[發明專利]一種效率優化的PMSM電流預測控制方法及系統

有效

• 申請號: 202010014414.5
• 申請日: 2020-01-07
• 公開（公告）號: CN111211716B
• 公開（公告）日: 2023-05-16
• 發明（設計）人: 劉平;覃思雨;黃守道;苗軼如;童林林
• 申請（專利權）人: 湖南大學
• 主分類號: H02P21/00
• 分類號: H02P21/00;H02P21/22;H02P25/022
• 代理公司: 長沙智路知識產權代理事務所(普通合伙) 43244
• 代理人: 張毅

1.一種效率優化的PMSM電流預測控制方法，其特征在于，該電流控制方法包括如下步驟：

步驟a：建立PMSM系統的總損耗模型；通過分析銅損、鐵損、磁芯諧波損耗以及逆變器導通與開關損耗，建立PMSM系統的總損耗模型；

步驟b：基于PMSM效率優化的線性化轉矩和電壓方程；根據PMSM系統的總損耗模型，計算得到基于PMSM效率優化的線性化轉矩和電壓的方程；

步驟c：建立約束下PMSM最優控制策略；建立約束下PMSM最優控制策略及其約束條件；

步驟d：約束下最優控制策略的表達式和流程；根據電壓極限橢圓與電流極限圓是否存在交點和/或轉矩曲線與電流極限圓是否存在交點的多種情況，確定最終的目標工作點和電流最優解；

步驟e：模型預測控制；根據步驟d中得到的目標工作點和電流最優解設計包含速度控制器和dq軸電流控制器的模型預測控制器，以進行電流預測控制；

所述步驟a中的PMSM系統的總損耗模型為：

其中，PMSM系統的總損耗包括銅損P_Cu,f、鐵損P_Fe,f、磁芯諧波損耗P_CL,h、逆變器的導通損耗P_inv,con與開關損耗P_inv,sw；其它各變量的含義為：M_a-調制指數，E_on,E_off-IGBT開通和關斷的能量損失，E_rr-功率二極管的關斷能量損失；V_dc-直流鏈路電壓；I_dc-直流鏈路電流；R_on,V_on-IGBT的平均斜率電阻值和IGBT的平均正向閾值電壓值，P_in為輸入功率，P_loss,total為總損耗，I_s為直流電流，f_s為直流頻率,i_d,i_q-定子d軸電流和q軸電流,λ_d,λ_q-d軸和q軸磁鏈,R_s-定子電阻；k_EC和k_Hy為計算鐵損所需的常數；

所述步驟b具體包括：

d軸電流對應于給定轉矩請求的最小總損耗可以通過牛頓迭代找到最優轉矩和電角速度ω_el，上標*代表最優，每次迭代調整di_d,opt并應用于上一次迭代d軸電流設定值i_d,0，其中下標0都代表初始的設定值，為找尋的最優i_d值，由于PMSM的弱磁操作必須在運行在限制值以下，若此時得到的限制值為比更大更負的電流，則將直接應用若沒有達到電壓和電流的限制值，將收斂到最佳值；

基于效率優化的PMSM系統電流預測控制方法，即找尋對于負載轉矩描述的穩態工作點及最佳定子電流i_d,i_q，所要求的最優轉矩可以是無限多個可能的dq電流設定點組合，并且生成d-q軸平面中的允許工作區域受到電流限制圓和電壓限制橢圓限制，基于模型dq電流設定點的方法產生最小系統總損耗，從而達到效率優化；

永磁同步電機運行時的定子電流應該限制在允許的范圍內：可得在定子電流的相平面內，定子電流矢量的允許軌跡落在電流極限圓內部或邊界上；穩態下，PMSM定子電壓為：

隨著電機運行速度的提高，定子電壓會隨之上升，最終達到電壓極限，當電機定子電壓一定時，電機dq軸電流滿足規律為:

上式表明等電壓線在某一固定轉速下為橢圓；

式中：u_d,u_q-定子d軸電壓和q軸電壓，L_d,L_q-定子d軸電感和q軸電感；Ψ_d,Ψ_q-d軸磁鏈和q軸磁鏈；|I|,|U|-定子電流單相幅值和定子電壓單相幅值；I_lim,U_lim-電流限制值和電壓限制值；Ψ_f-轉子磁鏈；ρ-凸極率；n_p-轉速；

當電機轉速上升到較高時，定子電壓u_1m達到U_lim而不能繼續增加的情況；此時定子電壓保持為一個常數，故隨著轉速的增加，對應一系列不同的橢圓曲線；已知電機的電磁轉矩T_e可以表示為：

式中：i_1m為定子電流，δ為定子電流矢量超前d軸角度；β＝ρ-1。