利要求...

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