一种永磁同步电机双矢量预测磁链控制方法与流程

本发明涉及一种磁链控制方法，特别是一种永磁同步电机双矢量预测磁链控制方法。
背景技术：
随着微处理器处理性能的迅猛提升，模型预测控制方法受到了专家学者的广泛关注，传统预测转矩控制策略以电磁转矩和定子磁链作为控制变量，实现对转矩和磁链的直接控制，然而由于转矩和磁链不是同一量纲，价值函数需引入权值系数来均衡电磁转矩和定子磁链的效果，需要繁复的权值系数调试；预测磁链控制策略实现对转矩和磁链变量的控制变为对定子磁链矢量的控制，消除了权值系数，提高了磁链控制精度。但是由于预测磁链控制策略在一个控制周期施加一个基本电压矢量，不能解决稳态性能欠佳的问题，因此研究一种基于占空比调制的永磁同步电机双矢量预测磁链控制方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永磁同步电机双矢量预测磁链控制方法，用于提高电机驱动系统的转矩和磁链脉动抑制精度。为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种永磁同步电机双矢量预测磁链控制方法，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dq轴电流id/iq，将获得的dq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控制器实时获得负载角增量δδsf；步骤三：将获得的dq轴电流输入磁链估计模块实时获得磁链矢量ψsd/ψsq，将获得的磁链矢量输入负载角计算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δsf*(k+1)；步骤四：将(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)；步骤五：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、dq轴电流id/iq和转子磁链位置角θr输入无差拍参考电压矢量计算模块得到(k+1)时刻的参考电压矢量ud*(k+1)/uq*(k+1)，经过反park变换得到αβ轴参考电压矢量uα*(k+1)/uβ*(k+1)；步骤六：将获得的αβ轴参考电压矢量uα*(k+1)/uβ*(k+1)输入相角变换模块获得参考电压矢量在αβ轴的参考角度θs*；步骤七：将参考角度θs*输入i矢量选择模块，根据区间选取施加在控制周期前一部分的i矢量ui；步骤八：将参考角度θs*输入ii矢量选择模块，根据子区间选取施加在控制周期后一部分的备选电压矢量ii矢量uj；步骤九：将i矢量ui、ii矢量uj/零矢量u0、磁链矢量ψs输入占空比计算模块得到i矢量占空比δi；步骤十：将(k+1)时刻的参考磁链矢量ψsd*(k+1)/ψsq*(k+1)、i矢量ui、ii矢量uj/零矢量u0、占空比δi和磁链矢量ψs输入新型价值函数模块得到所选电压矢量及占空比uopt1/δopt1、uopt2/δopt2，将电压矢量送给逆变器得到三相电驱动永磁同步电机。进一步地，所述步骤一具体为在每一个控制周期中，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dq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dq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，所述步骤三中计算(k+1)时刻负载角参考值δsf*(k+1)的方法具体为3.1将获得的dq轴电流输入磁链估计模块，根据公式(3.1)计算磁链矢量ψsd/ψsq；3.2将获得的磁链矢量输入负载角计算模块，根据公式(3.2)实时计算电机负载角δsf，然后根据公式(3.3)将实时负载角增量与实时负载角相加得到(k+1)时刻的负载角参考值δsf*(k+1)；进一步地，所述步骤四中计算(k+1)时刻参考磁链矢量ψsd*(k+1)/ψsq*(k+1)方法为将定子磁链矢量参考幅值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，根据公式(4.1)计算(k+1)时刻的参考磁链矢量ψsd*(k+1)/ψsq*(k+1)：进一步地，所述步骤五中计算(k+1)时刻αβ轴参考电压矢量uα*(k+1)/uβ*(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、dq轴电流id/iq和转子磁链角θr输入无差拍参考电压矢量计算模块，根据公式(5.1)得到(k+1)时刻的参考电压矢量ud*(k+1)/uq*(k+1)，经过反park变换得到αβ轴参考电压矢量uα*(k+1)/uβ*(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，所述步骤六中αβ轴的参考角度θs*的计算方法为将获得的αβ轴参考电压矢量uα*(k+1)/uβ*(k+1)输入相角变换模块，根据公式(6.1)获得参考电压矢量在αβ轴的参考角度θs*；进一步地，所述步骤七中i矢量ui的获取方法为将参考角度θs*输入i矢量选择模块，将θs*按[-π/6,π/6)、[π/6,π/2)、[π/2,5π/6)、[5π/6,π)∪[-π,-5π/6)、[-5π/6,-π/2)、[-π/2,-π/6)划分为6个区间，分别编号i、ii、iii、iv、v、vi，进而根据区间选取施加在控制周期前一部分的i矢量ui。进一步地，所述步骤八中ii矢量uj的获取方法为将参考角度θs*输入ii矢量选择模块，将θs*按[-π/6,0)、[0,π/6)、[π/6,π/3)、[π/3,π/2)、[π/2,2π/3)、[2π/3,5π/6)、[5π/6,π)、[-π,-5π/6)、[-5π/6,-2π/3)、[-2π/3,-π/2)、[-π/2,-π/3)、[-π/3,-π/6)划分为12个子区间，分别编号1,2,…,12；当参考角度θs*位于区间i，即i矢量选取u1，且θs*∈[0,π/6)时，且uβ*/udc∈[0,1/3)；在控制周期前一部分时间施加i矢量u1，即u1α/udc＝2/3且u1β/udc＝0时，u1α/udc≥uα*/udc且u1β/udc≤uβ*/udc，根据公式(8.1)可得，施加i矢量u1使得定子磁链沿α轴的磁链变化率高于沿α轴的参考磁链变化率，同时沿β轴的磁链变化率低于沿β轴的参考磁链变化率；i矢量u1相邻两个矢量为u2和u6，若ii矢量选取u6，即u2α/udc＝1/3且此时u2α/udc<uα*/udc且u2β/udc<uβ*/udc，施加矢量u6使得定子磁链沿α轴的磁链变化率低于沿α轴的参考磁链变化率，补偿了沿α轴的定子磁链误差，同时沿β轴的磁链变化率仍低于沿β轴的参考磁链变化率，增加了沿β轴的定子磁链误差；若ii矢量选取u2，即u2α/udc＝1/3且此时u2α/udc<uα*/udc且u2β/udc>uβ*/udc，施加矢量u2使得定子磁链沿α轴的磁链变化率低于沿α轴的参考磁链变化率，补偿了沿α轴的定子磁链误差，同时沿β轴的磁链变化率仍高于沿β轴的参考磁链变化率，补偿了沿β轴的定子磁链误差；因此，i矢量选取u1，且θs*∈[0,π/6)时，ii矢量选取u2。进一步地，所述步骤九中计算所选矢量占空比δi的方法为将i矢量ui、ii矢量uj/零矢量u0、磁链矢量ψs输入占空比计算模块，根据公式(8.1)计算所选电压矢量作用时定子磁链沿dq轴的变化率，进而代入公式(8.2)沿dq轴无差拍跟踪定子磁链矢量计算出er最小值，根据公式(8.3)无需权值系数即可计算i矢量占空比δi；其中，s11为i矢量沿d轴的磁链变化率，s21为i矢量沿q轴的磁链变化率，s12为ii矢量或零矢量沿d轴的磁链变化率，s22为ii矢量或零矢量沿q轴的磁链变化率，uid为选取的i矢量沿d轴的分量，uiq为选取的i矢量沿q轴的分量，umd为u0或ujd，ujd为选取的ii矢量沿d轴的分量，umq为u0或ujq，ujq为选取的ii矢量沿q轴的分量；其中，er为定子磁链跟踪误差，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)，ti为i矢量作用时间；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、根据区间和子区间分割确定施加在控制周期前一部分的i矢量和控制周期后一部分的ii矢量，后一部分矢量不总是零矢量，提高了转矩和磁链脉动抑制精度；3、根据无差拍思想快速计算理想电压矢量所在区间，减小算法的计算次数，使得数字处理器的运算负担降低；4、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；5、根据定子磁链跟踪误差最小化原理计算占空比，有效抑制转矩和磁链脉动。附图说明图1是本发明的一种永磁同步电机双矢量预测磁链控制方法的流程图。图2是本发明的一种永磁同步电机双矢量预测磁链控制方法的矢量图。图3是本发明的i矢量选择原理图。图4是本发明的ii矢量选择原理图。图5是本发明的dq轴变化率。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，一种永磁同步电机双矢量预测磁链控制方法，包括如下步骤：步骤一：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控制器的比例增益和积分增益，s为拉普拉斯积分项。步骤二：通过park坐标变换器2实时计算逆变器输出dq轴电流id/iq，进而将获得的dq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实时获得负载角增量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dq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dq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控制器的比例增益和积分增益。步骤三：将获得的dq轴电流输入磁链估计模块5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计算模块6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δsf*(k+1)。(k+1)时刻负载角参考值δsf*(k+1)的方法包括如下步骤：1)将获得的dq轴电流输入磁链估计模块5，根据公式(3.1)计算磁链矢量ψsd/ψsq；2)将获得的磁链矢量输入负载角计算模块6，根据公式(3.2)实时计算电机负载角δsf，然后根据公式(3.3)将实时负载角增量与实时负载角相加得到(k+1)时刻的负载角参考值δsf*(k+1)；步骤四：将(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7得到(k+1)时刻的参考磁链矢量ψsd*(k+1)/ψsq*(k+1)。将定子磁链矢量参考幅值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7，根据公式(4.1)计算(k+1)时刻的参考磁链矢量ψsd*(k+1)/ψsq*(k+1)：步骤五：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、dq轴电流id/iq和转子磁链位置角θr输入无差拍参考电压矢量计算模块8得到(k+1)时刻的参考电压矢量ud*(k+1)/uq*(k+1)，经过反park变换得到αβ轴参考电压矢量uα*(k+1)/uβ*(k+1)；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、dq轴电流id/iq和转子磁链角θr输入无差拍参考电压矢量计算模块8，根据公式(5.1)得到(k+1)时刻的参考电压矢量ud*(k+1)/uq*(k+1)，经过反park变换得到αβ轴参考电压矢量uα*(k+1)/uβ*(k+1)；其中，rs为定子电阻，ts为采样时间，ωe为转子电角速度。步骤六：将获得的αβ轴参考电压矢量uα*(k+1)/uβ*(k+1)输入相角变换模块9获得参考电压矢量在αβ轴的参考角度θs*。将获得的αβ轴参考电压矢量uα*(k+1)/uβ*(k+1)输入相角变换模块9，根据公式(6.1)获得参考电压矢量在αβ轴的参考角度θs*；步骤七：将参考角度θs*输入i矢量选择模块10，进而根据区间选取施加在控制周期前一部分的i矢量ui。将参考角度θs*输入i矢量选择模块10，将θs*按[-π/6,π/6)、[π/6,π/2)、[π/2,5π/6)、[5π/6,π)∪[-π,-5π/6)、[-5π/6,-π/2)、[-π/2,-π/6)划分为6个区间，分别编号i、ii、iii、iv、v、vi，进而根据区间选取施加在控制周期前一部分的i矢量ui，表1为i矢量选择表；表1i矢量选择表区间编号iiiiiiivvvii矢量uiu1u2u3u4u5u6开关组合100110010011001101步骤八：将参考角度θs*输入ii矢量选择模块11，进而根据子区间选取施加在控制周期后一部分的备选电压矢量ii矢量uj。将参考角度θs*输入ii矢量选择模块11，将θs*按[-π/6,0)、[0,π/6)、[π/6,π/3)、[π/3,π/2)、[π/2,2π/3)、[2π/3,5π/6)、[5π/6,π)、[-π,-5π/6)、[-5π/6,-2π/3)、[-2π/3,-π/2)、[-π/2,-π/3)、[-π/3,-π/6)划分为12个子区间，分别编号1,2,…,12；如参考角度θs*位于区间i，即i矢量选取u1，且θs*∈[0,π/6)时，且uβ*/udc∈[0,1/3)；在控制周期前一部分时间施加i矢量u1，即u1α/udc＝2/3且u1β/udc＝0时，u1α/udc≥uα*/udc且u1β/udc≤uβ*/udc，根据公式(8.1)可得，施加i矢量u1使得定子磁链沿α轴的磁链变化率高于沿α轴的参考磁链变化率，同时沿β轴的磁链变化率低于沿β轴的参考磁链变化率；i矢量u1相邻两个矢量为u2和u6，若ii矢量选取u6，即u2α/udc＝1/3且此时u2α/udc<uα*/udc且u2β/udc<uβ*/udc，施加矢量u6使得定子磁链沿α轴的磁链变化率低于沿α轴的参考磁链变化率，补偿了沿α轴的定子磁链误差，同时沿β轴的磁链变化率仍低于沿β轴的参考磁链变化率，增加了沿β轴的定子磁链误差；若ii矢量选取u2，即u2α/udc＝1/3且此时u2α/udc<uα*/udc且u2β/udc>uβ*/udc，施加矢量u2使得定子磁链沿α轴的磁链变化率低于沿α轴的参考磁链变化率，补偿了沿α轴的定子磁链误差，同时沿β轴的磁链变化率仍高于沿β轴的参考磁链变化率，补偿了沿β轴的定子磁链误差。因此，i矢量选取u1，且θs*∈[0,π/6)时，ii矢量选取u2。同理，可得如表2所示的ii矢量选择表。表2ii矢量选择表步骤九：将i矢量ui、ii矢量uj/零矢量u0、磁链矢量ψs输入占空比计算模块12得到i矢量占空比δi；将i矢量ui、ii矢量uj/零矢量u0、磁链矢量ψs输入占空比计算模块12，根据公式(8.1)计算所选电压矢量作用时定子磁链沿dq轴的变化率，进而代入公式(8.2)沿dq轴无差拍跟踪定子磁链矢量计算出er最小值，无需权值系数即可计算i矢量占空比δi，如式(8.3)所示；其中，s11为i矢量沿d轴的磁链变化率，s21为i矢量沿q轴的磁链变化率，s12为ii矢量或零矢量沿d轴的磁链变化率，s22为ii矢量或零矢量沿q轴的磁链变化率，uid为选取的i矢量沿d轴的分量，uiq为选取的i矢量沿q轴的分量，umd为u0或ujd，ujd为选取的ii矢量沿d轴的分量，umq为u0或ujq，ujq为选取的ii矢量沿q轴的分量；其中，er为定子磁链跟踪误差，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)，ti为i矢量作用时间；步骤十：将(k+1)时刻的参考磁链矢量ψsd*(k+1)/ψsq*(k+1)、i矢量ui、ii矢量uj/零矢量u0、磁链矢量ψs和占空比δi输入新型价值函数模块13，该价值函数在一个控制周期施加两个电压矢量，根据无差拍原理跟踪定子磁链矢量，无需权值系数即可有效抑制转矩和磁链脉动；选取使得公式(8.2)取最小值时的电压矢量及占空比uopt1/δopt1、uopt2/δopt2，进而将电压矢量送给逆变器得到三相电驱动永磁同步电机。本发明的工作原理：本发明方法分别根据参考电压矢量的区间和子区间位置选定i、ii矢量，并将定子磁链矢量跟踪误差最小化原理引入到电压矢量的占空比计算中，可在降低处理器计算时间的同时减小系统转矩和磁链脉动，提高了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；然后根据无差拍思想计算获得参考电压矢量，并通过参考矢量的区间位置选定i矢量，通过参考矢量的子区间位置选定ii矢量；进而通过优化电压矢量占空比，将一个控制周期分为两个部分，i矢量作用于控制周期的一部分，而剩下时间选择ii矢量或零矢量；最后将所选电压矢量及占空比进行循环寻优计算获得最优电压矢量输送给永磁同步电机。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。当前第1页12