[發(fā)明專利]基于擴(kuò)展步長(zhǎng)和變作用時(shí)間的永磁電機(jī)預(yù)測(cè)磁鏈控制方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010004277.7
• 申請(qǐng)日: 2020-01-03
• 公開（公告）號(hào): CN111130419A
• 公開（公告）日: 2020-05-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 宋戰(zhàn)鋒;張然
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號(hào): H02P23/00
• 分類號(hào): H02P23/00;H02P25/022;H02P6/34;H02P29/50;H02P6/10
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所 12201
• 代理人: 李林娟

本發(fā)明公開了一種基于擴(kuò)展步長(zhǎng)和變作用時(shí)間的永磁電機(jī)預(yù)測(cè)磁鏈控制方法，包括：將定子磁鏈?zhǔn)噶繀⒖贾蹬c預(yù)測(cè)值分別表示為電壓矢量作用時(shí)間的函數(shù)；基于擴(kuò)展預(yù)測(cè)步長(zhǎng)策略，獲得每一步預(yù)測(cè)步長(zhǎng)中的定子磁鏈?zhǔn)噶空`差，基于每一步定子磁鏈?zhǔn)噶空`差之和構(gòu)建代價(jià)函數(shù)；通過求導(dǎo)獲得使代價(jià)函數(shù)取得最小值時(shí)所有候選電壓矢量的最優(yōu)作用時(shí)間，將每一步預(yù)測(cè)步長(zhǎng)中所有候選電壓矢量及其對(duì)應(yīng)最優(yōu)作用時(shí)間帶入代價(jià)函數(shù)中，遍歷求取使代價(jià)函數(shù)取得最小值的最優(yōu)電壓矢量，取第一步預(yù)測(cè)步長(zhǎng)中的電壓矢量及其作用時(shí)間作為最優(yōu)解；根據(jù)當(dāng)前采樣時(shí)間間隔內(nèi)最優(yōu)電壓矢量切換與否，進(jìn)行不同的占空比更新，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)解的數(shù)字化應(yīng)用，最終達(dá)到最優(yōu)控制永磁同步電機(jī)的目的。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電機(jī)系統(tǒng)及控制領(lǐng)域，尤其涉及一種基于擴(kuò)展步長(zhǎng)和變作用時(shí)間的永磁電機(jī)預(yù)測(cè)磁鏈控制方法。

背景技術(shù)

永磁同步電機(jī)因其具有寬調(diào)速范圍、高氣隙磁通密度、高效率等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于高性能需求領(lǐng)域^[1-3]。在實(shí)際應(yīng)用中，為了獲得期望的控制效果，大量的控制策略已經(jīng)被提出并且深入研究。

傳統(tǒng)的控制策略主要包括：磁場(chǎng)定向控制(Field-Oriented Control,FOC)策略和直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct Torque Control,DTC)策略。應(yīng)用磁場(chǎng)定向控制策略時(shí)，通過坐標(biāo)變化和脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation,PWM)模塊調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩性能，可以獲得極好的穩(wěn)態(tài)控制效果，但是瞬態(tài)響應(yīng)仍需進(jìn)一步改善^[4]；應(yīng)用直接轉(zhuǎn)矩控制策略時(shí)，通過滯環(huán)控制器選擇最優(yōu)的開關(guān)狀態(tài)可以直接且獨(dú)立地分別控制轉(zhuǎn)矩和磁鏈性能。并且，由于采用六個(gè)固定的有效電壓矢量輸出，通過選取最優(yōu)的電壓矢量可以獲得快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。但是，直接轉(zhuǎn)矩控制也存在一些缺點(diǎn)，比如低速高噪聲、高轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和不固定開關(guān)頻率等^[5,6]。

模型預(yù)測(cè)控制(Model Predictive Control,MPC)是一種新興的永磁同步電機(jī)控制策略，該方法是一種基于最優(yōu)化控制的方案^[7]。模型預(yù)測(cè)控制可以分為連續(xù)控制集和有限控制集，其中有限集模型預(yù)測(cè)控制(Finite Control Set Model Predictive Control,FCS-MPC)考慮了電力電子器件的離散特性。由于具有行為預(yù)測(cè)和直接操控變化器開關(guān)狀態(tài)的固有特性，采用 FCS-MPC可以獲得快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)^[8]。但是，傳統(tǒng)FCS-MPC因其只有八個(gè)基本電壓矢量，僅僅采用單步預(yù)測(cè)步長(zhǎng)，并且電壓矢量作用時(shí)間固定為采樣周期，所以具有高轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、高電流諧波含量等不足。

為了解決以上問題，多種文獻(xiàn)已經(jīng)提出并研究了許多技術(shù)。一種最直接的方式是通過減少電壓矢量作用時(shí)間來獲得改善的穩(wěn)態(tài)性能，但是該方法會(huì)相應(yīng)的提高開關(guān)頻率和增加開關(guān)損耗；另一種典型的技術(shù)是擴(kuò)展開關(guān)狀態(tài)的個(gè)數(shù)，該技術(shù)只能通過多電平實(shí)現(xiàn)，受限于硬件設(shè)備^[9,10]。并且，在該技術(shù)中，代價(jià)函數(shù)最小化時(shí)的檢索空間將會(huì)隨著開關(guān)狀態(tài)的擴(kuò)展而提高，增加了計(jì)算負(fù)擔(dān)；還有學(xué)者提出通過在采樣周期內(nèi)插入零矢量來調(diào)節(jié)有效矢量的作用時(shí)間，即占空比調(diào)制方法^[11,12]。在該方法中，兩個(gè)電壓矢量作用于一個(gè)采樣周期內(nèi)，包括一個(gè)零矢量和一個(gè)通過代價(jià)函數(shù)最小化選取的有效矢量。因?yàn)樵谝粋€(gè)采樣周期內(nèi)，每一個(gè)有效矢量作用完相應(yīng)時(shí)間后必須切換到零矢量，所以該技術(shù)也是通過增加開關(guān)損耗為代價(jià)來提高控制效果。

無(wú)論采取哪種控制策略，都不能夠在同一開關(guān)頻率下提高系統(tǒng)的控制效果。因此，一種在相同開關(guān)頻率下改善FCS-MPC的穩(wěn)態(tài)控制效果，抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和降低電流諧波含量，并且能夠維持原有快速暫態(tài)響應(yīng)的技術(shù)亟需提出。

參考文獻(xiàn)