一种基于预测控制的变幅值变角度电压矢量选择方法技术

本发明专利技术公开了一种基于预测控制的变幅值变角度电压矢量选择方法，在永磁同步电机直接转矩控制系统中能选择合适的电压矢量角度避免不合理的周期性转矩脉动，基于预测控制选择电压矢量幅值使评价函数最小更好地满足控制需求。本发明专利技术能够降低转矩脉动，且开关频率恒定。

A variable angle variable angle voltage vector selection method based on predictive control

The invention discloses a variable angle voltage vector selection method based on predictive control range, can choose the appropriate voltage vector angle to avoid the unreasonable periodic torque ripple in permanent magnet synchronous motor direct torque control system, select the predictive control voltage vector amplitude makes the evaluation function to better meet the control requirements based on the minimum. The invention can reduce the torque ripple, and the switching frequency is constant.

【技术实现步骤摘要】
一种基于预测控制的变幅值变角度电压矢量选择方法
本专利技术涉及一种电压矢量选择方法，具体涉及一种基于预测控制的变幅值变角度电压矢量选择方法。
技术介绍
直接转矩控制技术基于定子磁链坐标系并直接将转矩作为控制对象，避免了旋转坐标变换时的大量计算以及对电机参数的依赖性，其动态性能好，转矩响应时间短。传统开关表实现的永磁同步电机直接转矩控制系统中电压矢量的作用并不总是满足期望，当转矩角较大时，开关表选择的电压矢量对定子磁链和转矩的控制要求相反时，转矩的变化与预期不一致，从而引起转矩脉动。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述不足，提供一种基于预测控制的变幅值变角度电压矢量选择方法，以提高永磁同步电机直接转矩控制系统的性能，减小转矩脉动，且开关频率恒定。为了达到上述目的，本专利技术包括以下步骤：步骤一，将区间表给定的区间等分为十份，并依次选择电压矢量的角度；步骤二，基于预测控制在可变的电压矢量幅值中选择使评价函数最小的电压矢量幅值；步骤三，通过空间矢量调制技术合成所需电压矢量。步骤一中，区间表中，区间1[0°,90°]内的电压矢量增加定子磁链幅值和转矩；区间2[270°,360°-δ]内的电压矢量增加定子磁链幅值，减小转矩；区间3[90°,180-δ]内的电压矢量减小定子磁链幅值，增加转矩；区间4[180°,270°]内的电压矢量减小定子磁链幅值和转矩。区间表的确定过程如下：定子磁链在与其成任意夹角β的电压矢量作用一段时间Δt后，定子磁链的幅值与当前时刻各值的关系如下，施加的电压矢量引起定子磁链幅值变化的相对变化率时电压矢量会增加定子磁链幅值；时电压矢量会减小定子磁链幅值；得到电压矢量对定子磁链幅值的作用规律：当施加电压矢量与定子磁链的夹角位于(-90°,90°)之间时电压矢量增加定子磁链幅值，当施加电压矢量与定子磁链的夹角位于(90°,270°)之间时电压矢量减小定子磁链幅值；忽略转子磁链角度的变化，定子磁链与转子磁链的夹角作为转矩角δ，转矩角δ的变化即为定子磁链角度的变化，施加电压矢量经过Δt时间后，转矩角δ的变化如下所示，将式(1)和式(3)代入表面式永磁同步电机转矩方程得到，其中，定义ΔM表示施加电压矢量经过Δt时间后，电压矢量对永磁同步电机励磁转矩的增减变化，则得到电压矢量对表面式永磁同步电机转矩的作用规律为：当施加电压矢量与定子磁链夹角位于(-δ,180°-δ)之间时电压矢量增加表面式永磁同步电机的转矩，当施加电压矢量与定子磁链夹角位于(180°-δ,360°-δ)之间时电压矢量减小表面式永磁同步电机的转矩。在区间表等分为十份区间中，式(7)为各区间角平分线所在位置；步骤二中，可变幅值通过以下方法得到：定义0＜λ＜1，并进行n等分，得到λ1,λ2,…,λn，取其中任意值λi，定义q为将式(8)代入中，得到通过式(9)和能够得到k+1时刻与k时刻的与的关系以及δ′(k+1)与δ(k)的关系，其中和δ(k)为当前k时刻的值，和δ(k+1)为预测的k+1时刻的值；通过式(10)和式(11)及表面式永磁同步电机转矩方程得到k+1时刻转矩的预测值为：通过式(10)和式(12)定义关于转矩和磁链的评价函数如式(13)所示，其中Te*和为k+1时刻的参考值；施加不同角度、不同幅值的电压矢量时，式(13)中的评价函数g的值会因为电压矢量对转矩和定子磁链影响的不同而不同，g是关于q的函数，即关于电压矢量幅值、角度的函数。步骤三中，通过空间矢量调制合成电压矢量过程如下所示，合成电压矢量的幅值为逆变器6个非零电压矢量形成的六边形内切圆的半径，6个非零电压矢量幅值如式(14)所示，其中Udc为直流母线电压；合成电压矢量的幅值如式(15)所示；电压矢量Vs幅值为Udc为直流母线电压，γ为Vs与目标电压矢量的夹角；由式(16)可知，一个采样周期Ts内电压矢量V1，V2和V0的作用时间如式(17)所示：与现有技术相比，本专利技术在永磁同步电机直接转矩控制系统中能选择合适的电压矢量角度避免不合理的周期性转矩脉动，基于预测控制选择电压矢量幅值使评价函数最小更好地满足控制需求。本专利技术能够降低转矩脉动，且开关频率恒定。附图说明图1是基于本专利技术的永磁同步电机直接转矩控制的原理框图；图2是本专利技术的原理框图；图3是本专利技术中任意电压矢量作用Δt时间后定子磁链变化图；图4是本专利技术中电压矢量选择区间划分图；图5是本专利技术中合成电压矢量幅值图；图6是本专利技术中空间矢量调制。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步说明。参见图1，基于预测控制的永磁同步电机直接转矩控制系统在给定的区间内依次选择电压矢量角度，通过预测控制使评价函数最小选择电压矢量幅值，之后通过空间矢量调制来合成所需的电压矢量，通过逆变器驱动电机。参见图2，本专利技术包括以下步骤：步骤一，将区间表给定的区间等分为十份，并依次选择电压矢量的角度；步骤二，基于预测控制在可变的电压矢量幅值中选择使评价函数最小的电压矢量幅值。步骤三，通过空间矢量调制技术合成所需电压矢量。步骤一中区间表的确定过程如下。任意角度的电压矢量定子磁链在与其成任意夹角β的作用一段很小的时间Δt之后的变化如图3所示。根据图3结合余弦定理可以得到Δt时间后，定子磁链的幅值与当前时刻各值的关系如式(1)所示，可知ψs′是关于β变化的函数。定义如式(2)所示，用来表示施加的电压矢量引起定子磁链幅值变化的相对变化率：时电压矢量会增加定子磁链幅值；时电压矢量会减小定子磁链幅值。则由式(2)可以得到电压矢量对定子磁链幅值的作用规律：当施加电压矢量与定子磁链的夹角位于(-90°,90°)之间时电压矢量增加定子磁链幅值，当施加电压矢量与定子磁链的夹角位于(90°,270°)之间时电压矢量减小定子磁链幅值。忽略转子磁链角度的变化，转矩角δ(定子磁链与转子磁链的夹角)的变化即为定子磁链角度的变化。由图3和正弦定理可知，施加电压矢量经过Δt时间后，转矩角δ的变化如式(3)所示。将式(1)和式(3)代入表面式永磁同步电机转矩方程可得由于其对ΔTe的正负没有影响，定义ΔM表示施加电压矢量经过Δt时间后，电压矢量对永磁同步电机励磁转矩的增减变化。则可得电压矢量对表面式永磁同步电机转矩的作用规律为：当施加电压矢量与定子磁链夹角位于(-δ,180°-δ)之间时电压矢量增加表面式永磁同步电机的转矩，当施加电压矢量与定子磁链夹角位于(180°-δ,360°-δ)之间时电压矢量减小表面式永磁同步电机的转矩。由以上分析可以得知，通过对任意电压矢量对定子磁链和转矩的作用分析可以对电压矢量划分区间如图4所示。其中区间1[0°,90°]内的电压矢量增加定子磁链幅值和转矩；区间3[90°,180-δ]内的电压矢量减小定子磁链幅值，增加转矩；区间4[180°,270°]内的电压矢量减小定子磁链幅值和转矩；区间2[270°,360°-δ]内的电压矢量增加定子磁链幅值，减小转矩。控制规律如表1所示。表1电压矢量区间与滞环比较结果对照表其中φ和τ分别是图1中定子磁链比较器和转矩比较器的结果。在如图4所示的区间内选择电压矢量的角度能避免不合理的转矩脉动，本专利技术将各区间等分为十份，再依次选择电压矢量角度。式(7)为各区间角平分线所在位置。步骤二中可变幅值通过以下方式实现。定义0＜λ＜1，并本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于预测控制的变幅值变角度电压矢量选择方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，将区间表给定的区间等分为十份，并依次选择电压矢量的角度；步骤二，基于预测控制在可变的电压矢量幅值中选择使评价函数最小的电压矢量幅值；步骤三，通过空间矢量调制技术合成所需电压矢量。

【技术特征摘要】
1.一种基于预测控制的变幅值变角度电压矢量选择方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，将区间表给定的区间等分为十份，并依次选择电压矢量的角度；步骤二，基于预测控制在可变的电压矢量幅值中选择使评价函数最小的电压矢量幅值；步骤三，通过空间矢量调制技术合成所需电压矢量。2.根据权利要求1所述的一种基于预测控制的变幅值变角度电压矢量选择方法，其特征在于，步骤一中，区间表中，区间1[0°,90°]内的电压矢量增加定子磁链幅值和转矩；区间2[270°,360°-δ]内的电压矢量增加定子磁链幅值，减小转矩；区间3[90°,180-δ]内的电压矢量减小定子磁链幅值，增加转矩；区间4[180°,270°]内的电压矢量减小定子磁链幅值和转矩。3.根据权利要求2所述的一种基于预测控制的变幅值变角度电压矢量选择方法，其特征在于，区间表的确定过程如下：定子磁链在与其成任意夹角β的电压矢量作用一段时间Δt后，定子磁链的幅值与当前时刻各值的关系如下，施加的电压矢量引起定子磁链幅值变化的相对变化率时电压矢量会增加定子磁链幅值；时电压矢量会减小定子磁链幅值；得到电压矢量对定子磁链幅值的作用规律：当施加电压矢量与定子磁链的夹角位于(-90°,90°)之间时电压矢量增加定子磁链幅值，当施加电压矢量与定子磁链的夹角位于(90°,270°)之间时电压矢量减小定子磁链幅值；忽略转子磁链角度的变化，定子磁链与转子磁链的夹角作为转矩角δ，转矩角δ的变化即为定子磁链角度的变化，施加电压矢量经过Δt时间后，转矩角δ的变化如下所示，将式(1)和式(3)代入表面式永磁同步电机转矩方程得到，其中，定义ΔM表示施加电压矢量经过Δt时间后，电压矢量对永磁同步电机励磁转矩的增减变化，

【专利技术属性】
技术研发人员：李耀华，焦森，曲亚飞，师浩浩，孟祥臻，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61