CN110943663B - 一种永磁同步电机动态有限状态集模型预测转矩控制方法 - Google Patents

一种永磁同步电机动态有限状态集模型预测转矩控制方法 Download PDF

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CN110943663B CN201911215132.5A CN201911215132A CN110943663B CN 110943663 B CN110943663 B CN 110943663B CN 201911215132 A CN201911215132 A CN 201911215132A CN 110943663 B CN110943663 B CN 110943663B
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Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机动态有限状态集模型预测转矩控制方法，基于表面式永磁同步电机磁链和转矩预测模型，分析了电压矢量角度和幅值对电机磁链和转矩的作用规律，使用模糊控制根据***状态在线设计备选电压矢量集合，并分析在备选电压矢量集合中增加零电压矢量对***控制效果的影响。综合考虑***转矩、磁链、开关频率以及动态性能的控制要求，以磁链误差绝对值作为***静动态判断条件，动态调整***的备选电压矢量集合，精简了备选电压矢量集合，同时提高了控制***的综合性能，减小转矩脉动。

Description

一种永磁同步电机动态有限状态集模型预测转矩控制方法
技术领域
本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种永磁同步电机动态有限状态集模型预测转矩控制方法。
背景技术
传统永磁同步电机有限状态集模型预测控制根据三相两电平逆变器可产生的7个基本电压矢量进行模型预测与成本函数计算。有限状态集模型预测控制虽然控制思想简单，但每个控制周期备选电压矢量集的7个基本电压矢量角度和幅值固定，对电机转矩与定子磁链控制效果有限，存在转矩脉动与磁链脉动较大的问题。
通过空间矢量调制可产生角度和幅值均可变的电压矢量，优化了***对转矩与磁链的控制，但也带来备选电压矢量数目增多，***开关频率和计算负担增大的问题，而且单纯增加备选电压矢量数量对性能的提升也有局限性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种永磁同步电机动态有限状态集模型预测转矩控制方法，根据***状态确定优化的备选电压矢量集合，备选电压矢量集合设计思想由越多越好转为越优越好，以提高永磁同步电机模型预测转矩控制***的性能，减小转矩脉动和***计算负担。
本发明采用以下技术方案：
一种永磁同步电机动态有限状态集模型预测转矩控制方法，包括以下步骤：
S1、建立表面式永磁同步电机传统有限状态集预测控制模型；
S2、基于表面式永磁同步电机磁链和转矩预测模型，获得在不同电压矢量的角度和幅值作用下，电机转矩和定子磁链变化量的简化计算模型，分析得到电压矢量角度和幅值对电机磁链和转矩的作用规律；
S3、结合电压矢量角度和幅值对电机磁链和转矩的作用规律，使用模糊控制确定备选电压矢量集合，设计模糊控制器的输入变量为转矩误差ET和磁链误差Eψ，输出备选电压矢量角度和备选电压矢量幅值，结合电压矢量角度和幅值对电机磁链和转矩的作用规律，设计模糊规则；
S4、分析在模糊控制确定的备选电压矢量集合中增加零电压矢量对***控制效果的影响，以磁链误差绝对值作为***静动态判断条件，在模糊控制输出备选电压矢量的基础上动态增加零电压矢量。
具体的，步骤S1中，表面式永磁同步电机传统有限状态集磁链和转矩预测模型为：
Figure BDA0002299286130000021
Figure BDA0002299286130000022
其中，
Figure BDA0002299286130000023
Figure BDA0002299286130000024
Te(k)分别为当前时刻定子磁链与转矩观测值，
Figure BDA0002299286130000025
Te(k+1)分别为下一时刻定子磁链与转矩预测值，
Figure BDA0002299286130000026
为电压矢量幅值，Δt为电压矢量的作用时间，p为电机极对数，ψf为转子永磁体磁链幅值，Ld为定子绕组直轴电感分量，α为当前时刻作用到定子绕组上的电压矢量与定子磁链夹角，δ(k)为当前时刻电机转矩角。
进一步的，模型预测控制使用的成本函数为：
Figure BDA0002299286130000027
其中，Te *、
Figure BDA0002299286130000028
分别为电机转矩与定子磁链参考值。
具体的，步骤S2中，电机转矩和定子磁链变化量计算简化为：
Figure BDA0002299286130000031
其中，
Figure BDA0002299286130000032
Figure BDA0002299286130000033
为当前时刻定子磁链，p为电机极对数，ψf为转子永磁体磁链幅值，α为当前时刻作用到定子绕组上的电压矢量与定子磁链夹角，δ(k)为当前时刻电机转矩角。
具体的，步骤S2中，电压矢量角度和幅值对电机磁链和转矩的作用规律为：电压矢量幅值与转矩变化大小呈线性关系；电压矢量和转子磁链的夹角与转矩变化大小呈正弦关系；电压矢量幅值与磁链幅值变化大小呈线性关系；电压矢量和定子磁链的夹角与磁链幅值变化呈余弦关系。
具体的，步骤S3中，模糊控制器的输入变量为转矩误差ET和磁链误差Eψ，转矩误差ET论域为[-2N.m，2N.m]，分为5个模糊子集{NB，NS，ZO，PS，PB}；磁链误差Eψ论域为[-0.002Wb，0.002Wb]，分为3个模糊子集{NB，ZO，PB}；每个控制周期模糊控制器的输出变量为3个备选电压矢量的角度和幅值；备选电压矢量在定子磁链坐标下的角度论域为[-π,π]，为13个离散的角度值
Figure BDA0002299286130000034
备选电压矢量幅值输出论域为[0，1]，分为3个模糊子集{λ1，λ2，λ3}，λ3为0。
进一步的，结合电压矢量角度和幅值对电机磁链和转矩的作用规律，设计的模糊规则为：当磁链误差Eψ为ZO时，以转矩控制优先；
当转矩误差为NB时，备选电压矢量与转子磁链夹角分别为
Figure BDA0002299286130000035
幅值为λ1；当转矩误差为NS时，备选电压矢量与转子磁链夹角分别为
Figure BDA0002299286130000036
幅值为λ2；当转矩误差为ZO时，备选电压矢量幅值为λ3，即为零电压矢量；当转矩误差为PS时，备选电压矢量与转子磁链夹角分别为
Figure BDA0002299286130000041
幅值为λ；当转矩误差为PB时，备选电压矢量与转子磁链夹角分别为
Figure BDA0002299286130000042
幅值为λ1。
进一步的，结合电压矢量角度和幅值对电机磁链和转矩的作用规律，设计的模糊规则为：当磁链误差Eψ为NB或PB时，以磁链控制优先；
当磁链误差为NB，转矩误差为NB时，备选电压矢量与定子磁链夹角分别为
Figure BDA0002299286130000043
幅值为λ1；当磁链误差为NB，转矩误差为NS时，备选电压矢量与定子磁链夹角分别为
Figure BDA0002299286130000044
幅值为λ2；当磁链误差为NB，转矩误差为ZO时，备选电压矢量与定子磁链夹角分别为
Figure BDA0002299286130000045
幅值为λ3；当磁链误差为NB，转矩误差为PS时，备选电压矢量与定子磁链夹角分别为
Figure BDA0002299286130000046
幅值为λ2；当磁链误差为NB，转矩误差为PB时，备选电压矢量与定子磁链夹角分别为
Figure BDA0002299286130000047
幅值为λ1；当磁链误差为PB，转矩误差为NB时，备选电压矢量与定子磁链夹角分别为
Figure BDA0002299286130000048
幅值为λ1；当磁链误差为PB，转矩误差为NS时，备选电压矢量与定子磁链夹角分别为
Figure BDA0002299286130000049
幅值为λ2；当磁链误差为PB，转矩误差为ZO时，备选电压矢量与定子磁链夹角分别为
Figure BDA00022992861300000410
幅值为λ3；当磁链误差为PB，转矩误差为PS时，备选电压矢量与定子磁链夹角分别为
Figure BDA00022992861300000411
幅值为λ2；当磁链误差为PB，转矩误差为PB时，备选电压矢量与定子磁链夹角分别为
Figure BDA00022992861300000412
幅值为λ1。
具体的，步骤S4中，在模糊控制确定的备选电压矢量集合中增加零电压矢量，综合考虑***转矩、磁链、开关频率以及动态性能的控制要求，在模糊控制输出备选电压矢量的基础上动态增加零电压矢量，其方法为：
当磁链误差绝对值大于0.001Wb时，***为动态，备选电压矢量集由模糊控制器输出的3个备选电压矢量组成；否则，***为静态，备选电压矢量集由模糊控制器输出的3个备选电压矢量以及零电压矢量组成。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种永磁同步电机动态有限状态集模型预测转矩控制方法，基于表面式永磁同步电机磁链和转矩预测模型，分析了电压矢量角度和幅值对电机磁链和转矩的作用规律，提供一种永磁同步电机动态有限状态集模型预测转矩控制方法，实现了根据***状态在线设计备选电压矢量集合，将备选电压矢量的个数由传统的7个精简为不超过4个，从而减少了后续预测模型及成本函数计算工作量，同时提高了永磁同步电机模型预测转矩控制***的性能，减小转矩脉动。
进一步的，对电机转矩和定子磁链变化量简化计算式分析可得，电压矢量幅值与转矩变化大小呈线性关系；电压矢量和转子磁链的夹角与转矩变化大小呈正弦关系；电压矢量幅值与磁链幅值变化大小呈线性关系；电压矢量和定子磁链的夹角与磁链幅值变化呈余弦关系。
综上所述，本发明基于模糊控制的永磁同步电机动态有限状态集模型预测转矩控制方法，根据***状态确定优化的备选电压矢量集合，备选电压矢量集合设计思想由传统的越多越好转为越优越好。提高了永磁同步电机模型预测转矩控制***的性能，减小转矩脉动和***计算负担。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为传统有限状态集模型预测控制***框图；
图2为传统MPC仿真结果图；
图3为转矩误差隶属度函数图；
图4为磁链误差隶属度函数图；
图5为备选电压矢量角度隶属度函数图；
图6为备选电压矢量幅值隶属度函数图；
图7为电压矢量角度对转矩作用规律图；
图8为电压矢量角度对磁链幅值作用规律图；
图9为基于模糊控制的动态有限状态集模型预测控制***框图；
图10为模糊MPC仿真结果图；
图11为增加零电压矢量的基于模糊控制动态有限状态集模型预测控制***框图；
图12为增加零电压矢量的模糊MPC仿真结果图；
图13为动态增加零电压矢量的基于模糊控制动态有限状态集模型预测控制***框图；
图14为动态增加零电压矢量的模糊MPC仿真结果图。
具体实施方式
本发明提供了一种永磁同步电机动态有限状态集模型预测转矩控制方法，基于表面式永磁同步电机磁链和转矩预测模型，分析了电压矢量角度和幅值对电机磁链和转矩的作用规律，使用模糊控制根据***状态在线设计备选电压矢量集合，并分析在备选电压矢量集合中增加零电压矢量对***控制效果的影响。综合考虑***转矩、磁链、开关频率以及动态性能的控制要求，以磁链误差绝对值作为***静动态判断条件，动态调整***的备选电压矢量集合，精简了备选电压矢量集合，同时提高了控制***的综合性能，减小转矩脉动。
本发明一种永磁同步电机动态有限状态集模型预测转矩控制方法的具体步骤如下：
S1、建立表面式永磁同步电机传统有限状态集预测控制模型；
请参阅图1，在每个控制周期中备选电压矢量集合
Figure BDA0002299286130000071
由于零电压矢量可由两个开关状态(111或000)生成，具体选择以开关次数最小为原则；
电压矢量集合
Figure BDA0002299286130000072
为：
Figure BDA0002299286130000073
表面式永磁同步电机传统有限状态集磁链和转矩预测模型为：
Figure BDA0002299286130000074
Figure BDA0002299286130000075
Figure BDA0002299286130000076
其中，
Figure BDA0002299286130000077
Te(k)分别为当前时刻定子磁链与转矩观测值，
Figure BDA0002299286130000078
Te(k+1)分别为下一时刻定子磁链与转矩预测值，
Figure BDA0002299286130000079
为电压矢量幅值，Δt为电压矢量的作用时间，p为电机极对数，ψf为转子永磁体磁链幅值，Ld定子绕组直轴电感分量，α为当前时刻作用到定子绕组上的电压矢量与定子磁链夹角，δ(k)当前时刻电机转矩角。
模型预测控制使用的成本函数为
Figure BDA00022992861300000710
其中，Te *、
Figure BDA00022992861300000711
分别为电机转矩与定子磁链参考值。
S2、基于表面式永磁同步电机磁链和转矩预测模型，获得在不同电压矢量的角度和幅值作用下，电机转矩和定子磁链变化量的简化计算模型；
基于MATLAB/Simulink建立表面式永磁同步电机模型预测转矩控制仿真模型。
仿真模型为离散模型，采样周期为5×10-5s。
直流母线电压为312V。
转速PI调节器参数为：KP＝5，KI＝100，PI调节器输出上下限为[-35，35]。
参考转速初始为60rpm，1s时阶跃至30rpm，负载转矩初始为10N·m，0.5s时阶跃至30N·m。参考定子磁链幅值为0.3Wb。
仿真总时长为1.5s。
仿真用表面式永磁同步电机参数如表1所示。
表1仿真用表面式永磁同步电机参数
Figure BDA0002299286130000081
定义***平均开关频率、转矩脉动均方根误差(Root Mean Squared Error,RMSE)和磁链脉动均方根误差表达式如式(5)～(7)所示，其中，Nswitching为逆变器开关总次数，t为仿真时长，n为采样个数。对***稳态(0.1～1s)控制效果进行评价。
Figure BDA0002299286130000082
Figure BDA0002299286130000091
Figure BDA0002299286130000092
永磁同步电机转速、电机转矩、定子磁链幅值和a相定子电流参见图2。仿真评价结果如表2所示。
表2传统MPC仿真评价结果
Figure BDA0002299286130000093
由于传统有限状态集模型预测控制仅根据三相两电平逆变器可产生的7个基本电压矢量进行模型预测与成本函数计算。有限状态集模型预测控制虽然控制思想简单，但每个控制周期备选电压矢量集的7个基本电压矢量角度和幅值固定，对电机转矩与定子磁链控制效果有限，存在转矩脉动与磁链脉动较大的问题。而通过空间矢量调制可产生角度和幅值均可变的电压矢量，优化了***对转矩与磁链的控制，但也带来备选电压矢量数目增多，***开关频率和计算负担增大的问题，而且单纯增加备选电压矢量数量对性能的提升也有局限性。
基于表面式永磁同步电机磁链和转矩预测模型，在不同电压矢量的角度和幅值作用下，电机转矩和定子磁链变化量计算简化为
Figure BDA0002299286130000094
由式(8)可知，电压矢量幅值与转矩变化大小近似呈线性关系；电压矢量和转子磁链的夹角与转矩变化大小近似呈正弦关系；电压矢量幅值与磁链幅值变化大小近似呈线性关系；电压矢量和定子磁链的夹角与磁链幅值变化近似呈余弦关系。
S3、结合电压矢量角度和幅值对电机磁链和转矩的作用规律，使用模糊控制确定备选电压矢量集合，模糊控制器的输入变量为转矩误差ET和磁链误差Eψ，输出备选电压矢量角度和备选电压矢量幅值；
转矩误差ET论域为[-2N.m，2N.m]，分为5个模糊子集{NB，NS，ZO，PS，PB}，隶属度函数参见图3；磁链误差Eψ论域为[-0.002Wb,0.002Wb]，分为3个模糊子集{NB，ZO，PB}，隶属度函数参见图4。每个控制周期模糊控制器的输出变量为3个备选电压矢量的角度和幅值。备选电压矢量在定子磁链坐标下的角度论域为[-π,π]，为13个离散的角度值
Figure BDA0002299286130000101
隶属度函数参见图5；备选电压矢量幅值输出论域为[0，1]，分为3个模糊子集{λ1，λ2，λ3}，隶属度函数参见图6，λ3为0。
S4、分析在备选电压矢量集合中增加零电压矢量对***控制效果的影响，综合考虑***转矩、磁链、开关频率以及动态性能的控制要求，以磁链误差绝对值作为***静动态判断条件，动态调整***的备选电压矢量集合。
为优化控制性能，在备选电压矢量集合中增加零电压矢量，***平均开关频率有一定的降低，但动态下转矩响应变慢，***动态性能变差。综合考虑***转矩、磁链、开关频率以及动态性能的控制要求，以磁链误差绝对值作为***静动态判断条件，磁链误差绝对值超出限制时，***为动态，备选电压矢量集由模糊控制器输出的3个备选电压矢量组成；否则，***为静态，在模糊控制输出备选电压矢量的基础上增加零电压矢量。
当磁链误差Eψ较小时，即为ZO，表明磁链控制较为理想，以转矩控制优先。由式(8)可知，电压矢量幅值与转矩变化大小近似呈线性关系，电压矢量角度与转矩变化大小近似呈正弦关系，参见图7。
根据电压矢量角度和幅值对表面式永磁同步电机转矩变化的作用规律，可定义模糊控制规则如下：
当转矩误差为NB时，备选电压矢量与转子磁链夹角分别为
Figure BDA0002299286130000111
幅值为λ1。
当转矩误差为NS时，备选电压矢量与转子磁链夹角分别为
Figure BDA0002299286130000112
幅值为λ2。
当转矩误差为ZO时，备选电压矢量幅值为λ3，即为零电压矢量。为便于模糊控制器输出，将备选电压矢量与转子磁链角度均设为0度。
当转矩误差为PS时，备选电压矢量与转子磁链夹角分别为
Figure BDA0002299286130000113
幅值为λ2。
当转矩误差为PB时，备选电压矢量与转子磁链夹角分别为
Figure BDA0002299286130000114
幅值为λ1。
当磁链误差Eψ较大时，即为NB或PB时，以磁链控制优先；由式(8)可知，电压矢量幅值与磁链幅值变化大小近似呈线性关系，电压矢量角度与磁链幅值变化近似呈余弦关系，参见图8。根据电压矢量角度和幅值对表面式永磁同步电机磁链幅值变化的作用规律，可定义模糊控制规则如下：
当磁链误差为NB，转矩误差为NB时，备选电压矢量与定子磁链夹角分别为
Figure BDA0002299286130000115
幅值为λ1；此时，备选电压矢量与转子磁链夹角范围为
Figure BDA0002299286130000116
可兼顾减小转矩的控制要求。
当磁链误差为NB，转矩误差为NS时，备选电压矢量与定子磁链夹角分别为
Figure BDA0002299286130000121
幅值为λ2；此时，备选电压矢量与转子磁链夹角范围为
Figure BDA0002299286130000122
可兼顾减小转矩的控制要求。
当磁链误差为NB，转矩误差为ZO时，备选电压矢量与定子磁链夹角分别为
Figure BDA0002299286130000123
幅值为λ3。
当磁链误差为NB，转矩误差为PS时，备选电压矢量与定子磁链夹角分别为
Figure BDA0002299286130000124
幅值为λ2；此时，备选电压矢量与转子磁链夹角范围为
Figure BDA0002299286130000125
可在一定程度上兼顾增大转矩的控制要求。
当磁链误差为NB，转矩误差为PB时，备选电压矢量与定子磁链夹角分别为
Figure BDA0002299286130000126
幅值为λ1；此时，备选电压矢量与转子磁链夹角范围为
Figure BDA0002299286130000127
可在一定程度上兼顾增大转矩的控制要求。
当磁链误差为PB，转矩误差为NB时，备选电压矢量与定子磁链夹角分别为
Figure BDA0002299286130000128
幅值为λ1；此时，备选电压矢量与转子磁链夹角范围为
Figure BDA0002299286130000129
可在一定程度上兼顾减小转矩的控制要求。
当磁链误差为PB，转矩误差为NS时，备选电压矢量与定子磁链夹角分别为
Figure BDA00022992861300001210
幅值为λ2；此时，备选电压矢量与转子磁链夹角范围为
Figure BDA00022992861300001211
可在一定程度上兼顾减小转矩的控制要求。
当磁链误差为PB，转矩误差为ZO时，备选电压矢量与定子磁链夹角分别为
Figure BDA00022992861300001212
幅值为λ3。
当磁链误差为PB，转矩误差为PS时，备选电压矢量与定子磁链夹角分别为
Figure BDA0002299286130000131
幅值为λ2；此时，备选电压矢量与转子磁链夹角范围为
Figure BDA0002299286130000132
可兼顾增大转矩的控制要求。
当磁链误差为PB，转矩误差为PB时，备选电压矢量与定子磁链夹角分别为
Figure BDA0002299286130000133
幅值为λ1；此时，备选电压矢量与转子磁链夹角范围为
Figure BDA0002299286130000134
可兼顾增大转矩的控制要求。
综合以上模糊控制规则，可建立模糊控制规则表，如表3所示，其中角度为备选电压矢量与定子磁链夹角。
表3模糊控制规则表
Figure BDA0002299286130000135
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
基于模糊控制的永磁同步电机动态有限状态集模型预测转矩控制***框图参见图9。在相同仿真条件下，永磁同步电机转速、电机转矩、定子磁链幅值和a相定子电流参见图10。仿真评价结果如表4所示。
表4模糊MPC仿真评价结果
Figure BDA0002299286130000141
考虑到零电压矢量在永磁同步电机***中具有减小稳态运行时的转矩脉动与磁链脉动，降低逆变器开关频率的作用，有利于***综合控制效果的优化。所以在模糊控制输出3个电压矢量的基础上增加1个零电压矢量。此时在每个控制周期，备选电压矢量集中的电压矢量数目仍不超过4个。增加零电压矢量的基于模糊控制的永磁同步电机动态有限状态集模型预测转矩控制***框图参见图11。在相同仿真条件下，永磁同步电机转速、电机转矩、定子磁链幅值和a相定子电流参见图12。仿真评价结果如表5所示。
表5增加零电压矢量的模糊MPC仿真评价结果
Figure BDA0002299286130000142
Figure BDA0002299286130000151
仿真结果表明：在备选电压矢量集中增加零电压矢量后，***平均开关频率有一定的降低，但动态下转矩响应变慢，***动态性能变差。这是由于在动态响应过程中，***过多地使用零电压矢量，弱化了转矩跟踪效果。
为了兼顾***稳态控制效果和动态响应，应根据***状态，动态确定是否在备选电压矢量集中增加零电压矢量。本发明提出通过***磁链误差来判断当前状态，当磁链误差绝对值大于0.001Wb，***为动态，否则，***为静态。动态下，备选电压矢量集由模糊控制器输出的3个备选电压矢量组成，静态下，在模糊控制输出备选电压矢量的基础上增加零电压矢量。动态增加零电压矢量的基于模糊控制的永磁同步电机动态有限状态集模型预测转矩控制***框图参见图13。在相同仿真条件下，永磁同步电机转速、电机转矩、定子磁链幅值和a相定子电流参见图14。仿真评价结果如表6所示。
表6传统MPC仿真结果
Figure BDA0002299286130000152
综上，在不同控制策略下，永磁同步电机***控制性能如表7所示。
表7不同控制策略仿真结果
Figure BDA0002299286130000153
Figure BDA0002299286130000161
由表7可知：
1、采用模糊MPC由模糊控制实时输出3个备选电压矢量，再由模型预测控制确定最优电压矢量，精简了备选电压矢量集合，每个控制周期***模型预测控制的计算循环次数由传统MPC的7次减少为3次，***的转矩与磁链脉动也明显降低，但平均开关频率增加。
2、增加零电压矢量的模糊MPC，每个控制周期的备选电压矢量数目不超过4个，也降低了模型预测控制的计算负担，相比于模糊MPC，***的平均开关频率得到降低，但***的动态响应速度变慢。
3、动态增加零电压矢量的模糊MPC，通过磁链误差来判断***状态，在模糊MPC 3个电压矢量的基础上动态增加零电压矢量，兼顾***的稳态控制效果和动态响应的控制要求，提高了***综合控制性能。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种永磁同步电机动态有限状态集模型预测转矩控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、建立表面式永磁同步电机传统有限状态集磁链和转矩预测模型；
S2、基于表面式永磁同步电机传统有限状态集磁链和转矩预测模型，获得在不同电压矢量的角度和幅值作用下，电机转矩和定子磁链变化量的简化计算模型，分析得到电压矢量角度和幅值对电机磁链和转矩的作用规律，电压矢量角度和幅值对电机磁链和转矩的作用规律为：电压矢量幅值与转矩变化大小呈线性关系；电压矢量和转子磁链的夹角与转矩变化大小呈正弦关系；电压矢量幅值与磁链幅值变化大小呈线性关系；电压矢量和定子磁链的夹角与磁链幅值变化呈余弦关系，电机转矩和定子磁链变化量计算简化为：
Figure FDA0003079717910000011
其中，
Figure FDA0003079717910000012
Figure FDA0003079717910000013
为电压矢量幅值，Δt为电压矢量的作用时间，
Figure FDA0003079717910000014
为当前时刻定子磁链观测值，p为电机极对数，ψf为转子永磁体磁链幅值，α为当前时刻作用到定子绕组上的电压矢量与定子磁链夹角，δ(k)为当前时刻电机转矩角，Ld为定子绕组直轴电感分量；
S3、结合电压矢量角度和幅值对电机磁链和转矩的作用规律，设计模糊控制器，使用模糊控制确定备选电压矢量集，设计模糊规则，模糊控制器的输入变量为转矩误差ET和磁链误差Eψ，转矩误差ET论域为[-2N.m，2N.m]，分为5个模糊子集{NB，NS，ZO，PS，PB}；磁链误差Eψ论域为[-0.002Wb，0.002Wb]，分为3个模糊子集{NB，ZO，PB}；每个控制周期模糊控制器的输出变量为3个备选电压矢量的角度和幅值；备选电压矢量在定子磁链坐标下的角度论域为[-π,π]，为13个离散的角度值
Figure FDA0003079717910000015
备选电压矢量幅值输出论域为[0，1]，分为3个模糊子集{λ1，λ2，λ3}，λ3为0；
结合电压矢量角度和幅值对电机磁链和转矩的作用规律，设计的模糊规则为：当磁链误差Eψ为ZO时，以转矩控制优先：
当转矩误差为NB时，备选电压矢量与转子磁链夹角分别为
Figure FDA0003079717910000021
幅值为λ1；
当转矩误差为NS时，备选电压矢量与转子磁链夹角分别为
Figure FDA0003079717910000022
0，幅值为λ2；
当转矩误差为ZO时，备选电压矢量与定子磁链夹角分别为0，0，0，幅值为λ3，即为零电压矢量；
当转矩误差为PS时，备选电压矢量与转子磁链夹角分别为0、
Figure FDA0003079717910000023
幅值为λ2；
当转矩误差为PB时，备选电压矢量与转子磁链夹角分别为
Figure FDA0003079717910000024
幅值为λ1；
当磁链误差Eψ为NB或PB时，以磁链控制优先：
当磁链误差为NB，转矩误差为NB时，备选电压矢量与定子磁链夹角分别为-π、
Figure FDA0003079717910000025
幅值为λ1；
当磁链误差为NB，转矩误差为NS时，备选电压矢量与定子磁链夹角分别为-π、
Figure FDA0003079717910000026
幅值为λ2；
当磁链误差为NB，转矩误差为ZO时，备选电压矢量与定子磁链夹角分别为-π、
Figure FDA0003079717910000027
π，幅值为λ3；
当磁链误差为NB，转矩误差为PS时，备选电压矢量与定子磁链夹角分别为
Figure FDA0003079717910000028
幅值为λ2；
当磁链误差为NB，转矩误差为PB时，备选电压矢量与定子磁链夹角分别为
Figure FDA0003079717910000029
幅值为λ1；
当磁链误差为PB，转矩误差为NB时，备选电压矢量与定子磁链夹角分别为
Figure FDA00030797179100000210
幅值为λ1；
当磁链误差为PB，转矩误差为NS时，备选电压矢量与定子磁链夹角分别为
Figure FDA00030797179100000211
幅值为λ2；
当磁链误差为PB，转矩误差为ZO时，备选电压矢量与定子磁链夹角分别为
Figure FDA00030797179100000212
0、
Figure FDA00030797179100000213
幅值为λ3；
当磁链误差为PB，转矩误差为PS时，备选电压矢量与定子磁链夹角分别为0、
Figure FDA0003079717910000031
幅值为λ2；
当磁链误差为PB，转矩误差为PB时，备选电压矢量与定子磁链夹角分别为0、
Figure FDA0003079717910000032
幅值为λ1；
S4、分析在模糊控制确定的备选电压矢量集中增加零电压矢量对***控制效果的影响，以磁链误差绝对值作为***静动态判断条件，在模糊控制输出备选电压矢量的基础上动态增加零电压矢量，具体为：
当磁链误差绝对值大于0.001Wb时，***为动态，备选电压矢量集由模糊控制器输出的3个备选电压矢量组成；否则，***为静态，备选电压矢量集由模糊控制器输出的3个备选电压矢量以及零电压矢量组成。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，表面式永磁同步电机磁链和转矩预测模型为：
Figure FDA0003079717910000033
Figure FDA0003079717910000034
其中，
Figure FDA0003079717910000035
Te(k+1)分别为下一时刻定子磁链与转矩预测值。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，模型预测控制使用的成本函数为：
Figure FDA0003079717910000036
其中，
Figure FDA0003079717910000037
分别为电机转矩与定子磁链参考值。
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