永磁同步电机模型预测-直接转矩控制方法技术

一种永磁同步电机模型预测‑直接转矩控制方法，属于控制技术领域。本发明专利技术的目的是利用降维观测器完成对系统中转矩和磁链的准确估计，然后采用模型预测控制算法来设计轮毂电机驱动系统控制器的永磁同步电机模型预测‑直接转矩控制方法。本发明专利技术步骤是：选择电机转矩和磁链为状态量，选取使转矩与磁链预测值与期望值误差最小的目标函数，获得控制电机的三相电压完成对PMSM的控制。本发明专利技术应用的模型预测控制算法能够有效处理多输入多输出以及多约束的优化控制问题，取替了传统直接转矩控制中滞环比较器和开关选择模块，避免了滞环的上下限脉动和不必要的开关损耗，有效抑制了驱动电机的转矩脉动。

【技术实现步骤摘要】
永磁同步电机模型预测-直接转矩控制方法
本专利技术属于控制

技术介绍
随着人们生活质量的提高和汽车行业的飞速发展，近些年我国的汽车保有量不断增长，全球不可再生能源储量不断消耗，已严重威胁到能源安全，尤其是大量传统燃油汽车的使用进一步加剧了环境的恶化。电动汽车具有高能效、零排放、低污染的优势，已经成为了未来汽车的发展趋势。轮毂电机驱动的电动汽车是近些年的研究热点，这种电动汽车的最大特点是将电机安装在电动汽车的车轮上，电机产生的驱动力矩直接作用于车轮，省去传统汽车复杂的机械传动装置，节省空间，提高汽车舒适度，且能实现汽车的轻量化，轮毂驱动系统实现了汽车各个驱动轮的独立精确控制，提高了驱动系统对汽车的控制力。电动汽车整车转矩控制策略为驾驶员踩下加速踏板给出转矩需求，电动汽车动力总成控制器接收该信息并结合整车当前行驶状况和道路、环境状况计算出最优驱动转矩并下达转矩控制指令，轮毂电机控制系统响应该指令并且提供需求转矩，由于工况变化频繁，经常启动刹车，上下坡等，其输出转矩变化频繁。频繁的转矩脉动会造成驱动电机的振动和噪声，降低电机驱动系统可靠性和控制精度，并且会增加电机的额外耗能，缩短电动汽车续航里程。所以得到快速准确的转矩跟踪是车用永磁同步电机的重要控制目标。目前应用于电机控制的基本方法主要有磁场定向控制(Fieldorientedcontrol)和直接转矩控制(Directtorquecontrol)。当前电机控制科研领域中出现的很多控制策略都是以这两种方法为基础衍生而来的。针对车用永磁同步电机的转矩跟踪控制，主要存在以下几个问题：1.轮毂电机的数学模型复杂，存在电流量耦合、对电机参数依赖大等问题，电流量在不同坐标系下的变换加大了控制系统的计算量，使动态响应变慢，影响轮毂电机驱动系统的控制效果，特别是在交通突变情况下，若驱动系统不能及时响应，易造成交通事故。2.存在磁链估计不准的问题，当控制系统需要对转矩和磁链进行直接跟踪控制时，无法直接通过测量获得当前时刻实际的转矩和磁链的值，而转矩和磁链的估计偏差将直接影响轮毂电机驱动系统的控制效果。3.三相逆变器的有效控制在提高电机驱动系统的控制性能中起着关键性的作用，由于实际逆变器中存在死区时间，会造成转矩和磁链的误差，增加损耗，甚至可能导致系统发生振荡现象。
技术实现思路
本专利技术的目的是利用降维观测器完成对系统中转矩和磁链的准确估计，然后采用模型预测控制算法来设计轮毂电机驱动系统控制器的永磁同步电机模型预测-直接转矩控制方法。本专利技术步骤是：①选择电机转矩和磁链为状态量，即x＝[Teψs]T，选择三相逆变器的开关信号为控制量，即u＝[SaSbSc]T，选择系统的时变参数为d＝ψd，λ为死区补偿，则系统状态方程为：式中，矩阵B为：②选取使转矩与磁链预测值与期望值误差最小的J作为目标函数：③将可选不同开关组合所对应的各项值代入目标函数J，筛选得到目标函数值最小时对应的开关组合作为控制器输出的控制量；④具体控制过程可表述为：首先通过传感器得到电压反馈量ud、uq和电流反馈量id、iq，将数据传递给磁链观测器，可得当前时刻磁链估计值和转矩估计值将估计值和给定值传递给MPC控制器，经过最优计算得到控制器输出控制量Sa、Sb、Sc作用于三相逆变器，然后得到控制电机的三相电压完成对PMSM的控制；⑤驱动系统控制器的控制目标主要有以下几个部分：1)通过模型预测控制算法设计控制器避免传统滞环控制所带来的上下限脉动，有效抑制控制器对目标跟踪控制的干扰，提高控制精度；2)设计控制器选取逆变器控制信号为控制量，省略了开关选择辅助模块，简化了系统结构，避免了不必要的损耗；3)在保证系统结构简单，损耗小的前提下，选择优化目标函数，通过求解得到最佳控制量组合，有效抑制转矩和磁链的跟踪误差，完成驱动系统的主要控制目标；4)考虑死区效应带来的影响，通过在模型预测控制器中加入死区建模，对逆变器实现更加准确的控制，减小死区带来的误差。本专利技术所述的磁链降维观测器：①对永磁同步电机三相电流ia,ib,ic进行Clarke变换，得到两相电流iα,iβ，同理得到两相的定子磁链为ψα,ψβ，两相的电压uα,uβ；考虑死区的永磁同步电机状态方程为：状态空间方程可以简化为：②设计降维观测器，选取变量z代替状态量x2，进行变量替换得：其中具体矩阵D,F,G,H为：其中γ为极点配置参数；③配置极点dd＝γ|ωr|＜0(18)④最终得当γ小于0时，观测器收敛，取γ＝-0.2。本专利技术与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1.将电机转矩和磁链作为被控目标，并在定子坐标系下完成系统设计，不需要借助电流量完成控制，有效避免了复杂的坐标变化和电机模型中电流量耦合问题，降低了系统的复杂度，提高了系统的动态响应速度和系统控制效果的直观性、可靠性。2.在进行电机转矩和磁链估计的时候，考虑到传统积分估计中存在误差累积问题，本专利技术应用降维观测器原理，将传统方法中的开环积分估计转换成闭环估计控制形式，消除积分累积误差，提高电机转矩和磁链估计准确性，同时减小电机固有参数的变化对磁链估计产生的影响。3.本专利技术针对实际工程中逆变器存在死区时间，导致逆变器输出电压电流基波减少，高次谐波分量增加，引发转矩脉动，增加电机的附加损耗，甚至可能导致系统发生振荡现象，对逆变器与电机进行重新建模，进行死区补偿，减小死区带来的影响，提高转矩控制效果。4.本专利技术应用的模型预测控制算法能够有效处理多输入多输出以及多约束的优化控制问题，取替了传统直接转矩控制中滞环比较器和开关选择模块，避免了滞环的上下限脉动和不必要的开关损耗，有效抑制了驱动电机的转矩脉动。附图说明图1是三相逆变器及永磁同步电机系统的结构示意图；图2是基于观测器和模型预测控制的永磁同步电机直接转矩控制系统结构框图；图3是三相逆变器的结构示意图；图4是逆变器死区逻辑模拟图；图5是逆变器a相桥臂电流示意图；图6是逆变器死区基本原理示意图；图7是模型预测控制的基本原理图；图8是未考虑死区MPC-DTC与考虑死区的MPC-DTC正弦转矩跟踪仿真对比图。图9是未考虑死区MPC-DTC与考虑死区的MPC-DTC阶跃转矩跟踪仿真对比图。图10是降维观测器的磁链仿真图。具体实施方式本专利技术涉及一种车用永磁同步电机的模型预测-直接转矩控制方法，具体来说，本专利技术涉及一种可以有效提高磁链估计精度并减小永磁同步电机的转矩脉动的模型预测控制方法，同时通过对逆变器死区进行补偿来改善逆变器控制效果，从而完成对给定转矩快速准确的跟踪控制，达到电动汽车轮毂电机驱动控制系统的要求。本专利技术设计的基于死区补偿和降维观测器的模型预测控制的永磁同步电机驱动控制系统能很好的改善以上三点问题。首先，本次设计选用直接转矩控制方法作为基础，直接转矩控制不需要借助电流量，直接对转矩和磁链进行控制，简化电机的数学模型，避免复杂的坐标变换，提高了系统的动态响应速度。针对传统直接转矩控制中磁链和转矩估计不准确的问题，本次设计将采用降维观测器方法对磁链进行观测，来减小磁链估计过程中产生的偏差，进而实现转矩的精确估计，减少转矩脉动。最后，本设计采用模型预测控制算法来设计电机驱动控制系统的控制器，选用三相逆变器作为控制系统的执行器，其中，模型预测控制器输出最优的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种永磁同步电机模型预测‑直接转矩控制方法，其特征在于：其步骤是：①选择电机转矩和磁链为状态量，即x＝[Te ψs]T，选择三相逆变器的开关信号为控制量，即u＝[Sa Sb Sc]T，选择系统的时变参数为d＝ψd，λ为死区补偿，则系统状态方程为：

【技术特征摘要】
1.一种永磁同步电机模型预测-直接转矩控制方法，其特征在于：其步骤是：①选择电机转矩和磁链为状态量，即x＝[Teψs]T，选择三相逆变器的开关信号为控制量，即u＝[SaSbSc]T，选择系统的时变参数为d＝ψd，λ为死区补偿，则系统状态方程为：式中，矩阵B为：②选取使转矩与磁链预测值与期望值误差最小的J作为目标函数：③将可选不同开关组合所对应的各项值代入目标函数J，筛选得到目标函数值最小时对应的开关组合作为控制器输出的控制量；④具体控制过程可表述为：首先通过传感器得到电压反馈量ud、uq和电流反馈量id、iq，将数据传递给磁链观测器，可得当前时刻磁链估计值和转矩估计值将估计值和给定值传递给MPC控制器，经过最优计算得到控制器输出控制量Sa、Sb、Sc作用于三相逆变器，然后得到控制电机的三相电压完成对PMSM的控制；⑤驱动系统控制器的控制目标主要有以下几个部分：1)通过模型预测控制算法设计控制器避免传统滞环控制所带来的上下限脉动，有效抑制控制器对目标跟踪控制的干扰...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵海艳，陶冶，冯宇驰，赵津杨，马彦，陈虹，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22