[發明專利]一種SMPMSM驅動系統無模型預測轉矩控制方法

在審

• 申請號: 202210914035.0
• 申請日: 2022-08-01
• 公開（公告）號: CN115208261A
• 公開（公告）日: 2022-10-18
• 發明（設計）人: 李紅梅;楊利國;王先玲;周亞男;楊彪
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: H02P21/20
• 分類號: H02P21/20;H02P21/14
• 代理公司: 合肥國和專利代理事務所(普通合伙) 34131
• 代理人: 吳娜;張祥騫

1.一種SMPMSM驅動系統無模型預測轉矩控制方法，其特征在于：該方法包括下列順序的步驟：

(1)在基于定子磁場定向的同步速旋轉xy坐標系下，建立SMPMSM驅動系統的超局部模型；

(2)在SMPMSM驅動系統的超局部模型基礎上，進行可變時間間隔的離散空間矢量調制無模型預測轉矩控制。

2.根據權利要求1所述的SMPMSM驅動系統無模型預測轉矩控制方法，其特征在于：所述步驟(1)具體是指：建立定子磁場定向的同步速旋轉的xy坐標系：在定子磁場定向的同步速旋轉的xy坐標系、轉子磁場定向的同步速旋轉的dq坐標系、兩相靜止αβ坐標系下，θ_s為定子磁場旋轉角度，θ_r為轉子磁場的旋轉角度，δ為定子磁場與轉子磁場的夾角，稱為轉矩角，ω_r，ω_s分別表示轉子和定子旋轉電角速度；

將轉矩參考指令轉化為轉矩角參考指令，將轉矩對時間求導，得到轉矩的變化率為：

式中，T_e為轉矩，L_s為定子電感，p為電機極對數，ψ_f為永磁體磁鏈，ψ_s為定子磁鏈；

基于歐拉離散化方法獲得：

其中，k為第k個采樣周期，T_s為采樣周期時間長度；

令δ(k+1)＝δ_ref，生成的轉矩角參考指令為：

式中，為轉矩的給定參考值，δ(k)為當前采樣時刻轉矩角的估計值；

將三相定子電流轉換到基于定子磁場定向的同步速旋轉xy坐標系，定子電流在xy軸分量的表達式為：

其中，i_x與i_y分別表示x軸與y軸定子電流分量，i_a、i_b、i_c為定子三相電流；

在同步速旋轉的xy坐標系下，SMPMSM定子電壓方程為：

其中，u_x，u_y為定子電壓在x，y軸的分量；i_x、i_y為定子電流在x，y軸的分量；R_s為定子電阻；ψ_x、ψ_y為定子磁鏈在x，y軸的分量；ω_s為定子磁場旋轉速度；

在定子磁場定向的同步旋轉xy坐標系，ψ_x＝|ψ_s|，ψ_y＝0，且根據式(5)，獲得SMPMSM驅動系統的定子磁鏈與轉矩角動態方程為：

將SMPMSM驅動系統的定子電壓參考值在xy軸上的分量u_x，u_y作為系統的輸入，將定子磁鏈與轉矩角的實時估計值作為系統的輸出，在同步速旋轉的xy坐標系下，建立SMPMSM驅動系統的超局部模型，其表達式為：

其中，α_x，α_y分別表示電壓比例因子的x、y軸分量；F_x，F_y分別表示F在x、y軸上的分量；

F的估計值利用代數估計法獲取，F表示SMPMSM驅動系統中的多種不確定性擾動，包括電機的參數不確定性以及逆變器非線性因素所引起的擾動；

且有：

利用復化梯形公式求取數值解，得到F_x，F_y在k時刻的估計值分別為：

其中，m為第k個控制周期的采樣點；和分別表示k時刻的逆變器參考電壓矢量在xy軸上的分量；n_F表示所選采樣窗口包含n_F個控制周期。

3.根據權利要求1所述的SMPMSM驅動系統無模型預測轉矩控制方法，其特征在于：所述步驟(2)具體是指：

對于SMPMSM驅動系統的超局部模型進行歐拉離散化，生成定子磁鏈幅值與轉矩角的預測值，且有：

式中，|ψ_s(k+1)|為磁鏈幅值在下一時刻的預測值，|ψ_s(k)|為磁鏈幅值在當前采樣周期的估計值，T_s為采樣周期時間長度，F表示SMPMSM驅動系統中的多種不確定性擾動，包括電機的參數不確定性以及逆變器非線性因素所引起的擾動，為當前采樣周期下F的估計值在x、y軸的分量，α_x(k)、α_y(k)為電壓比例因子在x、y軸的分量，u_x(k)、u_y(k)為所施加電壓矢量在x、y軸的分量，δ(k+1)為轉矩角在下一時刻的預測值，δ(k)為當前采樣時刻轉矩角的估計值；

再令|ψ_s(k+1)|＝|ψ_s^ref|，δ(k+1)＝δ_ref，生成逆變器參考電壓矢量u_s^ref，其在x、y軸上的分量分別為u_x^ref與u_y^ref，且有：

式中，|ψ_s^ref|為定子磁鏈幅值參考指令，|ψ_s(k)|為當前采樣時刻定子磁鏈幅值，δ_ref為轉矩角參考指令，δ(k)為當前采樣時刻轉矩角的估計值；

生成逆變器參考電壓矢量后，采用離散空間電壓矢量調制方式予以合成；將逆變器基本電壓矢量的作用時間等分為N個時間間隔，不同時間間隔與基本電壓矢量組合所生成的離散電壓矢量控制集，以u_dsvm表示，u_dsvm由兩個相鄰有效電壓矢量u_i和u_j合成，作用時間間隔分別為n_i和n_j，n_i與n_j為0-N之間的整數；

所有離散的候選電壓矢量均表示為：

式中：u_i和u_j分別為逆變器基本電壓矢量中的有效電壓矢量，i∈{1,3,5},j∈{2,4,6}，由逆變器參考電壓矢量所處扇區決定，n_i與n_j則分別為u_i和u_j作用的時間間隔數目；

為挑選出最優候選電壓矢量，設計與逆變器參考電壓矢量誤差最小的代價函數，則有：

式中：u_s(k)為當前采樣周期的逆變器候選電壓矢量；

在同步速旋轉的xy坐標系下，將式(13)轉化為關于逆變器有效電壓矢量作用時間間隔n_i與n_j的函數，且有：

其中，u_{i_x}和u_{i_y}分別表示逆變器有效電壓矢量u_i在x軸與y軸下的分量，u_{i_x}和u_{i_y}分別表示逆變器有效電壓矢量u_j在x軸與y軸下的分量；

令J對n_i與n_j的偏導數為零，并對n_i、n_j取整，獲得逆變器基本電壓矢量作用時間間隔，且有：

為減小電機轉矩與定子磁鏈的穩態脈動，設定候選電壓矢量與逆變器參考電壓矢量誤差范圍，借由迭代尋優確定最優N值，設定N的初始值為γ，N的變化上限為η，電壓誤差設置為ξ，基于在線迭代尋優確定最優N值，電壓矢量的作用是將時間等分為N個時間間隔，N是時間間隔數目。