[發明專利]基于擴展步長和變作用時間的永磁電機預測磁鏈控制方法

在審

• 申請號: 202010004277.7
• 申請日: 2020-01-03
• 公開（公告）號: CN111130419A
• 公開（公告）日: 2020-05-08
• 發明（設計）人: 宋戰鋒;張然
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H02P23/00
• 分類號: H02P23/00;H02P25/022;H02P6/34;H02P29/50;H02P6/10
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 李林娟

本發明公開了一種基于擴展步長和變作用時間的永磁電機預測磁鏈控制方法，包括：將定子磁鏈矢量參考值與預測值分別表示為電壓矢量作用時間的函數；基于擴展預測步長策略，獲得每一步預測步長中的定子磁鏈矢量誤差，基于每一步定子磁鏈矢量誤差之和構建代價函數；通過求導獲得使代價函數取得最小值時所有候選電壓矢量的最優作用時間，將每一步預測步長中所有候選電壓矢量及其對應最優作用時間帶入代價函數中，遍歷求取使代價函數取得最小值的最優電壓矢量，取第一步預測步長中的電壓矢量及其作用時間作為最優解；根據當前采樣時間間隔內最優電壓矢量切換與否，進行不同的占空比更新，實現最優解的數字化應用，最終達到最優控制永磁同步電機的目的。

技術領域

本發明涉及電機系統及控制領域，尤其涉及一種基于擴展步長和變作用時間的永磁電機預測磁鏈控制方法。

背景技術

永磁同步電機因其具有寬調速范圍、高氣隙磁通密度、高效率等優點被廣泛應用于高性能需求領域^[1-3]。在實際應用中，為了獲得期望的控制效果，大量的控制策略已經被提出并且深入研究。

傳統的控制策略主要包括：磁場定向控制(Field-Oriented Control,FOC)策略和直接轉矩控制(Direct Torque Control,DTC)策略。應用磁場定向控制策略時，通過坐標變化和脈沖寬度調制(Pulse Width Modulation,PWM)模塊調節轉矩性能，可以獲得極好的穩態控制效果，但是瞬態響應仍需進一步改善^[4]；應用直接轉矩控制策略時，通過滯環控制器選擇最優的開關狀態可以直接且獨立地分別控制轉矩和磁鏈性能。并且，由于采用六個固定的有效電壓矢量輸出，通過選取最優的電壓矢量可以獲得快速的動態響應。但是，直接轉矩控制也存在一些缺點，比如低速高噪聲、高轉矩波動和不固定開關頻率等^[5,6]。

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

為了解決以上問題，多種文獻已經提出并研究了許多技術。一種最直接的方式是通過減少電壓矢量作用時間來獲得改善的穩態性能，但是該方法會相應的提高開關頻率和增加開關損耗；另一種典型的技術是擴展開關狀態的個數，該技術只能通過多電平實現，受限于硬件設備^[9,10]。并且，在該技術中，代價函數最小化時的檢索空間將會隨著開關狀態的擴展而提高，增加了計算負擔；還有學者提出通過在采樣周期內插入零矢量來調節有效矢量的作用時間，即占空比調制方法^[11,12]。在該方法中，兩個電壓矢量作用于一個采樣周期內，包括一個零矢量和一個通過代價函數最小化選取的有效矢量。因為在一個采樣周期內，每一個有效矢量作用完相應時間后必須切換到零矢量，所以該技術也是通過增加開關損耗為代價來提高控制效果。

無論采取哪種控制策略，都不能夠在同一開關頻率下提高系統的控制效果。因此，一種在相同開關頻率下改善FCS-MPC的穩態控制效果，抑制轉矩脈動和降低電流諧波含量，并且能夠維持原有快速暫態響應的技術亟需提出。

參考文獻