[發明專利]一種基于可變控制周期的永磁同步電機預測磁鏈控制方法

有效

• 申請號: 202010007920.1
• 申請日: 2020-01-03
• 公開（公告）號: CN111049449B
• 公開（公告）日: 2023-05-12
• 發明（設計）人: 宋戰鋒;馬小惠
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H02P21/14
• 分類號: H02P21/14;H02P21/28;H02P21/05;H02P25/022
• 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可變控制周期的永磁同步電機預測磁鏈控制方法，方法包括：根據轉子磁鏈矢量和定子電流矢量獲取實際定子磁鏈矢量；根據電磁轉矩、轉子磁鏈幅值、定子磁鏈幅值、電角頻率獲取參考定子磁鏈矢量；根據參考定子磁鏈矢量和預測定子磁鏈矢量之間的控制誤差，獲取不包含加權因子的成本函數；通過對成本函數的兩步最小化確定最優有效電壓矢量及其最優作用時間，以及零電壓矢量的最優作用時間；將最優有效電壓矢量和零電壓矢量的最優作用時間構成可變的控制周期。本發明每次循環后的控制周期都是不同的；本發明提供了額外的控制自由度，在不增加開關損耗的情況下顯著地降低了轉矩脈動和定子電流諧波。

技術領域

本發明涉及永磁同步電機控制領域，尤其涉及一種基于可變控制周期的永磁同步電機預測磁鏈控制方法。

背景技術

永磁同步電機具有結構緊湊，效率高和動態性能好等優點^[1]，因此被廣泛用于電動汽車、機器人、風力發電系統等工業應用^[2]。永磁同步電機控制策略已成為該領域的研究重點之一。傳統的高性能控制策略主要包括：磁場定向控制和直接轉矩控制^[3]。磁場定向控制具有出色的穩態性能，可以實現定子磁鏈和電磁轉矩的解耦控制。但是由于控制原理和控制器參數的限制，其動態響應不令人滿意。與磁場定向控制不同，直接轉矩控制的基本原理是基于電磁轉矩和定子磁鏈的控制誤差從切換表中確定最優電壓矢量，控制結構簡單，動態響應快。但是與磁場定向控制相比，直接轉矩控制的轉矩脈動較高^[4]。

近年來，有限集模型預測控制作為一種優化的控制策略，已廣泛應用于電機驅動系統。與磁場定向控制和直接轉矩控制相比，有限集模型預測控制具有原理簡單、動態性能快以及易于處理系統非線性約束等優點^[5]。其可以直接預測電磁轉矩和定子磁鏈等被控變量的變化趨勢。在預測被控變量和參考被控變量之間的控制誤差為最小值的情況下，通過評估與被控變量相關的成本函數來選擇最優電壓矢量，所選的電壓矢量比直接轉矩控制中的電壓矢量更準確^[6]。但是，被控變量的變化與最優電壓矢量及其控制周期有關。對于基于單電壓矢量的有限集模型預測轉矩控制或磁鏈控制，最優電壓矢量的作用時間為采樣周期。其作用時間是固定的，這限制了控制自由度，導致較高的轉矩波動。另外，在整個采樣周期內僅施加一個最優電壓矢量而不改變開關狀態，這不滿足高精度轉矩控制^[7]。

為了解決這個問題，基于擴展電壓矢量的有限集模型預測被提出，該方法實現了更好的轉矩性能，但是會造成較大的計算負擔。此外，研究人員還提出了基于固定控制周期和雙電壓矢量的有限集模型預測轉矩控制或磁鏈控制^[8]。其原理是將控制周期分成兩部分，在候選有效電壓矢量(即非零電壓矢量)之后施加零電壓矢量。有效電壓矢量的作用時間通過成本函數最小化等方法計算，零電壓矢量的作用時間是控制周期的剩余作用時間。與基于單電壓矢量的有限集模型預測控制相比，該策略可以略微抑制轉矩波動^[9]。但是控制周期仍固定為采樣周期，從而導致受限的控制自由度和轉矩控制精度。為了進一步減小轉矩脈動，需要較高的開關頻率，但這會增加計算負擔和開關損耗^[10]。

在永磁同步電機預測控制系統中，基于單電壓矢量和基于雙電壓矢量的有限集模型預測控制具有固定的控制周期和受限的控制自由度，這會造成較大的轉矩脈動。提高采樣頻率可以增強轉矩脈動的抑制能力，但會大大增加開關損耗。傳統策略在穩態性能和開關損耗方面具有明顯缺陷。

參考文獻

[1]G.S.Buja?and?M.P.Kazmierkowski,“Direct?torque?control?of?PWMinverter-fed?AC?motors-a?survey,”IEEE?Transactions?on?Industrial?Electronics,2004,51(4):744–757.