一种基于直接转矩控制预测控制的转矩计算优化方法

摘要

本发明公开了一种基于直接转矩控制预测控制的转矩计算优化方法，通过定子磁链比较器和转矩比较器确定电压矢量选择区域，将区域四等分，将定子磁链幅值和转矩值输入目标函数中选取出最小值，选择电压矢量的区间和角度，在区间表给定的区间内选择电压矢量并输出合成之后的电压矢量，根据定子磁链变化图得到定子磁链幅值，通过定子磁链幅值确定转矩公式，对转矩公式进行优化处理，通过传统转矩公式和优化转矩公式的相对误差验证其可行性。本发明优化后的转矩公式可以取代传统的转矩公式，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，且开关频率稳定。

说明书

技术领域

本发明属于的电压矢量调制技术领域，具体涉及一种基于直接转矩控制预测控制的转矩计算优化方法。

背景技术

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，电压矢量在一个采样周期内持续施加，会出现实际转矩增减超出预期要求，从而造成超调脉动。

为了解决此类问题，引入预测控制，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，并加以控制，采用空间矢量调制技术，从而实现更加理想的控制效果。

但是伴随着变量和运算函数，增加了计算运行的时间和复杂程度，故此，提出一种用于DTC预测控制的转矩计算优化方法，进而优化控制性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于直接转矩控制预测控制的转矩计算优化方法，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。

本发明采用以下技术方案：

一种基于直接转矩控制预测控制的转矩计算优化方法，通过定子磁链比较器和转矩比较器确定电压矢量选择区域，将区域四等分，将定子磁链幅值和转矩值输入目标函数g中选取出min(g)，选择电压矢量的区间和角度，在区间表给定的区间内选择电压矢量并输出合成之后的电压矢量根据定子磁链变化图得到定子磁链幅值，通过定子磁链幅值确定转矩公式并进行优化处理，通过传统转矩公式和优化转矩公式的相对误差验证其可行性。

具体的，根据电压矢量对磁链作用，以及预测控制的思想，忽略定子电阻压降，施加电压矢量后，确定传统模型下一时刻k+1转矩值与下一时刻转矩角和下一时刻定子磁链幅值的关系，得到下一时刻转矩角的值δ(k+1)和下一时刻定子磁链幅值根据下一时刻转矩角的值δ(k+1)和下一时刻定子磁链幅值确定优化的下一时刻k+1的转矩T_e′(k+1)。

进一步的，定义优化的下一时刻k+1的转矩公式T_e′(k+1)如下：

其中，p为极对数，L_d为d轴电感，ψ_f为转子磁链幅值，为下一时刻定子磁链幅值，α为电压矢量与定子磁链的夹角，δ(k)为当前时刻的转矩角，为当前时刻的定子磁链幅值，为合成的电压矢量，Δt为电压矢量作用的时间。

进一步的，下一时刻转矩角的值δ(k+1)如下：

进一步的，下一时刻定子磁链幅值如下：

进一步的，根据转矩绝对误差公式得到优化转矩公式与传统转矩公式的相对误差率η，通过传统转矩公式和优化转矩公式之间的相对误差率验证优化转矩公式的可行性。

更进一步的，相对误差率η如下：

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种基于直接转矩控制预测控制的转矩计算优化方法，先给出传统计算转矩的公式，然后在传统转矩理论公式之上进行一系列优化，将优化的表达式与传统的计算公式算取二者的相对误差，分析静动态性能变化，验证方案可行性，使计算过程更加简便，减少运算次数。

进一步的，下一时刻转矩角的公式用于写出下一时刻传统转矩的公式，然后进行优化之后的对比，下一时刻定子磁链幅值的公式，用于写出下一时刻传统转矩的公式，进行对比，根据转矩角和定子磁链幅值公式，写出下一时刻传统转矩公式，可以和优化之后的转矩公式进行对比。

进一步的，根据下一时刻传统转矩公式，写出优化后下一时刻的转矩公式，用于比较两者的相对误差，来验证它的可行性。

综上所述，采用本发明方法优化后的转矩公式可以取代传统的转矩公式，可行性可靠。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为基于本发明的永磁同步电机直接转矩控制的原理框图；

图2为本发明的原理框图；

图3为本发明中定子磁链变化图；

图4为转矩相对误差的整体视图；

图5为转矩相对误差的X-Z视图；

图6为转矩相对误差的Y-Z视图；

图7为转矩计算方法未优化时的预测控制转矩响应图；

图8为转矩计算方法优化后的预测控制转矩响应图。

具体实施方式

本发明公开了一种基于直接转矩控制预测控制的转矩计算优化方法，通过选择电压矢量的区间和角度，在区间表给定的区间内选择电压矢量并且输出合成之后的电压矢量根据定子磁链变化图，可以写出定子磁链幅值的公式，最后得到传统转矩公式。本发明提出了基于DTC预测控制的优化转矩公式，通过比较两者的相对误差，来验证方案的可行性。本发明能优化转矩计算方法，且有一定的可行性。

请参阅图1，首先通过定子磁链比较器和转矩比较器来确定电压矢量选择区域，再通过定子磁链幅值和转矩值计算目标函数g值，选择出最优g值，再选出最优电压矢量从而写出转矩公式。

请参阅图2，本发明一种基于直接转矩控制预测控制的转矩计算优化方法，首先要求出电压矢量通过磁链滞环比较器输出的值转矩滞环比较器输出的值τ选出电压矢量在哪一个区间，本发明将区间分成了四个，再将定子磁链幅值和转矩值输入目标函数g中选取出min(g)，找出对应角度的电压矢量，具体步骤如下：

S1、基于DTC预测控制，确定传统转矩计算转矩公式；

通过图1和图2选择出g的最小值min(g)，找出相对应的电压矢量角度，合成所需的电压矢量电压矢量可以求出定子磁链的幅值，定子磁链幅值可以求出转矩值。电压矢量的方向和大小随着时间的变化而变化，所以优化转矩计算方法，电压矢量是必须要找出来的。

根据电压矢量对磁链作用，以及预测控制的思想，首先列出相应下一时刻(k+1)转矩的计算表达式。

忽略定子电阻压降，施加电压矢量后，转矩值如下所示。

传统模型下一时刻转矩值与下一时刻转矩角和下一时刻定子磁链幅值的关系如式(1)所示：

下一时刻的定子磁链幅值如式(2)所示：

定义_q如式(3)所示：

下一时刻的转矩角的值如式(4)如下：

图3是电压矢量作用Δt时间后定子磁链变化图，通过图3算出下一时刻定子磁链的幅值，从而可以写出预测下一时刻转矩值，下一时刻定子磁链幅值得式(10)如下：

传统模型下一时刻的转矩值又可写成如式(5)如下：

S2、对传统转矩理论公式进行优化；

在列出下一时刻(k+1)的转矩后，对表达式进行优化，定义优化的转矩表达式如式(6)所示：

S3、将优化的表达式与传统的计算公式算取相对误差，分析静动态性能变化，验证方案可行性。

将优化后的表达式与传统表达式算出相对误差率，分析其静动态动性能变化。

定义式(6)和式(5)的相对误差率η如式(7)、(8)所示:

由转矩的绝对误差对比图可知：

两者之间的相对误差率最大为±1％，转矩计算方法简化前后的转矩脉动值分别为0.3107Ngm和0.3098Ngm，因此，可以在预测控制中近似使用T_e′(k+1)取代T_e(k+1)。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图4，图中是转矩相对误差的整体视图，从整体看相对误差并不是很大，说明方案具有可行性。

请参阅图5，图中是转矩相对误差的X-Z视图，从图中看它的相对误差最大为±1％，说明传统的转矩公式可以取代优化的转矩公式。

请参阅图6，图中是转矩相对误差的Y-Z视图，随着转矩角增大，相对误差越来越小，具有一定可行性。

请参阅图7，图中是转矩计算方法未优化时的预测控制转矩响应图，用于与优化的转矩图进行对比。

请参阅图8，图中是转矩计算方法优化后的预测控制转矩响应图，与图7比较，发现转矩没有大的波动，从动静态来看，这个方案的具有可行性。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。