本發(fā)明涉及一種永磁同步電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種基于永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩預(yù)測(cè)控制方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有電機(jī)主要分為兩類：直流電機(jī)和交流電機(jī)，根據(jù)結(jié)構(gòu)和工作原理的不同，交流電機(jī)可以分為交流異步電機(jī)和同步電機(jī)，隨著永磁材料性能的提高和價(jià)格的下降，永磁同步電機(jī)應(yīng)用越來越廣泛，并且由于永磁同步電機(jī)具有以高功率因素、高效率、低能耗、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、較硬的機(jī)械特性、較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度、控制方法簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，所以永磁同步電機(jī)使用范圍廣泛；

現(xiàn)有永磁同步電機(jī)的控制方法中矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制較為成熟，但是直接轉(zhuǎn)矩控制是基于對(duì)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的滯環(huán)控制，根據(jù)滯環(huán)比較結(jié)果采用查表的方法選擇基本電壓矢量，這會(huì)使轉(zhuǎn)矩和磁鏈產(chǎn)生較大脈動(dòng)；

矢量控制轉(zhuǎn)矩響應(yīng)較慢，含有復(fù)雜的坐標(biāo)變換，控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，隨著數(shù)字信號(hào)處理器等控制芯片計(jì)算能力的大幅提高，現(xiàn)有的轉(zhuǎn)矩預(yù)測(cè)控制顯然不能滿足需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩預(yù)測(cè)控制方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種基于永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩預(yù)測(cè)控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

s1)、通過電流傳感器獲取k時(shí)刻永磁同步電機(jī)的三相定子電流isa(k)、isb(k)、isc(k)，并且通過電壓傳感器獲取永磁同步電機(jī)直流側(cè)電壓udc，并且通過編碼器獲取永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速ω；

s2)、通過將轉(zhuǎn)速ω與參考轉(zhuǎn)速ω^*做差后經(jīng)pi調(diào)節(jié)器輸出得到參考轉(zhuǎn)矩指令te^*；

s3)、通過參考轉(zhuǎn)矩指令te^*計(jì)算得到參考定子磁鏈ψs^*，其計(jì)算公式如下：

其中，p為極對(duì)數(shù)，ψf為轉(zhuǎn)子磁鏈，|ψs^*|為參考定子磁鏈幅值，ls為定子電感；

s4)、通過計(jì)算參考定子磁鏈相位角θ，利用極坐標(biāo)系得到參考定子磁鏈ψs^*在αβ軸下的分量ψsα^*、ψsβ^*，其中，參考定子磁鏈相位角θ計(jì)算公式如下：

θ＝arctan(lste^*/(1.5pψf²))+ωt，

其中，ω為轉(zhuǎn)速，arctan(lste^*/(1.5pψf²))為轉(zhuǎn)矩角，參考定子磁鏈ψs^*在αβ軸下的分量ψsα^*、ψsβ^*的計(jì)算公式如下：

ψsα^*＝|ψs^*|cosθ，

ψsβ^*＝|ψs^*|sinθ；

s5)、根據(jù)逆變器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)sa、sb、sc和直流側(cè)電壓udc計(jì)算得到k時(shí)刻永磁同步電機(jī)三相電壓usa(k)、usb(k)、usc(k)，計(jì)算公式如下：

s6)、通過將永磁同步電機(jī)k時(shí)刻的三相電壓usa(k)、usb(k)、usc(k)和永磁同步電機(jī)的三相定子電流isa(k)、isb(k)、isc(k)經(jīng)過坐標(biāo)變換后可以得到usα(k)、usβ(k)和isα(k)、isβ(k)，其計(jì)算公式如下：

s7)、通過usα(k)、usβ(k)和isα(k)、isβ(k)計(jì)算可以得到定子磁鏈ψs(k)在αβ軸下的分量ψsα(k)、ψsβ(k)，并根據(jù)定子磁鏈ψs(k)的分量ψsα(k)、ψsβ(k)計(jì)算得到轉(zhuǎn)矩te(k)，計(jì)算公式如下：

其中，rs為定子電阻；

s8)、通過反pack坐標(biāo)變換可以得到轉(zhuǎn)子磁鏈ψf在靜止坐標(biāo)系下的分量ψfα和ψfβ，計(jì)算公式如下：

s9)、為使每個(gè)周期輸出三個(gè)不同的電壓矢量，通過三橋臂的8個(gè)開關(guān)狀態(tài)，設(shè)定六個(gè)非零電壓矢量(u1u2u3u4u5u6)和零電壓矢量u0或u7，并將六個(gè)非零電壓矢量(u1u2u3u4u5u6)和零電壓矢量u0或u7組成12組電壓矢量集，其中每組電壓矢量集由兩個(gè)相鄰的非零電壓矢量和零電壓矢量u0或u7組成，具體分別為：(u0u1u2)、(u0u2u3)、(u0u3u4)、(u0u4u5)、(u0u5u6)、(u0u6u1)、(u7u1u2)、(u7u2u3)、(u7u3u4)、(u7u4u5)、(u7u5u6)、(u7u6u1)，并從這12組電壓矢量集中任意選取一組電壓矢量集作用于k+1時(shí)刻，從而使永磁同步電機(jī)快速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，為了減少開關(guān)損耗，設(shè)置每組電壓矢量左右對(duì)稱；

s10)、根據(jù)與計(jì)算得到下一時(shí)刻k+1的定子磁鏈分量的預(yù)測(cè)值ψsα(k+1)和ψsβ(k+1)，其中，由于定子電阻rs的阻值很小，可以忽略，計(jì)算公式如下：

其中，kαi＝uαi、kβi＝uβi、kαj＝uαj、kβj＝uβj為不同非零電壓矢量(ui、uj)在αβ軸下作用的磁鏈斜率，t1和t2為相對(duì)應(yīng)非零電壓矢量(ui、uj)作用的時(shí)間長(zhǎng)，其中，t1和t2的計(jì)算式為：

其中，δψsα(k)＝ψsα(k+1)-ψsα(k)＝ψsα^*(k)-ψsα(k)；δψsβ(k)＝ψsβ(k+1)-ψsβ(k)＝ψsβ^*(k)-ψsβ(k)；另外零電壓矢量u0或u7作用的時(shí)間為t0＝ts-t1-t2；

s11)、由于轉(zhuǎn)矩含有電流和磁鏈乘積，從而下一時(shí)刻k+1的電流預(yù)測(cè)值的計(jì)算公式如下：

由于可將電流預(yù)測(cè)值中含電壓部分替換，得到：

則可得下一時(shí)刻k+1的轉(zhuǎn)矩的預(yù)測(cè)值te(k+1)為：

其中，由于isα0、isβ0均為k時(shí)刻的值，故無需預(yù)測(cè)下一時(shí)刻k+1的電流值；

s12)、通過在價(jià)值函數(shù)g中加入開關(guān)次數(shù)f，從而區(qū)別零電壓矢量u0與u7，并且依次將步驟s10)和s11)中在12組不同電壓矢量集作用下的定子磁鏈分量的預(yù)測(cè)值ψsα(k+1)和ψsβ(k+1)與轉(zhuǎn)矩的預(yù)測(cè)值te(k+1)輸入到價(jià)值函數(shù)g中，分別計(jì)算得到12個(gè)不同的價(jià)值函數(shù)g值，計(jì)算公式如下：

g＝|te(k+1)-te^*(k)|+λ|ψs(k+1)-ψs^*(k)|+f，

其中，λ為加權(quán)系數(shù)，f為開關(guān)次數(shù)；

s13)、選取步驟s12)中最小的價(jià)值函數(shù)gmin值所對(duì)應(yīng)的電壓矢量集，以及相對(duì)應(yīng)的電壓矢量作用的時(shí)間，得到三個(gè)不同脈沖信號(hào)作用于逆變器，從而控制三個(gè)上下管的開通，實(shí)現(xiàn)逆變器的控制。

本發(fā)明的有益效果為：設(shè)計(jì)合理、實(shí)用性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單，并且無需計(jì)算下一時(shí)刻的電流預(yù)測(cè)值，從而避免了由于坐標(biāo)變換導(dǎo)致的計(jì)算量大、計(jì)算過程復(fù)雜的問題，從而減少了計(jì)算量，大大簡(jiǎn)化了計(jì)算工作，另外，還避免了由于滯環(huán)控制導(dǎo)致的轉(zhuǎn)矩和磁鏈產(chǎn)生脈動(dòng)較大、控制轉(zhuǎn)矩響應(yīng)較慢等問題，

附圖說明

圖1為本發(fā)明的流程示意圖；

圖2為本發(fā)明的框架結(jié)構(gòu)圖；

圖3為本發(fā)明中8個(gè)電壓矢量和驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間的關(guān)系示意圖；

圖4為本發(fā)明中12組不同的電壓矢量及其相應(yīng)電壓矢量作用時(shí)間的脈沖示意圖；

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步說明：

如圖1和圖2所示，一種基于永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩預(yù)測(cè)控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

s1)、通過電流傳感器獲取k時(shí)刻永磁同步電機(jī)的三相定子電流isa(k)、isb(k)、isc(k)，并且通過電壓傳感器獲取永磁同步電機(jī)直流側(cè)電壓udc，并且通過編碼器獲取永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速ω；

s2)、通過將轉(zhuǎn)速ω與參考轉(zhuǎn)速ω^*做差后經(jīng)pi調(diào)節(jié)器輸出得到參考轉(zhuǎn)矩指令te^*；

s3)、通過參考轉(zhuǎn)矩指令te^*計(jì)算得到參考定子磁鏈ψs^*，其計(jì)算公式如下：

其中，p為極對(duì)數(shù)，ψf為轉(zhuǎn)子磁鏈，|ψs^*|為參考定子磁鏈幅值，ls為定子電感；

s4)、通過計(jì)算參考定子磁鏈相位角θ，利用極坐標(biāo)系得到參考定子磁鏈ψs^*在αβ軸下的分量ψsα^*、ψsβ^*，其中，參考定子磁鏈相位角θ計(jì)算公式如下：

θ=arctan(lste^*/(1.5pψf²))+ωt，

其中，ω為轉(zhuǎn)速，arctan(lste^*/(1.5pψf²))為轉(zhuǎn)矩角，參考定子磁鏈ψs^*在αβ軸下的分量ψsα^*、ψsβ^*的計(jì)算公式如下：

ψsα^*＝|ψs^*|cosθ，

ψsβ^*＝|ψs^*|sinθ；

s5)、根據(jù)逆變器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)sa、sb、sc和直流側(cè)電壓udc計(jì)算得到k時(shí)刻永磁同步電機(jī)三相電壓usa(k)、usb(k)、usc(k)，計(jì)算公式如下：

s6)、通過將永磁同步電機(jī)k時(shí)刻的三相電壓usa(k)、usb(k)、usc(k)和永磁同步電機(jī)的三相定子電流isa(k)、isb(k)、isc(k)經(jīng)過坐標(biāo)變換后可以得到usα(k)、usβ(k)和isα(k)、isβ(k)，其計(jì)算公式如下：

s7)、通過usα(k)、usβ(k)和isα(k)、isβ(k)計(jì)算可以得到定子磁鏈ψs(k)在αβ軸下的分量ψsα(k)、ψsβ(k)，并根據(jù)定子磁鏈ψs(k)的分量ψsα(k)、ψsβ(k)計(jì)算得到轉(zhuǎn)矩te(k)，計(jì)算公式如下：

其中，rs為定子電阻；

s8)、通過反pack坐標(biāo)變換可以得到轉(zhuǎn)子磁鏈ψf在靜止坐標(biāo)系下的分量ψfα和ψfβ，計(jì)算公式如下：

s9)、為使每個(gè)周期輸出三個(gè)不同的電壓矢量，通過三橋臂的8個(gè)開關(guān)狀態(tài)，設(shè)定六個(gè)非零電壓矢量(u1u2u3u4u5u6)和零電壓矢量u0或u7，具體如圖3所示，其中，u0(000)表示電壓矢量u0的對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為(000)，并將六個(gè)非零電壓矢量(u1u2u3u4u5u6)和零電壓矢量u0或u7組成12組電壓矢量集，其中每組電壓矢量集由兩個(gè)相鄰的非零電壓矢量和零電壓矢量u0或u7組成，具體分別為：(u0u1u2)、(u0u2u3)、(u0u3u4)、(u0u4u5)、(u0u5u6)、(u0u6u1)、(u7u1u2)、(u7u2u3)、(u7u3u4)、(u7u4u5)、(u7u5u6)、(u7u6u1)，并從這12組電壓矢量集中任意選取一組電壓矢量集作用于k+1時(shí)刻，從而使永磁同步電機(jī)快速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，為了減少開關(guān)損耗，設(shè)置每組電壓矢量左右對(duì)稱；

s10)、根據(jù)與計(jì)算得到下一時(shí)刻k+1的定子磁鏈分量的預(yù)測(cè)值ψsα(k+1)和ψsβ(k+1)，其中，由于定子電阻rs的阻值很小，可以忽略，計(jì)算公式如下：

其中，kαi＝uαi、kβi＝uβi、kαj＝uαj、kβj＝uβj為不同非零電壓矢量(ui、uj)在αβ軸下作用的磁鏈斜率，t1和t2為相對(duì)應(yīng)非零電壓矢量(ui、uj)作用的時(shí)間長(zhǎng)，其中，t1和t2的計(jì)算式為：

其中，δψsα(k)＝ψsα(k+1)-ψsα(k)＝ψsα^*(k)-ψsα(k)；δψsβ(k)＝ψsβ(k+1)-ψsβ(k)＝ψsβ^*(k)-ψsβ(k)；另外零電壓矢量u0或u7作用的時(shí)間為t0＝ts-t1-t2；

s11)、由于轉(zhuǎn)矩含有電流和磁鏈乘積，從而下一時(shí)刻k+1的電流預(yù)測(cè)值的計(jì)算公式如下：

由于可將電流預(yù)測(cè)值中含電壓部分替換，得到：

則可得下一時(shí)刻k+1的轉(zhuǎn)矩的預(yù)測(cè)值te(k+1)為：

其中，由于isα0、isβ0均為k時(shí)刻的值，故無需預(yù)測(cè)下一時(shí)刻k+1的電流值；

s12)、通過在價(jià)值函數(shù)g中加入開關(guān)次數(shù)f，從而區(qū)別零電壓矢量u0與u7，并且依次將步驟s10)和s11)中在12組不同電壓矢量集作用下的定子磁鏈分量的預(yù)測(cè)值ψsα(k+1)和ψsβ(k+1)與轉(zhuǎn)矩的預(yù)測(cè)值te(k+1)輸入到價(jià)值函數(shù)g中，分別計(jì)算得到12個(gè)不同的價(jià)值函數(shù)g值，計(jì)算公式如下：

g＝|te(k+1)-te^*(k)|+λ|ψs(k+1)-ψs^*(k)|+f，

其中，λ為加權(quán)系數(shù)，f為開關(guān)次數(shù)；

s13)、選取步驟s12)中最小的價(jià)值函數(shù)gmin值所對(duì)應(yīng)的電壓矢量集，以及相對(duì)應(yīng)的電壓矢量作用的時(shí)間，得到三個(gè)不同脈沖信號(hào)作用于逆變器，從而控制三個(gè)上下管的開通，實(shí)現(xiàn)逆變器的控制，其中，12組不同電壓矢量集作用時(shí)間和相應(yīng)的電壓矢量集形成的脈沖信號(hào)如圖4所示，為使驅(qū)動(dòng)信號(hào)左右對(duì)稱，調(diào)整作用時(shí)間的先后順序。

上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理和最佳實(shí)施例，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。