一種五相永磁同步電機模型預測轉矩控制方法技術

本發明專利技術公開了一種五相永磁同步電機模型預測轉矩控制方法，屬于電力電子與電力傳動領域中多相電機交流控制系統設計與制造，其主要步驟為：首先計算無差拍電壓矢量所在的扇區，只選取該扇區內的4個電壓矢量(2個中矢量+2個大矢量)作為模型預測轉矩控制的輸入集，做到實時更新；然后利用預測模型對輸入集里的4個電壓矢量進行預測計算，結合目標函數選取最優的電壓矢量作為系統在下一時刻的輸入。本發明專利技術方法采用模型預測轉矩控制，具有優良的動態響應性能，且計算量較小，數字實現更為容易，緩解了數字芯片的壓力。

Model predictive torque control method for five phase permanent magnet synchronous motor

The invention discloses a five phase permanent magnet synchronous motor model predictive torque control method, which belongs to the field of power electronics and power transmission in multi phase motor design and manufacture of AC control system, comprising the following steps: firstly calculate the deadbeat voltage vector of the sector, only selected 4 voltage vectors in the sector (2 the vector +2 vector) as a model predictive torque control input set, be updated in real time; and then use the prediction calculation of 4 voltage vectors in input voltage vector, combining the objective function to select the optimal system as input in the next moment. The method of the invention adopts model predictive torque control, has excellent dynamic response performance, and the calculation amount is smaller, the digital realization is more easy, and the pressure of the digital chip is relieved.

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及電力電子與電力傳動領域中多相電機交流控制系統(包含五相逆變器、五相永磁同步電機)設計與制造，特別涉及一種五相永磁同步電機模型預測轉矩控制方法。
技術介紹
微電子技術和電力電子技術的進步，為多相交流調速系統的發展奠定了基礎。多相系統的優勢主要在于：電機的振動和噪聲較小，逆變器容量大、輸出特性好，并且可靠性強、功率密度高。有限集模型預測轉矩控制(Finite-Control-SetModelPredictiveTorqueControl，FCS-MPTC)是一種在線優化控制算法。在五相變流器-電機驅動系統中，通常只選取11個矢量(大矢量+零矢量，MPTC-11)或是21個矢量(大矢量+中矢量+零矢量，MPTC-21)作為輸入集合。在FCS-MPTC算法中，每一個控制周期內都要對輸入集合中的電壓矢量進行遍歷計算。選取11個矢量作為輸入集合，雖然一定程度上減小了計算量，但電機定子電流中會出現較大的諧波，造成電機穩態時轉矩脈動較大且控制效果不佳；而選取21個矢量作為輸入集合雖然豐富了控制集的數量，并提高了系統的控制性能，但給數字控制系統帶來了較大的計算負擔，會產生數字延時等其他問題。
技術實現思路
本專利技術所要解決的技術問題是提供一種五相永磁同步電機模型預測轉矩控制方法，減輕數字控制系統的計算負擔，保證系統優良的控制性能。為解決上述技術問題，本專利技術采用的技術方案是：一種五相永磁同步電機模型預測轉矩控制方法，包括以下步驟：步驟1：根據擴展的派克旋轉變換式將五相永磁同步電機在自然坐標系下的電壓、電流、磁鏈、轉矩等物理量分別映射到d1-q1和d3-q3兩個正交坐標系下；步驟2：對兩電平五相電壓源逆變器的基本空間電壓矢量進行分類，并計算大、中、小電壓矢量的幅值分別為：式中，UL，UM，US分別表示大、中、小電壓矢量的幅值；Udc表示逆變器直流側的母線電壓大小；步驟3：根據五相電機的轉矩以及磁鏈誤差計算出無差拍電壓矢量預測值，再提取出無差拍預測電壓矢量的幅值及位置信息；步驟4：根據計算得到的電壓矢量位置信息確定無差拍電壓矢量的所在扇區；步驟5：選取無差拍電壓矢量所在扇區內的4個矢量作為預測控制的輸入集；步驟6：對控制集中的電壓矢量進行預測評價計算，選取目標函數的最小值對應的電壓矢量施加給逆變器。進一步的，所述步驟3具體為：根據k時刻的轉矩誤差計算出所需負載角δ的變化量△δ為：Teref表示電機轉速外環轉矩的給定值；δ表示電機定轉子磁鏈之間的負載角，Np表示電機極對數，Ld表示直軸電感，ψf表示永磁體的磁鏈，ψs表示定子磁鏈矢量；根據式計算出αβ坐標系下的定子磁鏈誤差：ψsref表示基波磁鏈的給定值；無差拍電壓矢量預測值在兩相αβ靜止坐標系下的分量Uα和Uβ為：最后根據式求得無差拍控制方法中電壓矢量的幅值及位置信息：進一步的，所述目標函數為：其中，i＝m,m+1,m+2,m+3；m表示每個采樣周期內無差拍電壓矢量所在的扇區號；ψsd1-q1ref表示基波空間定子磁鏈的給定值；Te(k+1)、ψsd1-q1(k+1)分別表示k+1時刻轉矩和定子磁鏈的預測值；ψsd3-q3(k+1)表示k+1時刻定子磁鏈的諧波預測值；ψsd3-q3ref為諧波空間定子磁鏈的給定值；λ1、λ2分別在基波空間和諧波空間定子磁鏈分量的權重系數。進一步的，目標函數中Imax為：|Ilim|表示設置的電流限定值，當檢測某一電壓矢量作用后的電流幅值超過最大值的限制，則不選取該電壓矢量。與現有技術相比，本專利技術的有益效果是：1)簡化了FCS-MPTC方法的輸入控制集，避免了大量的冗余計算，減輕了數字控制系統的計算負擔。2)保留了FCS-MPTC方法動態響應速度快、魯棒性好等優點。3)本專利技術基于五相變頻電機驅動系統進行分析，同樣可以擴展應用于其他多相電機；同時，對于其他功率變換的場合涉及到諸如功率、轉矩脈動、電流諧波等問題亦提供參考價值。附圖說明圖1為本專利技術方法的整體功能框圖。圖2為計算無差拍電壓矢量的示意圖。圖3為預測轉矩和磁鏈的框圖。圖4為空間旋轉坐標變換計算框圖。圖5為本專利技術方法計算時長。圖6為MPTC-21(10個大矢量+10個中矢量+零矢量)方法的計算時長。圖7為穩態情況下的電機轉速、轉矩以及a相電流波形(n＝550r/min，TL＝8N·m)。圖8為動態情況下的電機轉速、轉矩以及a相電流波形(n＝550r/min，TL由2N·m跳變至8N·m)。具體實施方式下面結合附圖和具體實施方式對本專利技術作進一步詳細的說明。本專利技術方法顯著減小計算量，也實現對轉矩的預測控制，提高系統的動態響應能力。具體包括以下步驟：五相電機系統包含有4個自由度和零序分量。電機正常運行狀態下，根據擴展的派克旋轉變換式將自然坐標系下的對稱物理量分別映射到d1-q1和d3-q3兩個正交坐標系下。對兩電平五相電壓源逆變器的空間矢量進行分類(表1)，并根據式(1)計算各類電壓矢量的幅值大小。表1電壓矢量組分類式(1)中，Udc表示逆變器直流側的母線電壓大小。d1-q1坐標系下的矢量與d3-q3坐標系下的矢量存在對應關系：d1-q1坐標系下的大、中、小矢量，在d3-q3坐標系下會映射成小、中、大矢量。為了減小計算量，首先計算無差拍電壓矢量，只選取無差拍電壓矢量所在扇區內的4個矢量(2個大矢量+2個中矢量)作為輸入集，避免了對無關矢量的冗余計算。表貼式五相永磁同步電機轉矩Te的表達式為：式中，δ表示電機定轉子磁鏈之間的負載角，Np表示電機極對數，Ld表示直軸電感，ψf表示永磁體的磁鏈，ψs表示定子磁鏈。直接轉矩控制方法中通常保持定子磁鏈幅值不變，通過改變負載角的大小來調節電機的轉矩變化。一般情況下，負載角及其變化量均較小，可做近似處理：δ≈sinδ(3)基于此，根據k時刻的轉矩誤差計算出所需負載角的變化量△δ為：Teref表示電機轉速外環轉矩的給定值。根據式(4)計算出αβ坐標系下的磁鏈誤差：ψsref表示基波磁鏈的給定值，根據電機定子電壓方程，可得到無差拍預測電壓矢量的αβ分量大小：最后根據式(6)求得無差拍控制算法中電壓矢量的幅值及位置信息：表2中對所得的無差拍電壓矢量進行了劃分定義。根據計算得到的電壓位置角信息來確定其所在的扇區。表2扇區劃分以及控制集選取表根據扇區號，對其控制集中的4個電壓矢量(2個大矢量+2個中矢量)進行遍歷預測計算，再根據目標函數選取最優矢量。定義目標函數J為：其中i＝m,m+1,m+2,m+3；m表示每個采樣周期內無差拍電壓矢量所在的扇區號；ψsd1-q1ref表示基波空間磁鏈的給定值；Te(k+1)、ψsd1-q1(k+1)分別表示k+1時刻轉矩和磁鏈的預測值；ψsd3-q3(k+1)表示k+1時刻諧波磁鏈的預測值；λ1、λ2分別基波空間和諧波空間定子磁鏈分量在評價函數中的權重系數；ψsd3-q3ref為諧波空間磁鏈的給定值，為了抑制定子電流的低次諧波，其取值均設置為0。目標函數中的Imax項，體現了電流保護作用，其定義如式(9)：|Ilim|表示設置的電流限定值，當檢測某一電壓矢量作用后的電流幅值超過最大值的限制，則不選取該電壓矢量；若在給定值范圍之內，則此項不會影響目標函數的調節作用。圖1中，整個系統分為轉子磁鏈與轉矩觀測，無差拍電壓本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種五相永磁同步電機模型預測轉矩控制方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1：根據擴展的派克旋轉變換式將五相永磁同步電機在自然坐標系下的電壓、電流、磁鏈、轉矩等物理量分別映射到d1?q1和d3?q3兩個正交坐標系下；步驟2：對兩電平五相電壓源逆變器的基本空間電壓矢量進行分類，并計算大、中、小電壓矢量的幅值分別為：式中，UL，UM，US分別表示大、中、小電壓矢量的幅值；Udc表示逆變器直流側的母線電壓大小；步驟3：根據五相電機的轉矩以及磁鏈誤差計算出無差拍電壓矢量預測值，再提取出無差拍預測電壓矢量的幅值及位置信息；步驟4：根據計算得到的電壓矢量位置信息確定無差拍電壓矢量的所在扇區；步驟5：選取無差拍電壓矢量所在扇區內的4個矢量作為預測控制的輸入集；步驟6：對控制集中的電壓矢量進行預測評價計算，選取目標函數的最小值對應的電壓矢量施加給逆變器。

【技術特征摘要】
1.一種五相永磁同步電機模型預測轉矩控制方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1：根據擴展的派克旋轉變換式將五相永磁同步電機在自然坐標系下的電壓、電流、磁鏈、轉矩等物理量分別映射到d1-q1和d3-q3兩個正交坐標系下；步驟2：對兩電平五相電壓源逆變器的基本空間電壓矢量進行分類，并計算大、中、小電壓矢量的幅值分別為：式中，UL，UM，US分別表示大、中、小電壓矢量的幅值；Udc表示逆變器直流側的母線電壓大小；步驟3：根據五相電機的轉矩以及磁鏈誤差計算出無差拍電壓矢量預測值，再提取出無差拍預測電壓矢量的幅值及位置信息；步驟4：根據計算得到的電壓矢量位置信息確定無差拍電壓矢量的所在扇區；步驟5：選取無差拍電壓矢量所在扇區內的4個矢量作為預測控制的輸入集；步驟6：對控制集中的電壓矢量進行預測評價計算，選取目標函數的最小值對應的電壓矢量施加給逆變器。2.如權利要求1所述的一種五相永磁同步電機模型預測轉矩控制方法，其特征在于，所述步驟3具體為：根據k時刻的轉矩誤差計算出所需負載角δ的變化量△δ為：Δδ=25[Teref-Te(k)]LdNp|ψs|ψf]]>Teref表示電機轉速外環轉矩的給定值；δ表示電機定轉子磁鏈之間的負載角，Np表示電機極對數，Ld表示直軸電感，ψf表示永磁體的磁鏈，ψs表示定子磁鏈矢量；根據式計算出αβ坐標系下的定子磁鏈誤差：Δψα=|ψsref|cos(δs+Δδ)-|ψs(k)|cosδsΔψβ=|ψsref|sin(δs+Δδ)-|...

【專利技術屬性】
技術研發人員：宋文勝，武雪松，薛誠，
申請(專利權)人：西南交通大學，
類型：發明
國別省市：四川;51