一种永磁同步电机预测电流控制方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种永磁同步电机预测电流控制方法和装置，该预测电流控制方法中通过对当前时刻永磁同步电机的直流母线电压、三相电流、转子旋转电角速度与转子电角度进行采样，计算得到静止坐标系的参考电压矢量，随后提出了针对基本电压矢量扇区的多区域划分方法，在考虑了过调制情况下选取出了最佳矢量，最后给出了各个基本电压矢量的最佳作用时间的精确简化表达式；故本发明专利技术的方法能够改进已有过调制优化方法且减少三角函数的使用，大大减少了计算量，并同时进一步减小了永磁同步电机交直轴电流纹波，减小转矩脉动和定子电流总谐波畸变率，提高了系统的稳态性能。

A predictive current control method and device for permanent magnet synchronous motor

【技术实现步骤摘要】
一种永磁同步电机预测电流控制方法和装置
本专利技术涉及电机控制方法领域，更具体地说，涉及一种永磁同步电机预测电流控制方法和装置。
技术介绍
永磁同步电机以其功率密度高、效率高、可靠性好等优点，在电动汽车等电力传动领域得到了广泛应用。电机控制策略的优劣直接决定了驱动系统性能的好坏。随着电气传动产业化的迫切需求，对电驱系统的高效率、高密度与高可靠性要求也日益严苛。当前交流电机控制方式应用较广泛的主要是磁场定向矢量控制(FOC)和直接转矩控制(DTC)。传统FOC虽然具有稳态性能好、转矩脉动小等优点，但由于其电流内环一般基于比例-积分(PI)控制器进行设计，存在积分饱和PI参数整定难，交直轴(dq轴)电流控制相互影响/解耦算法较复杂以及系统的约束不好处理等问题，导致其电流环动态响应能力受限，无法进一步提高，难以在宽速度范围内同时获得较优的动态和稳态性能；DTC虽然动态性能极佳，但其普遍问题是转矩脉动较大，仍然不能很好地满足工业上对交流电机的要求，并且低速性能较差。模型预测控制(MPC)被广泛认为是继FOC和DTC之后的新一代高性能控制策略，易于集成系统非线性约束和实现对电力电子变换器和电机系统多目标控制，具有动态响应快、电流控制性能好等特点，且不需要对硬件做改动，控制灵活、适用性强，具有非常好的应用前景。与DTC相比，模型预测控制在矢量选择上更加准确有效，它通过对电机状态进行预测，来选取当前时刻的最优电压矢量，从而能够获得更好的稳态性能。传统模型预测电流控制在一个采样周期内只有一个电压矢量作用，而单矢量预测控制需要遍历所有的基本电压矢量来预测系统下一时刻对应的状态，计算量较大；当矢量作用时间大于采样周期时，参考电压矢量处于过调制区，在过调制区的处理方法为令矢量作用时间等于采样周期，因此单矢量预测控制导致较大的电流脉动。为了提高系统的稳态性能，无差拍和空间矢量调制的思想被引入。三矢量预测电流控制能有效减小转矩脉动和定子电流总谐波畸变率，但是在三矢量预测控制过调制优化方法中，矢量作用时间表达式包含三角函数，计算较为复杂。相比于二矢量预测控制，三矢量预测控制开关频率增大，变换器的损耗明显增加。总体来说，二矢量预测电流控制有比传统预测电流控制更好的稳态性能，比三矢量预测电流控制更低的开关频率。在二矢量预测控制中，存在例如“CN201610321625.7-基于无差拍优化与双矢量模型预测的电机控制方法”的专利利用转矩和磁链同时无差拍求得参考电压矢量，利用转子位置信息得到静止坐标系下的参考电压矢量和位置角，根据位置角判断电压矢量所处的扇区，选择相应的备选电压矢量进行计算，得到使目标函数值最小的预测电压矢量；计算得到预测电压矢量和零矢量的作用时间。但是，在CN201610321625.7专利中，当矢量作用时间大于采样周期时，采用的处理方法为将作用时间线性缩小至采样周期以内，仍存在一定误差，且非零矢量作用时间计算较为复杂；在计算矢量作用时间之后需要判定是否过调制，存在计算量大的问题。此外，在“CN201810787417.5-一种基于几何法的永磁同步电机两矢量预测控制系统及方法”的专利中，其第65-70段以及图2中的确定备选电压矢量和双电压矢量选择的计算中存在大量三角函数，提高了基于占空比的作用时间的计算的复杂度和计算量，其针对过调制的控制方法存在误差，且没对III+区域细分，求作用时间后必须判断t＞Ts、t＜0(以参考矢量和AC重合为例，当参考矢量长度≥2AC，在BC上的投影此时作用时间大于等于Ts，若t＞Ts则令t＝Ts，若t＜0则令t＝0)。此外，CN201810787417.5专利中求作用时间是用投影长度d除以该边长，该专利的图3(b)中d为Vop在BC边上的投影长度，这种求解方法存在较大误差，比如当Vop和AO重合且p在BC上时，d＝0，u1和u2某一个作用时间为0，误差为BC/2，而按照现有技术的误差计算方法，其误差等于0，故其求解方法存在较大误差。综上所述可知，在已有的现有技术中，用于两电平逆变器驱动永磁同步电机的二矢量预测电流控制仍采用传统处理方法；已出现在三矢量预测控制中的过调制优化方法计算依然复杂，对于永磁同步电机预测控制，仍然缺少一种能够同时减小转矩脉动和定子电流总谐波畸变率、提高稳态性能、改进了已有过调制优化方法、减少三角函数的使用以减少电机控制算法计算量的PMSM预测电流控制方法或装置。
技术实现思路
(一)技术问题基于上述的技术缺陷，本专利技术提供一种永磁同步电机预测电流控制方法和装置，其实际上属于一种考虑过调制优化的永磁同步电机二矢量预测电流控制方法，该方法能够进一步减小永磁同步电机交直轴电流纹波，减小转矩脉动和定子电流总谐波畸变率，提高稳态性能，改进简化了已有过调制优化方法，并同时减少三角函数的使用以减少电机控制方法的计算量。(二)技术方案本专利技术提供的一种永磁同步电机预测电流控制方法，其特征在于，该电流控制方法包括如下步骤：步骤1：对当前时刻永磁同步电机的直流母线电压udc(k)、三相电流ia(k)，ib(k)，ic(k)、转子旋转电角速度ωe(k)与转子电角度θe(k)进行采样；步骤2：计算dq轴的参考电压矢量udref和uqref；步骤3：将udref和uqref转换为静止坐标系；根据两相旋转到两相静止的反Park变换，计算出静止坐标系的参考电压矢量uαref，uβref，uαref和uβref分别为静止坐标系下参考电压矢量对应的定子电压实部和虚部分量，两者共同合成参考电压矢量uref；步骤4：计算静止坐标系的参考电压矢量uαref和uβref所在扇区si；步骤5：判断uref在扇区si对应区域并选择最佳矢量，根据已推导的最佳矢量作用时间的表达式直接计算作用时间；该步骤5中具体包括：考虑过调制区和线性调制区，将扇区分成多个区域，选择与参考电压矢量uref相邻的两个非零矢量和零矢量作为备选矢量，选择线性调制区内距离参考电压矢量最近的矢量作为最佳矢量，并根据对应区域内最佳矢量与备选矢量的关系计算备选矢量中各个基本电压矢量的最佳作用时间。步骤6：应用基本电压矢量的最佳作用时间，以完成对永磁同步电机的控制。进一步的，所述步骤2中具体包括以下步骤：步骤2.1：根据采集的三相电流以及转子电角度计算两相旋转坐标系下的dq轴电流id(k)和iq(k)：步骤2.2：永磁同步电机电压方程为：其中，Rs、ψf分别表示电机定子电阻、转子永磁体磁链；Ld，Ld分别表示旋转坐标系下d轴、q轴上的电感分量；采用一阶欧拉离散方程：其中Ts为采样周期，由公式(3)-(4)得k+1时刻电流预测值为：步骤2.3：通过以下目标函数选取最优电压矢量：其中，分别为d轴和q轴参考电流，电流预测控制的目标是dq轴电流预测值跟随参考电流，理想情况下有代入到公式(2)～(3)，可计算同步旋转坐标系上d轴、q轴上的参考电压矢本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种永磁同步电机预测电流控制方法，其特征在于，该电流控制方法包括如下步骤：/n步骤1：对当前时刻永磁同步电机的直流母线电压u

【技术特征摘要】
1.一种永磁同步电机预测电流控制方法，其特征在于，该电流控制方法包括如下步骤：
步骤1：对当前时刻永磁同步电机的直流母线电压udc(k)、三相电流ia(k)，ib(k)，ic(k)、转子旋转电角速度ωe(k)与转子电角度θe(k)进行采样；
步骤2：计算dq轴的参考电压矢量udref和uqref；
步骤3：将udref和uqref转换为静止坐标系；根据两相旋转到两相静止的反Park变换，计算出静止坐标系的参考电压矢量uαref，uβref，uαref和uβref分别为静止坐标系下参考电压矢量对应的定子电压实部和虚部分量，两者共同合成参考电压矢量uref；
步骤4：计算静止坐标系的参考电压矢量uαref和uβref所在扇区si；
步骤5：判断uref在扇区si对应区域并选择最佳矢量，根据已推导的最佳矢量作用时间的表达式直接计算作用时间；该步骤5中具体包括：考虑过调制区和线性调制区，将扇区分成多个区域，选择与参考电压矢量uref相邻的两个非零矢量和零矢量作为备选矢量，选择线性调制区内距离参考电压矢量最近的矢量作为最佳矢量，并根据对应区域内最佳矢量与备选矢量的关系计算备选矢量中各个基本电压矢量的最佳作用时间。
步骤6：应用基本电压矢量的最佳作用时间，以完成对永磁同步电机的控制。


2.根据权利要求1所述的永磁同步电机预测电流控制方法，其特征在于，所述步骤2中具体包括以下步骤：
步骤2.1：根据采集的三相电流以及转子电角度计算两相旋转坐标系下的dq轴电流id(k)和iq(k)：



步骤2.2：永磁同步电机电压方程为：






其中，Rs、ψf分别表示电机定子电阻、转子永磁体磁链；Ld，Lq分别表示旋转坐标系下d轴、q轴上的电感分量；
采用一阶欧拉离散方程：



其中Ts为采样周期，由公式(3)-(4)得k+1时刻电流预测值为：






步骤2.3：通过以下目标函数选取最优电压矢量：



其中，分别为d轴和q轴参考电流，电流预测控制的目标是dq轴电流预测值跟随参考电流，理想情况下有代入到公式(2)～(3)，可计算同步旋转坐标系上d轴、q轴上的参考电压矢量udref，uqref：





3.根据权利要求1所述的永磁同步电机预测电流控制方法，其特征在于，所述步骤3中具体满足下式：





4.根据权利要求1所述的永磁同步电机预测电流控制方法，其特征在于，所述步骤4包括以下步骤：
步骤4.1：计算参考电压矢量uref的空间位置角θref：



公式(10)所求空间位置角θref的取值范围为[-π,π]，将其转换到[0,2π]：如果uβref大于等于0，θref不变；如果uβref小于0，θref变为θref+2π；
步骤4.2：对于三相永磁同步电机，对应于两电平三相电压源逆变器，共有8个基本电压矢量，包括2个零矢量与6个非零矢量；非零矢量在空间上从0度开始，逆时针旋转，间隔为π/3，至2π共有6个基本电压矢量均匀分布，依次定义为ui，其中i＝1,2,3,…,6，零矢量定义为u0和u7；将8个基本电压矢量所在平面划分为12个扇区，即扇区si，下标i为1到12之间的自然数，每个扇区si的圆心角为30°；在每个扇区非零矢量的一端，作两条...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘平，刘超，黄守道，苗轶如，童林林，陈常乐，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43