无需权重系数整定的预测转矩控制方法与流程

本发明属于永磁同步电动机技术领域，具体涉及一种无需权重系数整定的预测转矩控制方法。

背景技术：

永磁同步电动机因其功率密度大、运行可靠性强等诸多优点被广泛应用于航空航天、机械制造、轨道交通等诸多工业领域。电压型逆变器作为为表贴式-永磁同步电机最常用的驱动电源，近年来受到广泛的研究，并且被引入了多种新型算法。有限集-模型预测控制作为一种具有运算量大的特点的新型控制算法，随着数字信号处理器处理能力的提高也被应用于电压型逆变器馈电的永磁同步电机。

有限集-模型预测控制在当前控制周期内对每个开关状态所产生的电机输出结果进行预测，将预测结果与所期望结果最相近的开关状态作为最佳开关状态应用于下一控制周期。价值函数作为有限集-模型预测控制的一个异于其它控制方法的特点，被用来评价预测结果与期望结果相近程度。同时价值函数可以包含不同类型电机输出类型来对多种电机输出进行预测控制。作为有限集-模型预测控制的一种，标准预测转矩控制策略通过将转矩和磁链两个电机输出引入价值函数来实现对转矩和磁链直接进行控制。其价值函数包括期望转矩与预测转矩的差的绝对值和期望磁链与预测磁链的差的绝对值。由于转矩与磁链不是同一量纲，导致在价值函数无法均衡衡量预测转矩和预测磁链与期望值的偏差程度，所以标准预测转矩控制策略的价值函数中磁链差的绝对值前有一个权重系数，预测转矩控制策略正是靠这个权重系数来调节磁链差值的影响程度进而使价值函数可以同比重的衡量磁链和转矩的偏差程度。但是权重系数往往需要多次修改然和观察结果来确定最合适的值，这给预测转矩控制策略的应用带来了一些麻烦。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何提供一种无需权重系数整定的预测转矩控制方法。

传统预测转矩控制由价值函数、电机模型和有限控制集三部分组成。其中电机模型用来预测下一时刻电机的转矩与定子磁链输出，价值函数用来从有限控制集中选择出最优电压矢量，通常的表达形式为：

式中，n＝0…7代表两电平逆变器输出的8个电压矢量，在传统预测转矩控制中该8个矢量组成有限控制集；T_eⁿ代表第n个电压矢量作用下(k+1)时刻的电磁转矩值；Ψ_eⁿ代表第n个电压矢量作用下(k+1)时刻的定子磁链；Q_ψ代表权重系数，该值影响电磁转矩与定子磁链在价值函数中的重要性，直接影响预测转矩控制的效果。

公式(1)用来计算有限控制集中的一个电压矢量的价值函数值，公式(2)用来选择有限控制集中价值函数值最小的电压矢量作为最优电压矢量，价值函数值小的电压矢量可以生成与期望转矩与磁链误差值最小的下一时刻转矩磁链，即最优电压矢量可以保证下一时刻电机输出尽可能靠近期望值。

从公式(1)可以看出，价值函数中由于包含了非同一量纲的转矩与磁链两项，所以必须加入一个权重系数Q来协调转矩误差与磁链误差这两项对最优电压矢量选择的影响。权重系数给预测转矩控制的应用带来了一些麻烦，因为权重系数的确定需要多次尝试和调整，而且在不同运行状态下需要不同的值才能达到最优的运行状态。这就是权重系数整定的技术问题。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种无需权重系数整定的预测转矩控制方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：编码器获取电机转子角度θ_r和转速ω_r，设定速度参考值采用比例-积分控制器获得参考转矩值

步骤2：霍尔传感器获取定子电流i_s^k在本控制周期的采样值，利用磁链和转矩观测器来计算当前时刻定子磁链Ψ_s^k、转子磁链与转矩T_e^k；

步骤3：针对每个电压矢量预测下一控制周期的定子电流i_s^k+1、定子磁链值Ψ_s^k+1与转矩值

步骤4：针对每个电压矢量，分别计算其两种输出效果步数C_Te和C_Ψ；

式中，C_Te为转矩输出效果步数；为期望转矩输出；为当前k时刻转矩输出；为(k+1)时刻转矩输出；C_Ψ为磁链幅值输出效果步数；|Ψ_s|^ref为期望磁链幅值输出；|Ψ_s^k|为当前k时刻磁链幅值输出；||Ψ_s^k+1|为(k+1)时刻磁链幅值输出；

步骤5：利用基于步数的价值函数计算每个电压矢量对应的价值函数值，选出价值函数值为正且最小的最优电压矢量；

步骤6：在下一控制周期应用所选出的最优电压矢量。

(三)有益效果

与现有技术相比较，本发明技术方案中，由于新的价值函数中只有控制周期这一量纲，故避免了权重系数的整定问题。新型预测转矩控制针对第i个电压矢量通过式(3)和式(4)分别算出其效果步数C_Te和C_Ψ，然后代入式(5)算出其价值函数值。当价值函数g_i为-1时，即说明对应的第i个电压矢量会使转矩和磁链幅值中至少一项偏离期望值，故当价值函数g_i为-1时，对应的第i个电压矢量V_i应被舍弃。具有最小正值的价值函数所对应的电压矢量即是最优矢量。这样既保证了电机的转矩与磁链输出在期望值周围，也避免了权重系数整定的问题。

附图说明

图1为本发明技术方案的原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

由于传统预测转矩控制策略的价值函数中的转矩与磁链并非同一量纲，所以传统预测转矩控制策略存在权重系数难以整定的问题。本发明提出的新型预测转矩控制策略通过用步数的方式来衡量电压矢量对转矩和磁链幅值的作用效果，从而将转矩与磁链幅值与期望值的差值共同表现为统一量纲的步数，解决了权重系数难以调节的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种无需权重系数整定的预测转矩控制方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：编码器获取电机转子角度θ_r和转速ω_r，设定速度参考值采用比例-积分控制器获得参考转矩值

步骤2：霍尔传感器获取定子电流i_s^k在本控制周期的采样值，利用磁链和转矩观测器来计算当前时刻定子磁链Ψ_s^k、转子磁链与转矩T_e^k；

步骤3：针对每个电压矢量预测下一控制周期的定子电流i_s^k+1、定子磁链值Ψ_s^k+1与转矩值T_e^k+1；

步骤4：针对每个电压矢量，分别计算其两种输出效果步数C_Te和C_Ψ；

式中，C_Te为转矩输出效果步数；T_e^ref为期望转矩输出；T_e^k为当前k时刻转矩输出；T_e^k+1为(k+1)时刻转矩输出；C_Ψ为磁链幅值输出效果步数；|Ψ_s|^ref为期望磁链幅值输出；|Ψ_s^k|为当前k时刻磁链幅值输出；||Ψ_s^k+1|为(k+1)时刻磁链幅值输出；

步骤5：利用基于步数的价值函数计算每个电压矢量对应的价值函数值，选出价值函数值为正且最小的最优电压矢量；

步骤6：在下一控制周期应用所选出的最优电压矢量。

下面结合具体实施例来详细描述本发明。

实施例

本实施例具体内容如下：

(1)编码器获取电机转子角度θ_r和转速ω_r，设定速度参考值采用比例-积分控制器获得参考转矩值

(2)霍尔传感器获取定子电压U_dc与定子电流i_s^k在本控制周期的采样值，利用磁链和转矩观测器来计算当前时刻定子磁链Ψ_s^k、转子磁链Ψ_r^k与转矩T_e^k；

(2.1)磁链观测器计算获得当前时刻的转子磁链与定子磁链Ψ_s^k

ψ_r^k＝ψ·θ_r (6)

ψ_s^k＝L_si_s^k+ψ_r^k (7)

式中，Ψ是电机的转子磁链幅值，是一个每台电机都有的定值；L_s是定子电感。

(2.2)转矩观测器计算获得当前时刻的转矩T_e^k

(3)针对每个电压矢量预测下一控制周期的定子电流i_s^k+1、定子磁链值Ψ_s^k+1与转矩值T_e^k+1；

(3.1)根据电机模型预测每个电压矢量下一控制周期的定子电流i_s^k+1

(3.2)根据电机模型预测每个电压矢量下一控制周期的定子磁链值Ψ_s^k+1

(3.3)根据电机模型预测每个电压矢量下一控制周期的转矩值T_e^k+1

(4)针对每个电压矢量，分别计算其两种输出效果步数C_Te和C_Ψ；

式中，C_Te为转矩输出效果步数；T_e^ref为期望转矩输出；T_e^k为当前k时刻转矩输出；T_e^k+1为(k+1)时刻转矩输出；C_Ψ为磁链幅值输出效果步数；|Ψ_s|^ref为期望磁链幅值输出；|Ψ_s^k|为当前k时刻磁链幅值输出；|Ψ_s^k+1|为(k+1)时刻磁链幅值输出。

(5)利用基于步数的价值函数计算每个电压矢量对应的价值函数值，选出价值函数值为正且最小的最优电压矢量；

(6)在下一控制周期应用所选出的最优电压矢量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。