【技术实现步骤摘要】
一种效率优化的PMSM电流预测控制方法及系统
本专利技术涉及电机控制方法领域，更具体地说，涉及一种效率优化的PMSM电流预测控制方法及系统。
技术介绍
随着能源危机和空气污染加剧，电动汽车作为下一代新能源的驱动者，前景被广泛看好。在具有高动态和效率要求的条件下，永磁同步电机(PMSM)已被广泛用于伺服驱动，电动推进系统等。从全年数据看，2018年新能源乘用车销量突破百万辆大关。2018年新能源乘用车销售100.8万辆，同比增长88.5％，高于2017年增速。2019年，我国新能源汽车驱动电机装机总量超过了128万台，其中PMSM应用最为广泛，装机量超过88万台，使用占比达到75％。同时，与感应电机(IM)相比，随着永磁材料成本的不断降低，逐渐替代了电励磁系统，去除了集电环、电刷和励磁绕组等结构，因而，高功率密度和高转矩密度等优点更加明显。由于电机系统效率在很大程度上影响新能源汽车的续航能力，制约其进一步的发展和应用。电机的模型和参数在运行过程中的变化和不确定性将影响到电机控制的精度，因此需要开发先进的控制理论使得在电机模型或参数变化时有良好的性能。一种PMSM高效率区域调节方法合理使用优化损耗的方法对铜耗、铁耗、永磁体涡流损耗进行匹配，将高效率区域调节移动至电动汽车给定运行工况所对应的区域，揭示高效率点与周围点的内在关系，探明高效率点向不同方向运动时电机内铜耗、铁耗以及永磁体涡流损耗的最优配比，进而总结出调节高效率区域的方法。已有专利(专利号：CN107342667A)，而这种方法可能会使电能损耗减小。但在实...
【技术保护点】
1.一种效率优化的PMSM电流预测控制方法，其特征在于，该电流控制方法包括如下步骤：/n步骤a：建立PMSM系统的总损耗模型；通过分析铜损、铁损、磁芯谐波损耗以及逆变器导通与开关损耗，建立PMSM系统的总损耗模型；/n步骤b：基于PMSM效率优化的线性化转矩和电压方程；根据PMSM系统的总损耗模型，计算得到基于PMSM效率优化的线性化转矩和电压的方程；/n步骤c：建立约束下PMSM最优控制策略；建立约束下PMSM最优控制策略及其约束条件；/n步骤d：约束下最优控制策略的表达式和流程；根据电压极限椭圆与电流极限圆是否存在交点和/或转矩曲线与电流极限圆是否存在交点的多种情况，确定最终的目标工作点和电流最优解；/n步骤e：模型预测控制；根据步骤d中得到的目标工作点和电流最优解和设计包含速度控制器和dq轴电流控制器的模型预测控制器(MPC)，以进行电流预测控制。/n
【技术特征摘要】
1.一种效率优化的PMSM电流预测控制方法，其特征在于，该电流控制方法包括如下步骤：
步骤a：建立PMSM系统的总损耗模型；通过分析铜损、铁损、磁芯谐波损耗以及逆变器导通与开关损耗，建立PMSM系统的总损耗模型；
步骤b：基于PMSM效率优化的线性化转矩和电压方程；根据PMSM系统的总损耗模型，计算得到基于PMSM效率优化的线性化转矩和电压的方程；
步骤c：建立约束下PMSM最优控制策略；建立约束下PMSM最优控制策略及其约束条件；
步骤d：约束下最优控制策略的表达式和流程；根据电压极限椭圆与电流极限圆是否存在交点和/或转矩曲线与电流极限圆是否存在交点的多种情况，确定最终的目标工作点和电流最优解；
步骤e：模型预测控制；根据步骤d中得到的目标工作点和电流最优解和设计包含速度控制器和dq轴电流控制器的模型预测控制器(MPC)，以进行电流预测控制。
2.根据权利要求1所述的电流预测控制方法，其特征在于，所述步骤a中的PMSM系统的总损耗模型为：
其中，PMSM系统的总损耗包括铜损PCu,f、铁损PFe,f、磁芯谐波损耗PCL,h、逆变器的导通损耗Pinv,con与开关损耗Pinv,sw；其它各变量的含义为：Ma-调制指数，Eon,Eoff-IGBT开通和关断的能量损失，Err-功率二极管的关断能量损失；Vdc-直流链路电压；Idc-直流链路电流；Ron,Von-IGBT的平均斜率电阻值和IGBT的平均正向阈值电压值，Pin为输入功率，Ploss,total为总损耗，Is为直流电流，fs为直流频率,id,iq-定子d轴电流和q轴电流,λd,λq-d轴和q轴磁链,Rs-定子电阻。kEC和kHy为计算铁损所需的常数。
3.根据权利要求2所述的电流预测控制方法，其特征在于，所述步骤b具体包括：
d轴电流对应于给定转矩请求的最小总损耗可以通过牛顿迭代找到最优转矩和电角速度ωel，上标*代表最优，每次迭代调整did,opt并应用于上一次迭代d轴电流设定值id,0，其中下标0都代表初始的设定值，为找寻的最优id值，由于PMSM的弱磁操作必须在运行在限制值以下，若此时得到的限制值为比更大更负的电流，则将直接应用若没有达到电压和电流的限制值，将收敛到最佳值；
基于效率优化的PMSM系统电流预测控制方法，即找寻对于负载转矩描述的稳态工作点及最佳定子电流id,iq，所要求的最优转矩可以是无限多个可能的dq电流设定点组合，并且生成d-q轴平面中的允许工作区域受到电流限制圆和电压限制椭圆限制，基于模型dq电流设定点的方法产生最小系统总损耗，从而达到效率优化；
永磁同步电机运行时的定子电流应该限制在允许的范围内：可得在定子电流的相平面内，定子电流矢量的允许轨迹落在电流极限圆内部或边界上；稳态下，PMSM定子电压为：
随着电机运行速度的提高，定子电压会随之上升，最终达到电压极限，当电机定子电压一定时，电机dq轴电流满足规律为:
上式表明等电压线在某一固定转速下为椭圆；
式中：ud,uq-定子d轴电压和q轴电压，Ld,Lq-定子d轴电感和q轴电感；Ψd,Ψq-d轴磁链和q轴磁链；|I|,|U|-定子电流单相幅值和定子电压单相幅值；Ilim,Ulim-电流限制值和电压限制值；Ψf-转子磁链；ρ-凸极率；np-转速；
当电机转速上升到较高时，定子电压u1m达到Ulim而不能继续增加的情况；此时定子电压保持为一个常数，故随着转速的增加，对应一系列不同的椭圆曲线；已知电机的电磁转矩Te可以表示为：
式中：i1m为定子电流，δ为定子电流矢量超前d轴角度；β＝ρ-1。
4.根据权利要求3所述的电流预测控制方法，其特征在于，所述步骤c具体包括：
当PMSM运行时，定子铜耗PCu表达式如下：
基于效率优化的PMSM电流预测控制策略依赖于线性化的转矩和电压，确定最佳电流矢量调整的方程式迭代，以实现所需的电流电压和转矩；电磁转矩或电压y表示为关于id、iq的函数：y＝f(id,iq)
由于小电流矢量增量引起的幅度dy的变化可以通过线性化f近似为：
基于微分的电磁转矩dTe和电压d|U|的阶跃变化幅度在一个给定的操作点(id,iq,ud,uq,ωel)近似为：
考虑实际电流设定值id,0和iq,0以及转矩/电压幅度y0；在应用小电流设定点调整did和diq后，幅度y变为：
结合式(10)和式(11)以获得所需的电压和转矩变化量d|U|和dTel，且须确保：
其中，id,0和iq,0为dq轴的电流设定值，|I|max的含义是定子电流单相幅值的最大设定值的绝对值。
5.根据权利要求4所述的电流预测控制方法，其特征在于，所述步骤d具体为：
当得到d轴电流的请求值id,SP后，应根据依次判断以下情况1-3的情况选取电流最优解：
(1)情况1：电压极限椭圆与电流极限圆无交点；该情况1下定子电流已经超过了限制值，长时间运行将会损坏电机，因此应尽量避免这种情况的出现；
(2)情况2：电压极限椭圆与电流极限圆有交点，转矩曲线与电流极限圆无交点；当电压极限椭圆与电流极限圆存在重叠区域时，电流极限圆内的最大转矩点为MTPA曲线与电流极限圆的交点，对应最大转矩为Temax，若转矩的请求值|Te,SP|大于Temax时，则转矩曲线与电流极限圆无交点，此时转矩曲线与电流极限圆没有交点，为了让实际转矩尽可能接近目标转矩，应以电流极限圆和电压极限椭圆内的最大转矩点作为目标工作点；若在在电压极限椭圆之外，因此应以电压极限椭圆和电流极限圆上部的交点作为最终的目标工作点，以尽量接近转矩的请求值Te,SP；
(3)情况3：电压极限椭圆与电流极限圆有交点，转矩曲线与电流极限圆有交点；当电压极限椭圆与电流极限圆存在重叠区域时，转矩曲线与电流极限圆有交点，此时首先判断d轴电流请求值id,SP对应的点否在电压极限椭圆内则应以其作最终的目标工作点，当不在...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘平，覃思雨，黄守道，苗轶如，童林林，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43
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