永磁同步电机无权值模型预测转矩控制系统的制作方法

本实用新型涉及一种永磁同步电机无权值模型预测转矩控制系统，属于电机驱动及控制领域。

背景技术：

有限控制集模型预测控制能够根据被控对象的约束和离散特性在线解决优化问题，其结构简单且容易实现，近年来在电力电子和电机驱动领域被广泛应用。其中模型预测转矩控制作为有限控制集模型预测控制中的一种控制形式，在电机控制领域受到深入研究。模型预测转矩控制从直接转矩控制发展而来，其以转矩和定子磁链幅值为控制目标，通过优化控制目标的价值函数来选择最优开关状态。与直接转矩控制相比，模型预测转矩控制具有开关频率低、动态响应快、能处理电机非线性约束等优点。

然而，转矩和定子磁链幅值的量纲不同，在构建价值函数时需要利用权值对二者进行连接。目前权值的选择仍缺乏统一的理论指导，国内外学者针对权值选择的研究主要可以分为两大类，一是权值选择优化，二是权值消除。权值选择优化是通过设计合理有效的方法指导权值选择，而权值消除基本思想是将统一控制变量量纲以避免权值选择。与权值选择优化相比，消除权值可避免权值对电机性能的影响，因而更受研究人员青睐。

中国实用新型专利《一种永磁同步电机准无差拍模型预测磁链控制方法》(专利号为CN201610188463.4，公开日期为2016.07.13)公开了一种准无差拍模型预测磁链控制方法。该方法通过分析转矩和定子磁链幅值的关系，通过数学推导将控制变量统一为定子磁链矢量，有效消除了权值。然而该方法未能考虑永磁同步电机的凸极效应，也未考虑电机在恒功率区运行工况。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于针对现有技术存在的问题，提供了一种能适用于所有永磁同步电机的无权值模型预测转矩控制系统，且该方法在恒转矩区和恒功率区均能适用。

本实用新型采用的技术方案为：一种永磁同步电机无权值模型预测转矩控制系统，包括转速PI控制器、转矩PI控制器、电流参考计算模块、定子磁链参考计算模块、优化模块、逆变器、永磁同步电机、转矩估计模块、负载角计算模块、定子磁链预测模块、编码器和电流传感器。

转速参考值和经编码器得到的实际转速做差，差值输入转速PI控制器；转速PI控制器输出的转矩参考值与转矩估计模块得到的转矩估计值做差，差值输入到转矩PI控制器，同时转速PI控制器得到的转矩参考值输入电流参考计算模块；转矩PI控制器输出的负载角增量与负载角计算模块输出当前时刻负载角相加，相加的和输入到定子磁链参考计算模块；定子磁链参考计算模块和定子磁链预测模块分别输出定子磁链参考值和定子磁链预测值到优化模块；优化模块输出最优开关状态给逆变器；逆变器输出最优电压矢量给永磁同步电机；电流传感器采集到的两相电流经过PARK变换后得到交直轴电流，交直轴电流输入转矩估计模块进行转矩估计；交直轴电流和编码器得到的转子位置角输入负载角计算模块和定子磁链预测模块，分别进行负载角计算和定子磁链预测。

一种采用上述系统的永磁同步电机无权值模型预测转矩控制方法，包括以下步骤：

步骤一：首先，通过转速控制器获得转矩参考值，根据最大转矩电流比原则与磁链方程计算定子磁链幅值参考值，同时利用转矩控制器获得负载角增量；

计算转矩参考值T_em^*：检测电机实际转速n，将速度参考n^*与实际转速n的差值e_n输入PI控制器，根据公式(1)获得转矩参考值T_em^*；

其中，K_P1和K_I1分别为转速PI控制器的比例增益和积分增益；

计算负载角增量Δδ_sf：采集两相电流和实时转子位置，然后进行PARK变换得到dq轴电流i_d/i_q，根据公式(2)得到转矩估计T_em；将转矩参考值T_em^*与转矩估计模块的输出T_em的差值e_T输入PI控制器，根据公式(3)获得负载角增量Δδ_sf；

其中，P_r为极对数，为永磁体磁链幅值，L_d和L_q分别为直轴和交轴电感，K_P2和K_I2分别为转矩PI控制器的比例增益和积分增益；

计算电流参考值：基于最大转矩电流比控制原理，根据公式(4)对求极值，计算最优匹配电流角β。根据公式(5)获得直轴电流参考值i_d^*，再根据公式计算得到交轴电流参考值i_q^*。

其中，为定子电流矢量幅值。

计算定子磁链幅值参考值：将电流参考i_d^*和i_q^*输入参考定子磁链参考计算模块，根据公式(6)计算(k+1)时刻的定子磁链幅值参考值；

步骤二：然后，通过计算得到的定子磁链角和检测得到的转子位置角获得当前时刻的负载角，结合负载角增量与当前时刻负载角得到(k+1)时刻的负载角参考值，进而基于负载角参考值和定子磁链幅值参考值得到(k+1)时刻的定子磁链参考值；利用定子磁链参考值和定子磁链预测值建立价值函数；

计算当前时刻负载角：两相电流和转子位置角经过PARK变换获得的i_d/i_q根据公式(7)得到当前定子磁链矢量的dq轴分量ψ_sd/ψ_sq，再通过反PARK变换得到ψ_sα/ψ_sβ，利用公式(8)计算当前定子磁链角θ_s，定子磁链角θ_s减去转子位置角θ_r即可得到负载角δ_sf

计算(k+1)时刻定子磁链参考值：根据公式得到(k+1)时刻的负载角参考值再通过(k+1)时刻的定子磁链幅值参考和负载角参考值根据公式(9)得到定子磁链参考值ψ_sd^*/ψ_sq^*。

计算(k+1)刻定子磁链预测值ψ_sd(k+1)和ψ_sq(k+1)：经过PARK变换得到的dq轴电流i_d/i_q和转子位置角输入定子磁链预测模块，根据公式(10)获得(k+1)时刻的预测电流模型，然后根据公式(11)获得(k+1)刻定子磁链预测值ψ_sd(k+1)和ψ_sq(k+1)；

其中，T_s表示采样时间，R_s为定子电阻，ω_r为转子角速度，u_d/u_q为基本电压矢量dq轴分量。

建立价值函数：将(k+1)时刻参考定子磁链dq轴分量ψ_sd^*/ψ_sq^*和(k+1)刻定子磁链预测值ψ_sd(k+1)/ψ_sq(k+1)输入优化模块，根据公式(12)计算价值函数g_i。

步骤三：最后，通过优化价值函数获得最优电压矢量输送给永磁同步电机。

在价值函数g_i中依次代入表1中的基本电压矢量当价值函数g_i取最小值时，其对应的基本电压矢量确定为最优电压矢量根据开关状态与基本电压矢量关系获得最优开关状态S_abc，其中，i＝{1,…,8}。

表1基本电压矢量表

工作原理：通过引入转矩反馈，将转矩增量转化为负载角增量，进而将控制目标统一为定子磁链。首先，通过转速控制器获得转矩参考值，根据最大转矩电流比原则与磁链方程计算定子磁链幅值参考值，同时利用转矩控制器获得负载角增量；然后，通过计算得到的定子磁链角和检测得到的转子位置角获得当前时刻的负载角，结合负载角增量与当前时刻负载角得到(k+1)时刻的负载角参考值，进而基于负载角参考值和定子磁链幅值参考值得到(k+1)时刻的定子磁链参考值；利用定子磁链参考值和定子磁链预测值建立价值函数；最后，通过优化价值函数获得最优电压矢量输送给永磁同步电机。

有益效果：本实用新型以永磁同步电机定子磁链为控制目标，消除了传统模型预测转矩控制中的权值，可用于各种类型的永磁同步电机，且可以与最大转矩电流比控制、弱磁控制等策略有效结合，适用于电机转矩区和恒功率区。

附图说明

图1是本实用新型提供的永磁同步电机无权值模型预测转矩控制系统示意图；

图2是本实用新型提供的永磁同步电机无权值模型预测转矩控制方法流程图；

图3是本实用新型提供的永磁同步电机无权值模型预测转矩控制方法的矢量图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的说明。

如图1所示，一种永磁同步电机无权值模型预测转矩控制系统，包括转速PI控制器1、转矩PI控制器2、电流参考计算模块3、定子磁链参考计算模块4、优化模块5、逆变器6、永磁同步电机7、转矩估计模块8、负载角计算模块9、定子磁链预测模块10、编码器11和电流传感器12。

转速参考值和经编码器11得到的实际转速做差，差值输入转速PI控制器1；转速PI控制器1输出的转矩参考值与转矩估计模块8得到的转矩估计值做差，差值输入到转矩PI控制器2，同时转速PI控制器1得到的转矩参考值输入电流参考计算模块3；转矩PI控制器2输出的负载角增量与负载角计算模块9输出当前时刻负载角相加，相加的和输入到定子磁链参考计算模块4；定子磁链参考计算模块4和定子磁链预测模块10分别输出定子磁链参考值和定子磁链预测值到优化模块5；优化模块5输出最优开关状态给逆变器6；逆变器6输出最优电压矢量给永磁同步电机7；电流传感器12采集到的两相电流经过PARK变换后得到交直轴电流，交直轴电流输入转矩估计模块8进行转矩估计；交直轴电流和编码器11得到的转子位置角输入负载角计算模块9和定子磁链预测模块10，分别进行负载角计算和定子磁链预测。

如图2和图3所示的是一种永磁同步电机无权值模型预测转矩控制方法，包括以下步骤：

(1)计算转矩参考值：检测电机实际转速n，并将速度参考n^*与实际转速n的差值e_n输入PI控制器，根据公式(1)获得转矩参考值T_em^*；

其中K_P1和K_I1分别为PI控制器的比例增益和积分增益；

(2)计算负载角增量：采集定子电流并进行PARK变化，经过PARK变换获得的i_d/i_q根据公式(2)获得转矩估计值T_em。将转矩参考值T_em^*与转矩估计模块的输出T_em的差值e_T输入PI控制器，根据公式(3)获得负载角增量Δδ_sf；

其中，P_r为极对数，为永磁体磁链幅值，L_d和L_q分别为直轴和交轴电感，K_P2和K_I2分别为PI控制器的比例增益和积分增益；

(3)计算电流参考值：根据公式(4)对求极值，计算最优匹配电流角β。根据公式(5)获得直轴电流参考值i_d^*，再根据公式计算得到交轴电流参考值i_q^*；

(4)计算定子磁链幅值参考值：将电流参考i_d^*和i_q^*输入参考定子磁链参考计算模块，根据公式(6)计算(k+1)时刻的定子磁链矢量幅值参考；

(5)计算当前时刻负载角：经过PARK变换获得的i_d/i_q根据公式(7)计算当前定子磁链的dq轴分量ψ_sd/ψ_sq，ψ_sd/ψ_sq通过反PARK变换得到ψ_sα/ψ_sβ，利用以下公式(8)计算当前定子磁链角θ_s，根据公式δ_sf＝θ_s-θ_r得到负载角δ_sf，其中θ_r为转子位置角。

(6)计算(k+1)时刻定子磁链参考值：根据公式得到(k+1)时刻的负载角参考值再通过(k+1)时刻的定子磁链幅值参考值和负载角参考值根据公式(9)得到定子磁链参考ψ_sd^*/ψ_sq^*。

(7)预测(k+1)时刻定子磁链：经过PARK变换得到的dq轴电流i_d/i_q和转子位置角输入定子磁链预测模块，根据公式(10)获得(k+1)时刻的预测电流模型，然后根据公式(11)获得(k+1)刻定子磁链预测值ψ_sd(k+1)和ψ_sq(k+1)；其中T_s表示采样时间。

其中T_s表示采样时间，R_s为定子电阻，ω_r为转子角速度，u_d/u_q为基本电压矢量dq轴分量。

(8)设计价值函数：将(k+1)时刻定子磁链dq轴分量参考值ψ_sd^*/ψ_sq^*和(k+1)刻定子磁链预测值ψ_sd(k+1)/ψ_sq(k+1)输入优化模块，根据公式(12)计算价值函数g_i，依次代入基本电压矢量当价值函数g_i取最小值时，其对应的基本电压矢量确定为最优电压矢量根据开关状态与基本电压矢量关系获得最优开关状态其中，i＝{1,…,8}。

以上结合附图对本实用新型的实施方式做出详细说明，但本实用新型不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本实用新型的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本实用新型的保护范围内。