一种减小PMSM转矩脉动和磁链波动的模型预测控制方法

摘要

本发明提供了一种减小PMSM转矩脉动和磁链波动的模型预测控制方法。在该发明中，通过采用快速选择表来降低算法复杂度，并在确保转矩性能的同时，对磁链波动进行综合考虑。首先，通过对电磁转矩斜率和定子磁链斜率进行综合分析，并根据其预测值进行扇区判断；其次，依据转矩差值和扇区数在快速选择表中进行有效电压矢量选择，降低对有效电压矢量的选择时间；最后，根据无差拍控制原理计算出各个电压矢量作用时间。本发明在整个控制过程中采取较少的预测次数、简化了系统结构，保证了算法在运行过程中较少的计算量，提高了系统的控制精度，并降低了其复杂性，保证永磁同步电机在控制领域具有广泛的商业应用价值。

说明书

技术领域

本发明属于永磁同步电机控制领域，涉及一种模型预测的直接转矩控制方法，具体用于表贴式永磁同步电机，控制其能稳定运行，并主要用于电机在运行过程中减小转矩脉动、磁链波动以及减小其电流谐波含量。

背景技术

永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)因其具备结构简单、体积小、效率高以及功率密度高等优点而被广泛使用，特别是日常生活中随处可见，如电动汽车、电动客车、无人机等生活机械；除此之外，在军工行业也十分常见，如坦克、炮弹等军工武器。因此为了更好地发挥电机性能，节约控制成本，控制电机稳定运行，控制器的引入也变得十分重要，要实现电机在运行过程中不会因外力而失去平衡，使电机在受力时能更好地稳定运行，逐渐成为了众多学者研究的热门方向。

要实现永磁同步电机控制，常采用矢量控制和直接转矩控制两种方法：前者主要采用同步旋转坐标系下d-q分量进行前馈解耦PI控制，虽然该控制方法能很好的控制永磁同步电机稳定运行，实现解耦控制，但是，当电机在稳定运行过程中，电机的电感、电阻等电机参数会随着磁路的饱和、温度的变化而受到变化，鲁棒性会变得极差。后者是一种新型的具有高性能的交流变频调速技术，与前者不同的是，其主要通过利用滞环控制产生PWM信号，从而达到对逆变器开关状态进行最佳控制，最终获得高性能的转矩控制，它摒弃了传统矢量控制中的解耦状态，取消了旋转坐标系的变化，直接采用定子磁通定向，进而减弱了系统对电机参数的依赖性，从而大大增加了控制性能中的鲁棒性。该策略虽然避免了复杂的旋转坐标变化计算，大大简化了其运算处理过程，提高了控制运算系统，但是存在运行过程中受力不均匀而出现抖动的情况。针对上面两种策略，众多学者将模型预测引入，从而形成模型预测转矩控制和模型预测矢量两种模型预测方法，通过提前一个周期对下一时刻的控制参数进行预测，最终达到高性能控制。

发明内容

本发明为解决电机在运行中因施加外力而平衡受扰，从而导致电机运行过程中出现转矩脉动大、电流脉动大的问题，以及算法中计算量大、复杂度高的问题。

本发明提出一种基于快速选择表减小PMSM转矩脉动和磁链波动的模型预测控制方法。在该方法中，采用快速选择表来降低算法复杂度，并在确保转矩性能的同时，对磁链波动进行综合考虑。首先，对转矩和磁链斜率进行综合分析，并根据预测值进行扇区判断；其次，依据转矩差值和扇区数在快速选择表中进行有效电压矢量选择，降低对有效电压矢量的选择时间；最后，根据无差拍控制原理计算出各个电压矢量作用时间。

为解决以上技术问题所采用的技术方案是：.

本发明提供了一种基于快速选择表减小PMSM转矩脉动和磁链波动的模型预测控制方法，其目的是简化算法中计算量大，复杂度高的问题，并同时改善永磁同步电机在运行过程中突加负载而导致其稳定性出现波形的问题，进而增强系统的控制性能，其包括：

分析初始状态下，零电压矢量对于电磁转矩斜率和定子磁链斜率的影响，根据电机基本数学模型其斜率公式可表示为如下：

式中，

根据关系式可以得到零电压矢量会导致电磁转矩和定子磁链的斜率均为负值，但相比于其它有效电压矢量，零电压矢量所引起的斜率相对较小，并且零电压矢量对定子磁链斜率的影响几乎为零。综上所述，在进行电压矢量选择分配时需要对零电压矢量进行综合考虑，为此，本文用零电压矢量作用下的转矩和磁链误差值来替代当前时刻的转矩和磁链误差值作为有效电压矢量选择的条件。

根据零电压矢量预测所得定子磁链参数进行扇区定位。扇区划分采用传统均匀扇区划分方式，以6个基本有效电压矢量为中线，且每个扇区均为60°。为了准确判断定子磁链误差所在扇区位置，引入辅助参数λ，其表达式为：

通过判断ψ

根据扇区数和转矩差值进行有效电压矢量选择。获得当前定子磁链误差所在扇区后，并根据相应的转矩差值直接进行有效电压矢量的选择，其开关表为表2所示。由传统的DTC开关表可知，有效电压矢量u

其中：扇区k∈{1，2，…，6}，电压矢量u

在获得所需的两个有效电压矢量和一个零电压矢量后，需要分别对这三个电压矢量的作用时间进行计算。本文采用基于转矩差值和磁链差值的无差拍原则计算方法，由零电压矢量对磁链斜率分析可知，零电压矢量所引起的磁链斜率几乎为零，因此只需假设零电压矢量作用时转矩斜率为s

式中：s

通过无差拍原理进行各个矢量作用时间求解，可得到有效矢量作用时间t

D＝s

本发明有这样一些技术特征：

1、所述三矢量为两个有效电压矢量和一个零电压矢量，合成下一个时刻永磁同步电机所需最优的电压矢量。

2、所述转矩环为PIR控制器，转矩环调节器的参数设置为K

3、所述永磁同步电机参数为定子电阻R

4、所述基于快速选择表的模型预测转矩控制方法，即在离散系统中，通过提前一个时刻，将下一个时刻电机所需要的电压矢量进行最优选择，并且所得电压矢量并非基础电压矢量，而是由基础电压矢量进行合成所得。

本发明的一种减小PMSM转矩脉动和磁链波动的模型预测控制系统模型具有的有益效果：

1、提供快速选择表，由于传统的模型预测转矩控制方法中存在价值函数，而价值函数中的权重系数没有具体的方法求得，这导致算法中存在巨大的计算量，本方法在传统的控制方法上进行改进，将快速选择表引入到算法中，进而省略权重系数的选取，使得算法计算量降低，结构更加简单。

2、采用无差拍控制原理，将电磁转矩和定子磁链同时纳入到其中，对两者同时进行考虑，有效避免了只考虑转矩而导致磁链波动过大的问题，在降低转矩脉动的同时对磁链波动进行考虑。

3、电压矢量对电磁转矩和定子磁链的影响，通过数学模型将电压矢量对两者的影响进行分析，从而避免了零电压矢量只减小转矩和磁链的影响。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明所提的一种基于快速选择表减小PMSM转矩脉动和磁链波动的模型预测控制方法原理框图

图2是定子磁链矢量扇区判断图

图3是本发明实施例一种基于快速选择表减小PMSM转矩脉动和磁链波动的模型预测控制方法在转速稳定转矩突变情况下的转矩simulink仿真图。

图4是本发明实施例一种基于快速选择表减小PMSM转矩脉动和磁链波动的模型预测控制方法在转速稳定转矩突变情况下的磁链simulink仿真图。

图5是本发明实施例一种基于快速选择表减小PMSM转矩脉动和磁链波动的模型预测控制方法在转速稳定情况转矩突变下的电流simulink仿真图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及技术方案更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明的应用原理作详细的描述。

本发明实施例提供的一种基于快速选择表减小PMSM转矩脉动和磁链波动的模型预测控制方法的模型框图如图1所示，系统采用1个传统PI调节器，1个模型预测控制系统，其中传统PI调节器主要形成转速的闭环控制系统，对给定转速与实际转速之间进行求差，并将该差值整定得到当前给定转矩值；而模型预测控制系统则是根据当前所得转矩差值和磁链差值在快速选择表中进行有效电压矢量选择。

首先，通过电机自带的电流传感器对当前电机三相电流信号I

其次，根据转矩误差模块计算得到的转矩误差参数和当前定子磁链所处扇区位置在快速选择表中进行有效电压矢量选择，选出使电机在下个时刻输出脉动和磁链波动最小的有效电压矢量。

然后，依据电压矢量对电磁转矩和定子磁链的影响分析进行各个电压矢量的作用时间计算。在进行电压矢量时间计算时采用传统的无差拍计算原则，由于零电压矢量对定子磁链脉动的影响几乎为零，因此，在计算公式中可以将其忽略不计。

最后，由快速选择表所选择的有效电压矢量和无差拍计算所得时间进行输出电压矢量合成，其合成电压矢量表达式为：

u

将该合成电压矢量输出到逆变器中，控制逆变器依次按照电压矢量合成部分进行输出，从而控制电机运行

综上所诉，本发明实施例，一种基于快速选择表减小PMSM转矩脉动和磁链波动的模型预测控制方法。在原有直接转矩控制的开关表基础上，通过将该选择表进行改进，使电压矢量选择的范围扩大到两个有效电压矢量，方便在电压矢量的合成中有更多的电压矢量选择，使最终合成电压矢量的选择范围扩大，覆盖到更多的非基础电压矢量，避免了权重系数的选取和价值函数的使用，简化了系统结构，增加了控制电机运行的电压矢量选择范围，降低了算法的复杂度和计算量；由于提前对电压矢量与电磁转矩和定子磁链之间的关系进行了数学模型分析，此时，有效电压矢量和零电压矢量对各自的影响都显而易见，特别是零电压矢量，该矢量对于定子磁链的影响微乎其微，因此在后续的步骤中可以将其忽略不计；最后采用无差拍控制对各个电压矢量的作用时间进行估计，使得在分配作用时间时对电磁转矩脉动考虑的同时也对定子磁链波动进行考虑。

下面结合Matlab/simulink仿真图对本发明的应用效果作详细的描述：

图3是本发明在转速不变转矩突变情况下的转矩仿真图；图4是本发明在转速不变转矩突变情况下的磁链仿真图；图5是本发明在转速不变转矩突变情况下的电流仿真图。由这组波形图可以看出，本发明的一种基于快速选择表减小PMSM转矩脉动和磁链波动的模型预测控制方法在初始、加载和变载的情况下，都具有很好的稳定性，转矩脉动和磁链波动较小，从而证明了本发明的正确性和有效性。