一种精简备选有限状态集模型预测直接转矩控制方法技术

本发明专利技术公开了一种精简备选有限状态集模型预测直接转矩控制方法，计算成本函数g值并带入七个基本电压矢量集合，加入滞环控制信号，一个扇区位置信号以及转矩角信号判断，通过下一时刻的定子磁链幅值和转矩值计算成本函数g值，得出成本函数最小的电压矢量；加入当前转矩角的信号，以不同滞环控制信号、扇区位置信号以及不同转矩角的范围作为限制条件，舍弃利用率低的电压矢量；通过转矩脉动均方根误差、磁链脉动均方根误差、评价函数平均值和平均开关频率指标，采用简化备选电压矢量集合控制策略减小模型预测控制的计算负担，实现直接转矩控制。本发明专利技术在保持良好的控制性能的前提下，同时又减轻了预测计算负担，有效提高系统实时性能。

A simplified alternative finite state set model predictive direct torque control method

【技术实现步骤摘要】
一种精简备选有限状态集模型预测直接转矩控制方法
本专利技术属于电机控制
，具体涉及一种精简备选有限状态集模型预测直接转矩控制方法。
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。表面式永磁同步电机直接转矩预测控制系统中，有六个基本电压矢量和两个零电压矢量，引入评价函数，从转矩误差和定子磁链误差两个方面综合考虑，直接根据定子磁链在静止坐标的角位置，输出评价函数最小的电压矢量。但是伴随着变量和运算函数，增加了预测计算运行的时间和复杂程度，故此，提出一种基于电压矢量利用率的精简备选有限状态集模型预测直接转矩控制方法，进而优化控制系统性能。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种精简备选有限状态集模型预测直接转矩控制方法，在保持控制性能相当的同时减小预测运算次数，有效提高系统实时性能。本专利技术采用以下技术方案：一种精简备选有限状态集模型预测直接转矩控制方法，包括以下步骤：S1、通过当前转矩和定子磁链、参考转矩和参考磁链以及定子磁链的角位置，和下一时刻的定子磁链幅值和转矩值计算成本函数g值，将七个基本电压矢量集合带入成本函数中，模型预测控制原则是选择令成本函数最小的电压矢量；S2、加入滞环控制信号，加入一个扇区位置信号以及转矩角信号判断，通过下一时刻的定子磁链幅值和转矩值计算成本函数g值，得出成本函数最小的电压矢量；S3、加入当前转矩角的信号，以不同滞环控制信号、扇区位置信号以及不同转矩角的范围作为限制条件，舍弃利用率低的电压矢量；S4、通过转矩脉动均方根误差、磁链脉动均方根误差、评价函数平均值和平均开关频率指标，采用简化备选电压矢量集合控制策略减小模型预测控制的计算负担，实现直接转矩控制。具体的，步骤S1中，根据永磁同步电机电压矢量图确定从原点到六边形六个顶点的六个基本电压矢量V1～V6和1个零电压矢量，根据转矩和定子磁链确定出最小成本函数值的电压矢量，输出该电压矢量的开关状态，电压矢量备选集合如下：6个非零电压矢量幅值为2Udc/3，Udc为直流母线电压，零电压矢量幅值为零。进一步的，六个基本电压矢量V1～V6的角度集合α1-6计算如下：α1-6∈{-θs(k),60°-θs(k),120°-θs(k),180°-θs(k),240°-θs(k),300°-θs(k)}其中，θs(k)为静止坐标系下定子磁链角位置。具体的，步骤S1中，成本函数值g和成本函数均值gave计算如下：其中，Te*为参考转矩，Te(k+1)为下一时刻的转矩，为参考定子磁链，为下一时刻的定子磁链。进一步的，磁链和转矩变化如下：其中，Δt为电压矢量的作用时间，为电压矢量，ψf为转子磁链，δ为转矩角，α为电压矢量与定子磁链的夹角。具体的，步骤S4中，转矩脉动均方根误差Trip_RMSE计算如下：其中，Te为当前时刻的转矩，为参考转矩，n为样本数量。具体的，步骤S4中，定子磁链脉动均方根误差ψrip_RMSE计算如下：其中，ψs为当前时刻的定子磁链，为参考定子磁链，n为样本数量。具体的，步骤S4中，评价函数平均值mave计算如下：其中，n为样本数量，为参考定子磁链，Te*为参考转矩，Te为当前时刻的转矩。具体的，步骤S4中，平均开关频率fave计算如下：其中，n为样本数量，Nswitching为逆变器开关总次数，t为仿真时长。具体的，简化备选电压矢量集合的控制策略如下：定子磁链扇区θ1内，当增加磁链，增加转矩时，备选电压矢量集合为{V0，V2，V3}；当增加磁链，减小转矩时，备选电压矢量集合为{V0，V5，V6}；当减小磁链，增加转矩时，备选电压矢量集合为{V0，V2，V3}；当减小磁链，减小转矩时，备选电压矢量集合为{V0，V5，V6}。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：本专利技术一种精简备选有限状态集模型预测直接转矩控制方法，通过定子磁链的角位置、转矩脉动和定子磁链脉动的大小，确定下一时刻的基本电压矢量，加入滞环信号和扇区位置信号以及转矩角的判断，简化备选电压集合，先从七个基本电压矢量开始分析，通过当前转矩和定子磁链、参考转矩和磁链以及定子磁链的角位置，和下一时刻的定子磁链幅值和转矩值计算成本函数g值，得出成本函数最小的电压矢量，模型预测的方法相比于传统开关表控制可以有效达到减小不合理转矩脉动的效果。进一步的，可在考虑增加磁链扇区，磁链和转矩滞环控制以及转矩角信号判定的约束下，再次下一时刻的定子磁链幅值和转矩值计算成本函数g值，得出成本函数最小的电压矢量。进一步的，在加入磁链扇区，磁链和转矩滞环控制以及转矩角范围的附加条件下，根据七个基本电压矢量利用率的整体的高低趋势，简化电压矢量备选集合，达到简化集合的同时又保持系统的良好控制性能要求。进一步的，对模型预测系统提出一系列的评价指标，将提出简化电压矢量备选集合与七个基本电压矢量集合在控制性能上进行比较，验证基于简化电压矢量备选集合的控制系统可以牺牲少量控制性能，来减小模型预测控制的计算负担。综上所述，本专利技术在保持良好的控制性能的前提下，同时又减轻了预测计算负担，有效提高系统实时性能。下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。附图说明图1为用7个基本电压矢量集合的永磁同步电机模型预测控制系统图；图2为使用7个基本电压矢量集合的永磁同步电机模型预测控制流程图；图3为使用简化基本电压矢量集合的永磁同步电机模型预测控制系统图；图4为使用简化基本电压矢量集合的永磁同步电机模型预测控制流程图；图5为永磁同步电机电压矢量图；图6使用7个基本电压矢量集合的永磁同步电机模型预测控制转速波形图；图7使用7个基本电压矢量集合的永磁同步电机模型预测控制转矩波形图；图8使用7个基本电压矢量集合的永磁同步电机模型预测控制定子磁链幅值波形图；图9使用7个基本电压矢量集合的永磁同步电机模型预测控制静止坐标系下定子磁链轨迹图；图10使用7个基本电压矢量集合的永磁同步电机模型预测控制a相定子电流图；图11使用7个基本电压矢量集合的永磁同步电机模型预测控制转矩角波形图；图12使用7个基本电压矢量集合的永磁同步电机模型预测控制定子磁链扇区与电压矢量示意图；图13使用简化基本电压矢量集合的永磁同步电机模型预测控制转速波形图；图14使用简化基本电压矢量集合的永磁同步电机模型预测控制转矩波形图；图15使用简化基本电压矢量集合的永磁同步电机模型预测控制定子磁链幅值波形图；图16使用简化基本电压矢量集合的永磁同步电机模型预测控制静止坐标系下定子磁链轨迹图；图17使用简化基本电压矢量集合的永磁同步电机模型预测控制a相定子电流图。具体实施方式请参阅图1和图2，本专利技术提供了一种精简备选有限状态集模型预测直接转矩控制方法，首先通过当前转矩和定子磁链、参考转矩和参考磁链以及定子磁链的角位置，和下一时刻的定子磁链幅值和转矩值计算成本函数g值，选出g值最小的基本电压矢量。请参阅图3和图4，加入滞环信号和扇区位置信号以及转矩角的判断，简化备选电压集合，再通过下一时刻的定子磁链幅值和转矩值计算成本函数g值，选出g值最小的基本电压矢量。本专利技术一种精简备选有限状态集模型预测直接转矩本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种精简备选有限状态集模型预测直接转矩控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、通过当前转矩和定子磁链、参考转矩和参考磁链以及定子磁链的角位置，下一时刻的定子磁链幅值和转矩值计算成本函数g值，将七个基本电压矢量集合带入成本函数中，模型预测控制原则是选择令成本函数最小的电压矢量；S2、加入滞环控制信号，加入一个扇区位置信号以及转矩角信号判断，通过下一时刻的定子磁链幅值和转矩值计算成本函数g值，得出成本函数最小的电压矢量；S3、加入当前转矩角的信号，以不同滞环控制信号、扇区位置信号以及不同转矩角的范围作为限制条件，舍弃利用率低的电压矢量；S4、通过转矩脉动均方根误差、磁链脉动均方根误差、评价函数平均值和平均开关频率指标，采用简化备选电压矢量集合控制策略减小模型预测控制的计算负担，实现直接转矩控制。

【技术特征摘要】
1.一种精简备选有限状态集模型预测直接转矩控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、通过当前转矩和定子磁链、参考转矩和参考磁链以及定子磁链的角位置，下一时刻的定子磁链幅值和转矩值计算成本函数g值，将七个基本电压矢量集合带入成本函数中，模型预测控制原则是选择令成本函数最小的电压矢量；S2、加入滞环控制信号，加入一个扇区位置信号以及转矩角信号判断，通过下一时刻的定子磁链幅值和转矩值计算成本函数g值，得出成本函数最小的电压矢量；S3、加入当前转矩角的信号，以不同滞环控制信号、扇区位置信号以及不同转矩角的范围作为限制条件，舍弃利用率低的电压矢量；S4、通过转矩脉动均方根误差、磁链脉动均方根误差、评价函数平均值和平均开关频率指标，采用简化备选电压矢量集合控制策略减小模型预测控制的计算负担，实现直接转矩控制。2.根据权利要求1所述的精简备选有限状态集模型预测直接转矩控制方法，其特征在于，步骤S1中，根据永磁同步电机电压矢量图确定从原点到六边形六个顶点的六个基本电压矢量V1～V6和1个零电压矢量，根据转矩和定子磁链确定出最小成本函数值的电压矢量，输出该电压矢量的开关状态，电压矢量备选集合如下：6个非零电压矢量幅值为2Udc/3，Udc为直流母线电压，零电压矢量幅值为零。3.根据权利要求2所述的精简备选有限状态集模型预测直接转矩控制方法，其特征在于，六个基本电压矢量V1～V6的角度集合α1-6计算如下：α1-6∈{-θs(k),60°-θs(k),120°-θs(k),180°-θs(k),240°-θs(k),300°-θs(k)}其中，θs(k)为静止坐标系下定子磁链角位置。4.根据权利要求1所述的精简备选有限状态集模型预测直接转矩控制方法，其特征在于，步骤S1中，成本函数值g和成本函数均...

【专利技术属性】
技术研发人员：李耀华，杨启东，任佳越，师浩浩，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61