永磁同步电机低逆变器功耗直接转矩控制方法及装置

摘要

本发明涉及一种永磁同步电机低逆变器功耗直接转矩控制方法及装置，采用预测控制策略，1)与基于空间矢量调制的直接转矩控制和普通直接转矩控制不同，该方法在给定的转矩和定子磁链的参考值的基础上，根据控制器内部模型预测出它们的预测值，采用最小化包括磁链、转矩和预测时域内平均开关频率的目标函数获得最合适的逆变器的开关位置，使整体逆变器开关频率最低，功率器件得到了最优化使用，降低了逆变器的开关损耗。2)通过离线计算状态反馈控制律，使在线计算时间大大减少，保持了普通直接转矩控制的良好的动态性能和鲁棒性，保持磁链和转矩在相应的滞环范围内。

主权项

一种永磁同步电机低逆变器功耗直接转矩控制方法，其特征在于步骤如下：步骤1：根据设定的速度参考值ω^*和电机光电编码器输出的速度反馈值ω进行PI调节，得到参考转矩T_e,refT_e,ref＝K_p·e_ω+K_i∫e_ωdt,(K_p＞0,K_i＞0),e_ω＝ω^*‑ω；步骤2：通过电流传感器测量得到当前k时刻电机的电流值i_s＝[i_a i_b i_c]^T和位置传感器得到的转子位置角θ_r，经过坐标变换得到电流is在旋转坐标系d、q轴下的电流值i_d、i_q$\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}cos\left({\theta }_r\right)& cos({\theta }_r-\frac{2\pi }{3})& cos({\theta }_r+\frac{2\pi }{3})\\ -sin\left({\theta }_r\right)& -sin({\theta }_r-\frac{2\pi }{3})& -sin({\theta }_r+\frac{2\pi }{3})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]$采样k‑1时刻的逆变器的开关状态(S_a,S_b,S_c)和直流电压U_dc，通过下面计算得到当k‑1时刻的空间电压矢量V(S_a,S_b,S_c，k‑1)为8个电压空间矢量中的一个，经过坐标变换分解到d、q轴求得d、q轴上的电压分量u_d，u_q$\left[\begin{array}{c}{u}_d\\ u_q\end{array}\right]=\frac{2}{3}{U}_{dc}\left[\begin{array}{ccc}cos\left({\theta }_r\right)& cos({\theta }_r-\frac{2\pi }{3})& cos({\theta }_r+\frac{2\pi }{3})\\ -sin\left({\theta }_r\right)& -sin({\theta }_r-\frac{2\pi }{3})& -sin({\theta }_r+\frac{2\pi }{3})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{S}_a\\ S_b\\ S_c\end{array}\right]$步骤3：根据电流i_s在旋转坐标系d、q轴下的电流值i_d、i_q，通过在d、q坐标系下的永磁同步电机的磁链方程，得到当前k时刻的定子磁链在d、q轴的分量ψ_d、ψ_q和定转子磁链之间夹角δψ_d＝L_di_d+ψ_fψ_q＝L_qi_q${\psi }_s=\sqrt{{\psi }_d^2+{\psi }_q^2}$$\delta =arctan\frac{{\psi }_q}{{\psi }_d}$其中ψ_f为电机转子永磁体磁链；同时用d、q坐标系下永磁同步电机的电磁转矩方程得到当前k时刻的转矩T_e＝n_p(ψ_di_q‑ψ_qi_d)；步骤4：将上述通过传感器检测值计算得到的d、q轴定子磁链ψ_d、ψ_q和位置传感器检测到的转子位置角θ_r作为当前k时刻的状态值，通过计算得到的电磁转矩T_e和磁链幅值ψ_s作为当前k时刻的系统的输出值$\left\{\begin{array}{c}x\left(k\right)={[{\psi }_d\left(k\right),{\psi }_q\left(k\right),{\theta }_r]}^T\\ y\left(k\right)={[T_e\left(k\right),{\psi }_s\left(k\right)]}^T\end{array}\right.$依据当前k时刻的状态值，同时依次给定8个不同的逆变器开关状态一个u(k)＝[S_a,S_b,S_c]^T，通过离散化的永磁同步电机直接转矩系统数学模型迭代，求得在该开关状态下k+1时刻直接转矩系统输出y(k+1)＝[T_e(k+1),ψ_s(k+1)]^T，依次进行迭代最后得到在该开关状态下第k+N_s时刻的系统输出y(k+N_s)＝[T_e(k+N_s),ψ_s(k+N_s)]^T；迭代过程如下：$\left\{\begin{array}{c}{\psi }_{dq}(k+1)=A{\psi }_{dq}\left(k\right)+B_1{\psi }_f+B_{2}P\left({\theta }_r\right(k)+\omega T_s)u_{abc}\left(k\right)\\ {\theta }_r(k+1)={\theta }_r\left(k\right)+\omega T_s\\ A=e^{(Y-X)T_s},B_1=-X{(Y-X)}^{-1}·(I-A),B_2=X^{-1}(I-e^{-{\mathrm{XT}}_s})\end{array}\right.$${\psi }_s(k+1)=\sqrt{{\psi }_d^2(k+1)+{\psi }_q^2(k+1)},T_e(k+1)=\frac{1}{L_d}{\psi }_f·{\psi }_q(k+1)$迭代过程结束后，将结果中符合k+N_s时刻的输出的定子磁链值ψ_s(k+N_s)∈[ψ_s,min,ψ_s,max]和转矩值T_e(k+N_s)∈[T_e,min,T_e,max]的开关状态作为磁链和转矩滞环范围内的开关状态u(k)＝[S_a,S_b,S_c]^T，将些开关状态称为容许开关状态；步骤5:计算每个容许开关状态在k+1到k+N_s时刻的输出磁链和转矩的误差值，转矩误差${ϵ}_T\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}{q}_T\left(T_e\right(k)-T_{e,\max })& if{T}_e\left(k\right)\ge T_{e,\max }\\ q_T(T_{e,\min }-T_e(k))& if{T}_e\left(k\right)\le T_{e,min}\\ q_t|T_e\left(k\right)-T_{e,ref}|& else\end{array}\right.$其中T_e,max,T_e,min分别为预先定义的转矩滞环的上限和下限，q_T＝10、q_t＝0.1为约束的权重；定子磁链误差${ϵ}_{\psi }\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}{q}_F\left({\psi }_s\right(k)-{\psi }_{s,max})& if{\psi }_s\left(k\right)\ge {\psi }_{s,mx}\\ q_F({\psi }_{s,\min }-{\psi }_s(k))& if{\psi }_s\left(k\right)\le {\psi }_{s,\min }\\ q_f|{\psi }_s\left(k\right)-{\psi }_{s,ref}|& else\end{array}\right.$Ψ_s,max,Ψ_s,min分别为定子磁链滞环的上下限，其中q_F＝10>>q_f＝0.2>0,分别为约束权重和偏离参考值的约束权重；求得的转矩和磁链误差值加上开关次数约束，在Ns时长内叠加后得到每个容许开关状态对应的目标函数$J\left(x\right(k),u(k-1),u(k\left)\right)=\underset{n=0}{\overset{N_s-1}{\Sigma }}\left|\right|{ϵ}_1(k+n|k)|{|}_1+\underset{n=1}{\overset{N_s-1}{\Sigma }}|\left|{ϵ}_2(k+n|k)\right|{|}_1$其中ε₁＝ε_u，ε₂＝[ε_T ε_ψ]^T，ε_u(k)＝q_u(k)||u(k)‑u(k‑1)||₁为开关切换次数约束，q_u＝5是逆变器开关需要切换次数的权重；步骤6：选择使目标函数J最小的逆变器开关状态的序列U^*＝[(u(k),…,u(k+N_s‑1)]^T，直接用开关序列U^*中第一个开关位置u(k)控制逆变器上半导体开关管的开关位置，使得逆变器输出三相电压控制永磁同步电机转动；然后重复步骤1～6求取下一个采样时刻k+1需要的开关状态；所述步骤4中的$\begin{array}{c}P\left({\theta }_r\right(k)+{\mathrm{\omega T}}_s)u_{abc}\left(k\right)=\left[\begin{array}{c}{u}_d\left(k\right)\\ u_q\left(k\right)\end{array}\right]\\ =\frac{2}{3}{U}_{dc}\left[\begin{array}{ccc}cos\left({\theta }_r\right(k)+{\mathrm{\omega T}}_s)& cos\left({\theta }_r\right(k)+{\mathrm{\omega T}}_s-\frac{2\pi }{3})& cos\left({\theta }_r\right(k)+{\mathrm{\omega T}}_s+\frac{2\pi }{3})\\ -sin\left({\theta }_r\right(k)+{\mathrm{\omega T}}_s)& -sin\left({\theta }_r\right(k)+{\mathrm{\omega T}}_s-\frac{2\pi }{3})& -sin\left({\theta }_r\right(k)+{\mathrm{\omega T}}_s+\frac{2\pi }{3})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{S}_a\\ S_b\\ S_c\end{array}\right]\end{array}$$\begin{array}{cc}X=\left[\begin{array}{cc}{R}_s/L_d& 0\\ 0& R_s/L_q\end{array}\right]& Y=\left[\begin{array}{cc}0& \omega \\ -\omega & 0\end{array}\right]\end{array},$其中L_d，L_q为电机电感在d、q轴分量，R_s为定子绕组电阻。