[發明專利]基于轉矩預測控制的永磁同步電機弱磁控制系統及其方法

在審

• 申請號: 201710579830.8
• 申請日: 2017-07-17
• 公開（公告）號: CN107645256A
• 公開（公告）日: 2018-01-30
• 發明（設計）人: 譚國俊;方磊;李浩;殷實;徐海奇;曹曉冬;何鳳有;張曉
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: H02P21/00
• 分類號: H02P21/00;H02P25/022
• 代理公司: 南京縱橫知識產權代理有限公司32224
• 代理人: 姚蘭蘭,董建林

技術領域

本發明涉及一種永磁同步電機弱磁控制系統及其方法，具體涉及一種基于轉矩預測控制的永磁同步電機弱磁控制系統及其方法，屬于電力傳動及其控制技術領域。

背景技術

與傳統的內燃機牽引汽車相比，將內埋式永磁同步電機應用于電動汽車不僅拓寬了恒功率速度范圍(Constant Power Speed Range，CPSR)，還減小了整車驅動系統的大小。內埋式永磁同步電機驅動的電動汽車在基速以下恒轉矩運行時，為提高電機運行效率和降低系統損耗，通常采用最大轉矩電流比(Maximum Torque per Ampere，MTPA)控制方法，最大限度地提高單位定子電流的轉矩輸出能力，以滿足汽車對啟動、加速、負荷爬坡和頻繁啟停等復雜工況動力性的需求。同時在汽車以恒定負荷穩定運行時，所需定子電流和由此產生的電機銅耗均最小，提高了驅動系統的運行效率。當電機運行于基速以上恒功率區時，由于受到逆變器輸出最大電壓和最大電流的限制，需采用弱磁(Flux Weakening，FW)控制策略，以拓寬電機恒功率運行時的電機速度范圍，從而提高汽車最大巡航速度，滿足超車等要求。

永磁同步電機驅動電動汽車在高速運行時需采用弱磁控制，但永磁同步電機以永磁體勵磁，無法像電勵磁同步電機那樣通過控制勵磁電流大小來調節氣隙磁場，因而也就約束了永磁同步電機高速控制能力和運行性能。

文獻(Pan C T,Sue S M.“A linear maximum torque per ampere control for IPMSM drives over full-speed range”.IEEE Transactions on Energy Conversion,2005,20(2):359-366.)給出了一種適用于多IPMSM驅動系統的全速域線性轉矩控制策略，其分析認為在恒轉矩和完全恒功率區域之間，在負載較輕時MTPA控制仍然有效。由于簡化了控制器設計，線性MTPA控制可以獲得快速的動態響應，同時可實現全速度范圍內定子銅耗最小。上述方法恒轉矩區MTPA控制器和恒功率區弱磁控制器的設計均按照電機模型計算得到，控制算法結構清晰，易于規劃設計。但參數的準確程度直接決定控制性能的優劣，而多約束限制的弱磁控制對參數的擾動過于敏感，因此公式計算法弱磁控制幾乎沒有實用價值。

基于矢量的弱磁控制方法，由于其電壓外環可產生一個d軸負向電流來補償隨轉速不斷增大的反電動勢引起的定子電壓飽和，因此也稱為負i_d補償法。該方法簡單可靠，不依賴于電機參數，但穩定性隨轉速上升而逐漸下降，且控制系統的多環級聯結構限制了速度環和電流環的帶寬，調制策略的應用也約束了系統的動態性能。

為了提高IPMSM弱磁控制過程的動態響應速度和控制系統的穩定性，已有的很多成果給出基于電流和電壓限制下的直接轉矩控制弱磁運行方案，通過分析不同轉速對應的最大轉矩角約束限制并調整弱磁工作條件，確?？刂葡到y的穩定運行。這類方法充分利用了直接轉矩控制的高動態性能，但穩態精度不是很高。

發明內容

針對現有技術存在的不足，本發明目的是提供一種基于轉矩預測控制的永磁同步電機弱磁控制系統及其方法，本方法易于數字化實現，可以完全移植到傳統控制結構中，并且解決了弱磁控制中動穩態性能的平衡穩定，電機運行平滑穩定，最大轉矩輸出明顯提高。

為了實現上述目的，本發明是通過如下的技術方案來實現：

本發明的基于轉矩預測控制的永磁同步電機弱磁控制系統，控制系統在計算電機的最佳工作點時采用預測滾動優化方法；控制系統根據電機的轉速差值計算出電機實時轉矩，后通過計算此刻工況下的電流、電流角、以及轉速，預測下一拍所有開關狀態所對應的轉矩預測值，根據預測結果輸出最優開關信號；

其中，下一周期的轉矩預測值通過計算獲取，系統滾動優化中采用價值函數為g(min)＝k_T·g_T+k_c·g_c+k_L·g_L，此外，價值函數用于保證系統的收斂性和穩定性。