本发明涉及一种电机预测磁链控制方法，特别是一种计及最优占空比调制的永磁同步电机预测磁链控制方法。
背景技术：
有限状态集模型预测控制是一种基于系统动态模型的计算，可根据不同设计要求设计价值函数，由于概念简单，动态响应快，易于考虑系统的约束以及具有优秀的多变量控制能力等优点，近些年吸引了国内外大量学者对其在电力传动领域的应用近些了研究。传统的模型预测控制目标函数包含转矩和磁链不同量纲的控制变量，需要繁复的权重系数调试；专注于转矩增量控制而对定子磁链的增量作近似处理，导致较大磁链控制偏差；每个控制周期施加一个电压矢量，转矩和磁链脉动较大，稳定性能相对较差。因此，研究一种能够实现算法复杂度减小、转矩脉动降低、磁链控制精度提高和权重系数消除的预测控制算法有着广阔的发展前景。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种计及最优占空比调制的永磁同步电机预测磁链控制方法，用于电机驱动系统的转矩和磁链脉动抑制。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种计及最优占空比调制的永磁同步电机预测磁链控制方法，其特征在于包含以下步骤：
步骤一：在每一个控制周期中，利用转速pi控制器实时计算转矩参考值te*；
步骤二：通过park坐标变换器实时计算逆变器输出d/q轴电流id/iq，进而将获得的d/q轴电流输入转矩估计模块实时计算转矩te，然后利用转矩pi控制器实时计算负载角增量δδsf；
步骤三：基于最大转矩电流比原理，通过磁链幅值参考值估计模块计算(k+1)时刻的定子磁链矢量参考幅值ψs*(k+1)；
步骤四：将获得的d/q轴电流输入磁链估计模块实时获得磁链矢量ψsd/ψsq，进而将获得的磁链矢量输入负载角估计模块实时计算负载角δsf，然后结合负载角增量δδsf获得(k+1)时刻的负载角参考值
步骤五：将获得的(k+1)时刻磁链矢量参考幅值ψs*(k+1)和负载角参考值δsf(k+1)输入定子磁链矢量参考值计算模块得到(k+1)时刻的参考磁链矢量ψsd*(k+1)/ψsq*(k+1)；
步骤六：将获得的(k+1)时刻的参考磁链矢量ψsd*(k+1)/ψsq*(k+1)、磁链矢量ψsd/ψsq和d/q轴电流id/iq输入无差拍计算模块得到(k+1)时刻的参考电压矢量ud*(k+1)/uq*(k+1)；
步骤七：将获得的参考电压矢量输入电压矢量筛选模块，进而根据扇区选取两个基本非零矢量ui(i＝1,2)；
步骤八：将两个基本非零矢量ui(i＝1,2)、磁链矢量ψs和零矢量u0输入占空比计算模块得到非零矢量对应的占空比di(i＝1,2)；
步骤九：将(k+1)时刻的参考磁链矢量ψsd*(k+1)/ψsq*(k+1)、基本电压矢量ui(i＝1,2)、占空比di(i＝1,2)和磁链矢量ψs输入最小化目标函数模块得到所选电压矢量uopt和占空比dopt，进而将开关状态送给逆变器得到三相电驱动永磁同步电机。
进一步地，所述步骤一具体为
将参考转速n*与实际转速n的差值en输入转速pi控制器，根据公式(1.1)获得参考转矩te*：
其中，kpn和kin分别为转速pi控制器的比例增益和积分增益，s为拉普拉斯积分项。
进一步地，所述步骤二中电机负载角增量δδsf获取方法为
2.1将采集得到的逆变器输出三相电流和电机转子磁链位置角输入park坐标变换器，根据公式(2.1)进行坐标变换获得d/q轴电流id/iq；
其中，ia、ib和ic为逆变器输出三相电流，θr为转子磁链位置角；
2.2将获得的d/q轴电流id/iq输入转矩估计模块，根据公式(2.2)实时计算转矩te；
其中，p为极对数，ψf为永磁体磁链幅值，ld和lq分别为直轴和交轴电感；
2.3将获得的参考转矩te*与实时转矩te的差值et输入转矩pi控制器，根据公式(2.3)获得负载角增量δδsf；
其中，kpt和kit分别为转速pi控制器的比例增益和积分增益。
进一步地，所述步骤三中(k+1)时刻的定子磁链矢量参考幅值ψs*(k+1)获取方法为
将获得的参考转矩te*输入磁链幅值参考值估计模块，根据公式(3.1)计算(k+1)时刻的定子磁链矢量参考幅值ψs*(k+1)：
进一步地，所述步骤四中计算(k+1)时刻负载角δsf(k+1)的方法具体为
4.1将获得的d/q轴电流输入磁链估计模块，根据公式(4.1)计算磁链矢量ψsd/ψsq；
4.2将获得的磁链矢量输入负载角估计模块，根据公式(4.2)实时计算电机负载角δsf，然后根据公式(4.3)将实时负载角增量与实时负载角相加得到(k+1)时刻的负载角
进一步地，所述步骤五中计算(k+1)时刻参考磁链矢量ψsd*(k+1)/ψsq*(k+1)方法为
将获得的定子磁链矢量参考幅值ψs*(k+1)和负载角δsf(k+1)输入定子磁链矢量参考值计算模块，根据公式(5.1)计算(k+1)时刻的参考磁链矢量ψsd*(k+1)/ψsq*(k+1)：
进一步地，所述步骤六中计算(k+1)时刻参考电压矢量ud*(k+1)/uq*(k+1)的方法为
将获得的(k+1)时刻的参考磁链矢量ψsd*(k+1)/ψsq*(k+1)、磁链矢量ψsd/ψsq和d/q轴电流id/iq输入无差拍计算模块，根据公式(6.1)计算得到(k+1)时刻的参考电压矢量ud*(k+1)/uq*(k+1)：
其中，rs为定子电阻，ts为采样时间，ωe为转子电角速度。
进一步地，所述步骤七中选取两个基本非零矢量ui(i＝1,2)的方法为
根据公式(7.1)将获得的参考电压矢量经过反park变换得到uα*(k+1)/uβ*(k+1)；进而根据公式(7.2)获得参考电压矢量在αβ轴的参考角度θs*；然后将θs*按[0,π/3)、[π/3,2π/3)、[2π/3,π)、[π,4π/3)、[4π/3,5π/3)、[5π/3,2π)划分为6个扇区，分别编号i、ii、iii、iv、v、vi，选取得到基本非零矢量ui(i＝1,2)：
进一步地，所述步骤八中计算两个基本非零矢量对应的占空比di(i＝1,2)的方法为
将选取得到基本非零矢量ui(i＝1,2)、零矢量u0、磁链矢量ψsd/ψsq输入占空比计算模块，根据公式(8.1)计算非零矢量和零矢量分别作用时磁链沿d/q轴的变化率，进而计算公式(8.2)的有效值最小值，计算得到的占空比di(i＝1,2)如公式(8.3)所示：
其中，s11/s12分别为非零矢量/零矢量沿d轴的磁链变化率，s21/s22分别为非零矢量/零矢量沿q轴的磁链变化率，uid(i＝1,2)为选取的非零矢量沿d轴的分量，uiq(i＝1,2)为选取的非零矢量沿d轴的分量；
其中，s1为非零矢量和零矢量沿d轴的磁链变化率之差，s1＝s11-s12，s2为非零矢量和零矢量沿q轴的磁链变化率之差，s2＝s21-s22，er为磁链矢量有效值与磁链矢量给定值之差，ψsde为定子磁链沿d轴的初始误差，ψsde＝ψsd-ψsd*(k+1)，ψsqe为定子磁链沿q轴的初始误差，ψsqe＝ψsq-ψsq*(k+1)；
其中，c＝s1ts(2ψsde+s12ts)+s2ts(2ψsqe+s22ts)，a＝s1(-2s1-s12)+s2(-2s2-s22)。
进一步地，所述步骤九中将(k+1)时刻的参考磁链矢量ψsd*(k+1)/ψsq*(k+1)、基本电压矢量ui(i＝1,2)、占空比di(i＝1,2)和磁链矢量ψs输入最小化目标函数模块，选取使得公式(8.2)值取最小时的电压矢量uopt和占空比dopt，进而将开关状态送给逆变器得到三相电驱动永磁同步电机。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
1、采用永磁同步电机定子磁链矢量为控制目标，消除了传统模型预测转矩控制中的权值。
2、根据无差拍思想计算理想电压矢量所在扇区，通过判断扇区快速筛选电压矢量，减小算法的计算次数，使得数字处理器的运算负担降低。
3、电压矢量和占空比同时选择以最小化价值函数，提高了稳态性能，降低了开关频率。
4、根据有效值最小化原理计算磁链矢量的综合误差，有效抑制转矩和磁链脉动。
附图说明
图1是本发明的计及最优占空比调制的永磁同步电机预测磁链控制方法流程图。
图2是本发明的计及最优占空比调制的永磁同步电机预测磁链控制方法定子磁链d轴分量变化率。
图3是本发明的计及最优占空比调制的永磁同步电机预测磁链控制方法定子磁链q轴分量变化率。
图4是本发明的计及最优占空比调制的永磁同步电机预测磁链控制方法无差拍控制矢量图。
图5是本发明的计及最优占空比调制的永磁同步电机预测磁链控制方法矢量图。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
如图1所示，一种计及最优占空比调制的永磁同步电机预测磁链控制方法，包括如下步骤：
步骤1：在每一个控制周期中，利用转速pi控制器1实时计算转矩参考值te*。
将参考转速n*与实际转速n的差值en输入转速pi控制器1，根据公式(1.1)获得参考转矩te*：
其中，kpn和kin分别为转速pi控制器1的比例增益和积分增益，s为拉普拉斯积分项。
步骤2：通过park坐标变换器2实时计算逆变器输出d/q轴电流id/iq，进而将获得的d/q轴电流输入转矩估计模块3实时计算转矩te，然后利用转矩pi控制器4实时计算负载角增量δδsf。
电机负载角增量δδsf获取方法包括如下步骤：
1)将采集得到的逆变器输出三相电流和电机转子磁链位置角输入park坐标变换器2，根据公式(2.1)进行坐标变换获得d/q轴电流id/iq；
其中，ia、ib和ic为逆变器输出三相电流，θr为转子磁链位置角。
2)将获得的d/q轴电流id/iq输入转矩估计模块3，根据公式(2.2)实时计算转矩te；
其中，p为极对数，ψf为永磁体磁链幅值，ld和lq分别为直轴和交轴电感。
3)将获得的参考转矩te*与实时转矩te的差值et输入转矩pi控制器4，根据公式(2.3)获得负载角增量δδsf；
其中，kpt和kit分别为转速pi控制器1的比例增益和积分增益。
步骤3：基于最大转矩电流比原理，通过磁链幅值参考值估计模块5计算(k+1)时刻的定子磁链矢量参考幅值ψs*(k+1)。
(k+1)时刻的定子磁链矢量参考幅值ψs*(k+1)获取方法为：将获得的参考转矩te*输入磁链幅值参考值估计模块5，根据公式(3.1)计算(k+1)时刻的定子磁链矢量参考幅值ψs*(k+1)：
步骤4：将获得的d/q轴电流输入磁链估计模块6实时获得磁链矢量ψsd/ψsq，进而将获得的磁链矢量输入负载角估计模块7实时计算负载角δsf，然后结合负载角增量δδsf获得(k+1)时刻的负载角参考值
(k+1)时刻负载角δsf(k+1)的方法包括如下步骤：
1)将获得的d/q轴电流输入磁链估计模块6，根据公式(4.1)计算磁链矢量ψsd/ψsq；
2)将获得的磁链矢量输入负载角估计模块7，根据公式(4.2)实时计算电机负载角δsf，然后根据公式(4.3)将实时负载角增量与实时负载角相加得到(k+1)时刻的负载角
步骤5：将获得的(k+1)时刻磁链矢量参考幅值ψs*(k+1)和负载角参考值δsf(k+1)输入定子磁链矢量参考值计算模块8得到(k+1)时刻的参考磁链矢量ψsd*(k+1)/ψsq*(k+1)。
计算(k+1)时刻参考磁链矢量ψsd*(k+1)/ψsq*(k+1)方法为：将获得的定子磁链矢量参考幅值ψs*(k+1)和负载角δsf(k+1)输入定子磁链矢量参考值计算模块8，根据公式(5.1)计算(k+1)时刻的参考磁链矢量ψsd*(k+1)/ψsq*(k+1)：
步骤6：将获得的(k+1)时刻的参考磁链矢量ψsd*(k+1)/ψsq*(k+1)、磁链矢量ψsd/ψsq和d/q轴电流id/iq输入无差拍计算模块9得到(k+1)时刻的参考电压矢量ud*(k+1)/uq*(k+1)。
计算(k+1)时刻参考电压矢量ud*(k+1)/uq*(k+1)的方法为：将获得的(k+1)时刻的参考磁链矢量ψsd*(k+1)/ψsq*(k+1)、磁链矢量ψsd/ψsq和d/q轴电流id/iq输入无差拍计算模块9，根据公式(6.1)计算得到(k+1)时刻的参考电压矢量ud*(k+1)/uq*(k+1)：
其中，rs为定子电阻，ts为采样时间，ωe为转子电角速度。
步骤7：将获得的参考电压矢量输入电压矢量筛选模块10，进而根据扇区选取两个基本非零矢量ui(i＝1,2)。
选取两个基本非零矢量ui(i＝1,2)的方法为：根据公式(7.1)将获得的参考电压矢量经过反park变换得到uα*(k+1)/uβ*(k+1)；进而根据公式(7.2)获得参考电压矢量在αβ轴的参考角度θs*；然后将θs*按[0,π/3)、[π/3,2π/3)、[2π/3,π)、[π,4π/3)、[4π/3,5π/3)、[5π/3,2π)划分为6个扇区，分别编号i、ii、iii、iv、v、vi，表1所示为电压矢量筛选表，根据表1选取得到基本非零矢量ui(i＝1,2)：
表1电压矢量筛选表
步骤8：将两个基本非零矢量ui(i＝1,2)、磁链矢量ψs和零矢量u0输入占空比计算模块11得到非零矢量对应的占空比di(i＝1,2)。
计算两个基本非零矢量对应的占空比di(i＝1,2)的方法为：将选取得到基本非零矢量ui(i＝1,2)、零矢量u0、磁链矢量ψsd/ψsq输入占空比计算模块，根据公式(8.1)计算非零矢量和零矢量分别作用时磁链沿d/q轴的变化率，进而计算公式(8.2)的有效值最小值，计算得到的占空比di(i＝1,2)如公式(8.3)所示：
其中，s11/s12分别为非零矢量/零矢量沿d轴的磁链变化率，s21/s22分别为非零矢量/零矢量沿q轴的磁链变化率，uid(i＝1,2)为选取的非零矢量沿d轴的分量，uiq(i＝1,2)为选取的非零矢量沿d轴的分量。
其中，s1为非零矢量和零矢量沿d轴的磁链变化率之差，s1＝s11-s12，s2为非零矢量和零矢量沿q轴的磁链变化率之差，s2＝s21-s22，er为磁链矢量有效值与磁链矢量给定值之差，ψsde为定子磁链沿d轴的初始误差，ψsde＝ψsd-ψsd*(k+1)，ψsqe为定子磁链沿q轴的初始误差，ψsqe＝ψsq-ψsq*(k+1)。
其中，c＝s1ts(2ψsde+s12ts)+s2ts(2ψsqe+s22ts)，a＝s1(-2s1-s12)+s2(-2s2-s22)。
步骤9：将(k+1)时刻的参考磁链矢量ψsd*(k+1)/ψsq*(k+1)、基本电压矢量ui(i＝1,2)、占空比di(i＝1,2)和磁链矢量ψs输入最小化目标函数模块12得到所选电压矢量uopt和占空比dopt，进而将开关状态送给逆变器13得到三相电驱动永磁同步电机14。
工作原理：本发明方法通过将磁链矢量的有效值最小化原理引入到基本电压矢量的占空比计算中，并结合电压矢量筛选方法，可在降低处理器计算时间的同时有效抑制转矩和磁链脉动，提高系统的可靠性和稳态性能。首先将转矩增量转化为负载角增量，将控制目标统一为定子磁链矢量，避免权值系数整定问题；然后根据无差拍思想进行基本电压矢量筛选，在减小备选矢量的前提下可以快速计算出有效电压矢量的作用时间，降低系统采样频率；进而通过磁链矢量的有效值最小化原理计算出电压矢量的占空比，并根据磁链矢量的综合误差确定所选电压矢量和矢量占空比，有效抑制转矩和磁链脉动。
本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。