CN108649855A - 一种基于占空比的模型预测转矩控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于占空比的模型预测转矩控制方法：在已有电机的六个基本有效矢量的基础上，增加六个虚拟矢量，同时建立以定子磁链定向的旋转坐标系，根据转矩和磁链增减需求分为四个扇区，每个控制周期每个扇区都包含三个待选矢量，则减少待选矢量个数，减少计算时间；针对三个待选电压矢量，根据转矩误差和磁链误差分别计算三个待选矢量在本控制周期末达到转矩误差为零的转矩占空比和磁链误差为零的磁链占空比，根据转矩占空比和磁链占空比提出一种新的最优评价方法，不需要传统方法中的评价函数，从而也就消除了权重系数的问题；同时加入占空比算法，抑制传统单矢量作用控制导致的转矩脉动。在消除权重因子问题的同时，使转矩和磁链同时控制，因此使转矩和磁链具有更好的控制效果。

Description

一种基于占空比的模型预测转矩控制方法

技术领域

本发明涉及一种预测转矩控制方法。特别是涉及一种基于占空比的模型预测转矩控制方法。

背景技术

在工业应用中，永磁同步电机(PMSM)控制***被广泛应用，主要是由于其精度高、效率高、控制性能优良。在实际的永磁同步电机控制***中，快速动态响应是决定整个***性能的关键因素，因此，为了提高控制***的动态性能，模型预测转矩控制(MPTC)由于其优异的动态响应能力得到了广泛的应用。传统两电平逆变器中，可以产生六个有效矢量和一个零矢量，通过电机模型预测下一周期电机状态，通过评价函数选出最优矢量，评价函数通常是由预测值和参考值的误差来组成的，选出最优矢量之后在下一控制周期输出作用于电机。

传统的模型预测转矩控制，为了实现转矩和磁链的同时控制，评价函数通常包含转矩误差和磁链误差，但由于转矩和定子磁链有不同的量纲，所以为了平衡转矩和磁链的性能，评价函数中的权重系数显得尤为重要，但由于缺乏理论设计过程，调整权重因子是一项艰巨的任务。除了权重因子的优化任务，模型预测转矩控制方法同时也面临着其他的挑战，如高转矩脉动和高计算负担。传统方法中，有效电压矢量数过少，如果一个周期作用整个有效矢量，必然会导致过高的转矩脉动。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种不需要评价函数，从而消除了权重系数的基于占空比的模型预测转矩控制方法。

本发明所采用的技术方案是：一种基于占空比的模型预测转矩控制方法，包括如下步骤：

1)在k时刻，由控制***对电机转子电角速度ω_e，转子位置角θ，电机ABC三相电流i_A(k)、i_B(k)和i_C(k)，直流母线电压u_dc(k)进行采样，并求解ABC三相电流的d、q轴分量i_d(k)和i_q(k)；

2)将转速误差Δω_e通过PI调节器计算得到电磁转矩参考值T_e ^*，定子磁链参考值为恒定值ψ_s ^*；

3)根据得到的ABC三相电流的d、q轴分量i_d(k)和i_q(k)，利用转矩公式得到k时刻的电磁转矩值T_e(k)，利用定子磁链计算公式计算得到k时刻定子磁链的d轴和q轴分量分别为ψ_d(k)和ψ_q(k)，根据坐标变换将定子磁链的d轴和q轴分量变换到α轴和β轴得到定子磁链在α轴和β轴的分量ψ_α(k)和ψ_β(k)，然后根据ψ_α(k)和ψ_β(k)求出磁链幅值ψ_s(k)和磁链角度θ_s；利用电磁转矩参考值T_e ^*和定子磁链参考值ψ_s ^*，求得k时刻的转矩误差T_{e_error}和磁链误差ψ_{s_error}；

4)根据转矩误差T_{e_error}和磁链误差ψ_{s_error}选择扇区，将扇区内的3个矢量构成有限控制集的待选矢量；

5)将三个待选矢量带入到电机模型中，分别预测三个待选矢量下一控制周期的d轴和q轴电流值i_d1(k+1)、i_d2(k+1)、i_d3(k+1)和i_q1(k+1)、i_q2(k+1)、i_q3(k+1)，根据电磁转矩和定子磁链的计算公式预测得到在三个待选矢量的作用下，下一控制周期的电磁转矩分别为T_e1(k+1)、T_e2(k+1)、T_e3(k+1)和定子磁链分别为ψ_s1(k+1)、ψ_s2(k+1)、ψ_s3(k+1)，从而得到三个待选矢量在一个控制周期转矩的变化量分别为ΔT_e1、ΔT_e2、ΔT_e3和磁链的变化量分别为Δψ_s1、Δψ_s2、Δψ_s3，用转矩误差T_{e_error}除以一个控制周期转矩的变化量，求得k+1时刻转矩达到无差拍时，三个待选矢量的转矩占空比分别为D_T1、D_T2、D_T3，用磁链误差ψ_{s_error}除以一个控制周期磁链的变化量，求得磁链达到无差拍时，三个待选矢量的磁链占空比分别为D_ψ1、D_ψ2、D_ψ3，对求得的所有转矩占空比和的磁链占空比进行限幅处理，限制幅值在0～1之间；

6)利用转矩占空比D_T1、D_T2、D_T3和磁链占空比D_ψ1、D_ψ2、D_ψ3，得到每个矢量转矩占空比与对应的磁链占空比的差值D_error1、D_error2、D_error3，选择三个待选矢量中最优的一个作为最优矢量；

7)根据最优矢量，得到最优矢量的α轴和β轴分量V_α，V_β，最优矢量的占空比选择转矩占空比D_T，将最优矢量的α轴和β轴分量V_α，V_β与转矩占空比D_T相乘，将得到的结果在下一控制周期输出作用于电机，并返回步骤1)～步骤7)，以此循环。

步骤4)中所述的扇区是以磁链角度θ_s为零度基准，90度一个扇区，逆时针方向划分有4个扇区，在两电平逆变器设有6个基础矢量和6个虚拟矢量共同构成待选矢量，则每个扇区内有3个待选矢量，其中：

第1扇区满足：T_{e_error}>0，ψ_{s_error}>0

第2扇区满足：T_{e_error}>0，ψ_{s_error}<0

第3扇区满足：T_{e_error}<0，ψ_{s_error}<0

第4扇区满足：T_{e_error}<0，ψ_{s_error}>0

步骤6)中最优矢量的选择是根据最优矢量的控制目标是以转矩控制为主，磁链控制为辅，给出选择最优矢量的条件如下：

1、当转矩占空比D_T1＝D_T2＝D_T3＝1时，此时三个矢量都不能使转矩达到无差拍，则最优矢量选择三个矢量中一个周期转矩变化量ΔT_e1、ΔT_e2、ΔT_e3最大的矢量；

2、当转矩占空比D_T1，D_T2，D_T3中有两个为1，一个不为1时，此时转矩占空比为1的两个不能使转矩达到无差拍，选择转矩占空比不为1所对应的矢量为最优矢量，来达到转矩无差拍控制；

3、当转矩占空比D_T1，D_T2，D_T3都不为1时，此时三个矢量都可以达到转矩无差拍，选择转矩占空比与对应的磁链占空比的差值D_error1、D_error2、D_error3最小的矢量为最优矢量，在保证转矩无差拍的同时，磁链也得到控制。

本发明的一种基于占空比的模型预测转矩控制方法，在六个基本有效矢量的基础上，增加六个虚拟矢量，同时建立以定子磁链定向的旋转坐标系，根据转矩和磁链增减需求分为四个扇区，每个控制周期每个扇区都包含三个待选矢量，则减少待选矢量个数，减少计算时间；针对三个待选电压矢量，根据转矩误差和磁链误差分别计算三个待选矢量在本控制周期末达到转矩误差为零的转矩占空比和磁链误差为零的磁链占空比，根据转矩占空比和磁链占空比提出一种新的最优评价方法，不需要传统方法中的评价函数，从而也就消除了权重系数的问题；同时加入占空比算法，抑制传统单矢量作用控制导致的转矩脉动。在消除权重因子问题的同时，使转矩和磁链同时控制，因此使转矩和磁链具有更好的控制效果。

附图说明

图1是本发明一种基于占空比的模型预测转矩控制方法的控制原理图；

图2是本发明中电压矢量分布与旋转扇区划分图；

图3是本发明一种基于占空比的模型预测转矩控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种基于占空比的模型预测转矩控制方法做出详细说明。

本发明的一种基于占空比的模型预测转矩控制方法，包括如下步骤：

1)在k时刻，由控制***对电机转子电角速度ω_e，转子位置角θ，电机ABC三相电流i_A(k)、i_B(k)和i_C(k)，直流母线电压u_dc(k)进行采样，并求解ABC三相电流的d、q轴分量i_d(k)和i_q(k)；

2)将转速误差Δω_e通过PI调节器计算得到电磁转矩参考值T_e ^*，定子磁链参考值为恒定值ψ_s ^*；

3)根据得到的ABC三相电流的d、q轴分量i_d(k)和i_q(k)，利用转矩公式得到k时刻的电磁转矩值T_e(k)，利用定子磁链计算公式计算得到k时刻定子磁链的d轴和q轴分量分别为ψ_d(k)和ψ_q(k)，具体计算公式如下：

式中ψ_f为永磁体磁链值，p为电机极对数，L_d和L_q分别为d轴电感值和q轴电感值。

根据坐标变换将定子磁链的d轴和q轴分量变换到α轴和β轴得到定子磁链在α轴和β轴的分量ψ_α和ψ_β，然后根据ψ_α和ψ_β求出磁链幅值ψ_s(k)和磁链角度θ_s；利用电磁转矩参考值T_e ^*和定子磁链参考值ψ_s ^*，求得k时刻的转矩误差T_{e_error}和磁链误差ψ_{s_error}，具体计算公式如下：

4)根据转矩误差T_{e_error}和磁链误差ψ_{s_error}选择扇区，将扇区内的3个矢量构成有限控制集的待选矢量；

所述的扇区是以磁链角度θ_s为零度基准，90度一个扇区，逆时针方向划分有4个扇区，在两电平逆变器设有6个基础矢量和6个虚拟矢量共同构成待选矢量，如说明书附图中图2所示，长箭头为磁链所在位置，逆时针方向划分四个扇区，1扇区中的待选矢量为矢量7、矢量2、矢量8，其他扇区类似。每个扇区内有3个待选矢量，其中：

第1扇区满足：T_{e_error}>0，ψ_{s_error}>0

第2扇区满足：T_{e_error}>0，ψ_{s_error}<0

第3扇区满足：T_{e_error}<0，ψ_{s_error}<0

第4扇区满足：T_{e_error}<0，ψ_{s_error}>0

当转矩误差T_{e_error}大于0，磁链误差ψ_{s_error}大于0时，此时转矩和磁链都得增加，所以选择1扇区，此时1扇区的3的矢量作为待选矢量，计为V₁,V₂,V₃，增加虚拟矢量，可以弥补传统方法中待选电压矢量过少的问题，并且加入旋转扇区的方法，得到只包含三个待选矢量的有限控制集，大大减小计算时间。

5)将三个待选矢量带入到电机模型中，分别预测三个待选矢量下一控制周期的d轴和q轴电流值i_d1(k+1)、i_d2(k+1)、i_d3(k+1)和i_q1(k+1)、i_q2(k+1)、i_q3(k+1)，根据电磁转矩和定子磁链的计算公式预测得到在三个待选矢量的作用下，下一控制周期的电磁转矩分别为T_e1(k+1)、T_e2(k+1)、T_e3(k+1)和定子磁链分别为ψ_s1(k+1)、ψ_s2(k+1)、ψ_s3(k+1)，具体计算公式如下：

从而得到三个待选矢量在一个控制周期转矩的变化量分别为ΔT_e1、ΔT_e2、ΔT_e3和磁链的变化量分别为Δψ_s1、Δψ_s2、Δψ_s3，通过下面的公式(8)用转矩误差T_{e_error}除以一个控制周期转矩的变化量，求得(k+1)时刻转矩达到无差拍时，三个待选矢量的转矩占空比分别为D_T1,D_T2,D_T3，用磁链误差ψ_{s_error}除以一个控制周期磁链的变化量，求得磁链达到无差拍时，三个待选矢量的磁链占空比分别为D_ψ1、D_ψ2、D_ψ3，对求得的所有转矩占空比和的磁链占空比进行限幅处理，限制幅值在0～1之间；

6)利用转矩占空比D_T1,D_T2,D_T3和磁链占空比D_ψ1、D_ψ2、D_ψ3，利用下面的公式(9)得到每个矢量转矩占空比与对应的磁链占空比的差值D_error1、D_error2、D_error3，选择三个待选矢量中最优的一个作为最优矢量；利用这种方法不需要评价函数，只需要电压矢量的占空比，以此消除传统方法中权重系数整定的问题。

D_error＝D_T-D_ψ (9)

最优矢量的选择是根据最优矢量的控制目标是以转矩控制为主，磁链控制为辅，给出选择最优矢量的条件如下：

1、当转矩占空比D_T1＝D_T2＝D_T3＝1时，此时三个矢量都不能使转矩达到无差拍，则最优矢量选择三个矢量中一个周期转矩变化量ΔT_e1、ΔT_e2、ΔT_e3最大的矢量；

2、当转矩占空比D_T1，D_T2，D_T3中有两个为1，一个不为1时，此时转矩占空比为1的两个不能使转矩达到无差拍，选择转矩占空比不为1所对应的矢量为最优矢量，来达到转矩无差拍控制；

3、当转矩占空比D_T1，D_T2，D_T3都不为1时，此时三个矢量都可以达到转矩无差拍，选择转矩占空比与对应的磁链占空比的差值D_error1、D_error2、D_error3最小的矢量为最优矢量，在保证转矩无差拍的同时，磁链也得到控制。

7)根据最优矢量，得到最优矢量的α轴和β轴分量V_α和V_β，本发明的主要控制目标为转矩，所以最优矢量的占空比选择转矩占空比D_T，将最优矢量的α轴和β轴分量V_α和V_β与转矩占空比D_T相乘，将得到的结果在下一控制周期输出作用于电机，并返回步骤1)～步骤7)，以此循环。

Claims (3)

1.一种基于占空比的模型预测转矩控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在k时刻，由控制***对电机转子电角速度ω_e，转子位置角θ，电机ABC三相电流i_A(k)、i_B(k)和i_C(k)，直流母线电压u_dc(k)进行采样，并求解ABC三相电流的d、q轴分量i_d(k)和i_q(k)；

2)将转速误差Δω_e通过PI调节器计算得到电磁转矩参考值T_e ^*，定子磁链参考值为恒定值ψ_s ^*；

3)根据得到的ABC三相电流的d、q轴分量i_d(k)和i_q(k)，利用转矩公式得到k时刻的电磁转矩值T_e(k)，利用定子磁链计算公式计算得到k时刻定子磁链的d轴和q轴分量分别为ψ_d(k)和ψ_q(k)，根据坐标变换将定子磁链的d轴和q轴分量变换到α轴和β轴得到定子磁链在α轴和β轴的分量ψ_α(k)和ψ_β(k)，然后根据ψ_α(k)和ψ_β(k)求出磁链幅值ψ_s(k)和磁链角度θ_s；利用电磁转矩参考值T_e ^*和定子磁链参考值ψ_s ^*，求得k时刻的转矩误差T_{e_error}和磁链误差ψ_{s_error}；

4)根据转矩误差T_{e_error}和磁链误差ψ_{s_error}选择扇区，将扇区内的3个矢量构成有限控制集的待选矢量；

5)将三个待选矢量带入到电机模型中，分别预测三个待选矢量下一控制周期的d轴和q轴电流值i_d1(k+1)、i_d2(k+1)、i_d3(k+1)和i_q1(k+1)、i_q2(k+1)、i_q3(k+1)，根据电磁转矩和定子磁链的计算公式预测得到在三个待选矢量的作用下，下一控制周期的电磁转矩分别为T_e1(k+1)、T_e2(k+1)、T_e3(k+1)和定子磁链分别为ψ_s1(k+1)、ψ_s2(k+1)、ψ_s3(k+1)，从而得到三个待选矢量在一个控制周期转矩的变化量分别为ΔT_e1、ΔT_e2、ΔT_e3和磁链的变化量分别为Δψ_s1、Δψ_s2、Δψ_s3，用转矩误差T_{e_error}除以一个控制周期转矩的变化量，求得k+1时刻转矩达到无差拍时，三个待选矢量的转矩占空比分别为D_T1、D_T2、D_T3，用磁链误差ψ_{s_error}除以一个控制周期磁链的变化量，求得磁链达到无差拍时，三个待选矢量的磁链占空比分别为D_ψ1、D_ψ2、D_ψ3，对求得的所有转矩占空比和的磁链占空比进行限幅处理，限制幅值在0～1之间；

6)利用转矩占空比D_T1、D_T2、D_T3和磁链占空比D_ψ1、D_ψ2、D_ψ3，得到每个矢量转矩占空比与对应的磁链占空比的差值D_error1、D_error2、D_error3，选择三个待选矢量中最优的一个作为最优矢量；

7)根据最优矢量，得到最优矢量的α轴和β轴分量V_α，V_β，最优矢量的占空比选择转矩占空比D_T，将最优矢量的α轴和β轴分量V_α，V_β与转矩占空比D_T相乘，将得到的结果在下一控制周期输出作用于电机，并返回步骤1)～步骤7)，以此循环。

2.根据权利要求1所述的一种基于占空比的模型预测转矩控制方法，其特征在于，步骤4)中所述的扇区是以磁链角度θ_s为零度基准，90度一个扇区，逆时针方向划分有4个扇区，在两电平逆变器设有6个基础矢量和6个虚拟矢量共同构成待选矢量，则每个扇区内有3个待选矢量，其中：

第1扇区满足：T_{e_error}>0，ψ_{s_error}>0

第2扇区满足：T_{e_error}>0，ψ_{s_error}<0

第3扇区满足：T_{e_error}<0，ψ_{s_error}<0

第4扇区满足：T_{e_error}<0，ψ_{s_error}>0

3.根据权利要求1所述的一种基于占空比的模型预测转矩控制方法，其特征在于，步骤6)中最优矢量的选择是根据最优矢量的控制目标是以转矩控制为主，磁链控制为辅，给出选择最优矢量的条件如下：

1、当转矩占空比D_T1＝D_T2＝D_T3＝1时，此时三个矢量都不能使转矩达到无差拍，则最优矢量选择三个矢量中一个周期转矩变化量ΔT_e1、ΔT_e2、ΔT_e3最大的矢量；

2、当转矩占空比D_T1，D_T2，D_T3中有两个为1，一个不为1时，此时转矩占空比为1的两个不能使转矩达到无差拍，选择转矩占空比不为1所对应的矢量为最优矢量，来达到转矩无差拍控制；

3、当转矩占空比D_T1，D_T2，D_T3都不为1时，此时三个矢量都可以达到转矩无差拍，选择转矩占空比与对应的磁链占空比的差值D_error1、D_error2、D_error3最小的矢量为最优矢量，在保证转矩无差拍的同时，磁链也得到控制。