CN109379013B - 一种永磁同步电机转矩脉动抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种永磁同步电机转矩脉动抑制方法，基于模型预测直接转矩控制，根据定子磁链位置与电磁转矩变化趋势，将现有方法中所使用的7个基本电压矢量缩减到了3个，同时针对电压矢量的单一性，结合占空比调制，在3个可选电压矢量与占空比组合中选择最优的组合作为电机下一时刻的输入。相比现有技术，本发明在保证转矩脉动抑制效果的前提下，还实现了对运算量的显著优化。

Description

一种永磁同步电机转矩脉动抑制方法

技术领域

本申请涉及电动汽车永磁同步电机直接转矩控制领域，尤其涉及一种基于模型预测直接转矩控制的降低永磁同步电机转矩脉动的技术。

背景技术

在电动汽车驱动系统中，永磁同步电机的转矩脉动会引起电磁噪声和扭矩振动问题，影响人的舒适性，同时引起的振动还可能使电机系统共振，增加电机磁滞和涡流损耗，缩短电机寿命，使电机的可靠性与稳定性降低，因此需要对转矩脉动进行有效的抑制。现有的转矩脉动抑制方法中采用模型预测进行直接转矩控制是一种较为可行的解决方式，但采用这种方式需要在每个周期内对所有的电压矢量进行遍历寻优计算，不仅存在运算量较大的缺点，同时也限制了采样频率与时域长度的增加，即限制了电压矢量预测的准确性。而且模型预测直接转矩控制在整个采样周期内逆变器只能输出一种电压矢量，开关动作无规律，与有调制器的控制策略相比转矩脉动较大。虽然目前存在一些针对模型预测直接转矩控制在系统运算量、电压矢量单一性方面的改进方法，但基本思路都是牺牲转矩脉动的性能以降低系统运算量，或者牺牲运算量以提高电压矢量预测的准确性，尚缺乏能够同时从运算量以及电压矢量单一性两方面入手的转矩脉动抑制手段。

发明内容

针对上述现有技术中所存在的技术问题，本发明提供了一种永磁同步电机转矩脉动抑制方法，基于模型预测直接转矩控制，具体包括以下步骤：

步骤一、基于当前采样周期内控制系统的状态变量，获取定子磁链位置与电磁转矩需要的变化方向，建立电压矢量筛选表并筛选得到两个非零电压矢量与一个零电压矢量；

步骤二、基于电磁转矩与定子磁链建立评价函数，并建立关于所述评价函数的占空比关系；

步骤三、将所述步骤一中筛选的各电压矢量代入到使所述评价函数值最小的所述占空比关系中，获取不同的电压矢量与占空比组合，并基于考虑占空比的永磁同步电机离散数学模型，预测所述不同组合对应的下一采样周期的电磁转矩与定子磁链；

步骤四、将所述步骤三中预测的电磁转矩与定子磁链代入到所述评价函数中，获取使所述评价函数值最小的电压矢量和占空比组合，并基于占空比调制，将使评价函数值最小的所述组合作为下一采样周期电机的输入。

进一步地，所述控制系统的状态变量包括定子电流、定子磁链以及电磁转矩，且满足以下关系：

其中，i_s为定子电流，i_d、i_q分别为d、q轴电流，ψ_d、ψ_q分别为d、q轴磁链，L_d、L_q分别d、q轴电感，ψ_s、ψ_r分别为定子、转子磁链，p_n电机极对数，T_e为电磁转矩。

进一步地，所述步骤一中所述的建立电压矢量筛选表，具体包括：

在两相静止坐标系中，假设定子磁链α轴的夹角为θ_s，由下式将坐标系平面划分为6个扇区：

(2N-3)π/6≤θ_s(N)≤(2N-1)π/6，N＝1，…，6；

根据电磁转矩与参考电磁转矩的比较值δT_e的符号与定子磁链扇区位置N，筛选得到所述电压矢量。

进一步地，所述步骤二中建立的所述评价函数为：

其中，

分别为电磁转矩与定子磁链的参考值，λ_p为评价函数中的权重因子，k表示当前采样时刻。

所述关于评价函数的占空比关系式为：

其中，D表示占空比，ΔT_e、Δψ_s分别为采样周期内电磁转矩与定子磁链的理论增量。

进一步地，所述步骤三中的考虑占空比的永磁同步电机离散数学模型为：

其中，对于表贴式永磁同步电机而言，d轴电感与q轴电感相同，统一用L表示，k+1表示下一采样时刻，ω_r表示转子角速度，T_s表示系统采样周期，R_s表示定子电阻，u_s表示定子电压。

本发明所提供的上述方法基于转矩脉动的抑制，根据定子磁链位置与电磁转矩变化趋势，将现有方法中所使用的7个基本电压矢量缩减到了3个，同时针对电压矢量的单一性，结合占空比调制，在3个可选电压矢量与占空比组合中选择最优的组合作为电机下一时刻的输入。相比现有技术，本发明在保证转矩脉动抑制效果的前提下，还实现了对运算量的显著优化。

附图说明

图1是本发明所提供方法的原理框图

图2是两相静止坐标系平面的电压矢量分布图

图3是传统的模型预测直接转矩控制框图

具体实施方式

下面结合附图对本发明所提供的方法做出进一步详尽的阐释。

本发明所提供的永磁同步电机转矩脉动抑制方法，基于模型预测直接转矩控制，如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤一、基于当前采样周期内控制系统的状态变量，获取定子磁链位置与电磁转矩需要的变化方向，建立电压矢量筛选表并筛选得到两个非零电压矢量与一个零电压矢量；

步骤二、基于电磁转矩与定子磁链建立评价函数，并建立关于所述评价函数的占空比关系；

步骤三、将所述步骤一中筛选的各电压矢量代入到使所述评价函数值最小的所述占空比关系式中，获取不同的电压矢量与占空比组合，并基于考虑占空比的永磁同步电机离散数学模型，预测所述不同组合对应的下一采样周期的电磁转矩与定子磁链；

步骤四、将所述步骤三中预测的电磁转矩与定子磁链代入到所述评价函数中，获取使所述评价函数值最小的电压矢量和占空比组合，并基于占空比调制，将使评价函数值最小的所述组合作为下一采样周期电机的输入。

在本申请的一个优选实施例中，所述控制系统的状态变量包括定子电流、定子磁链以及电磁转矩，且满足以下关系：

其中，i_s为定子电流，i_d、i_q分别为d、q轴电流，ψ_d、ψ_q分别为d、q轴磁链，L_d、L_q分别d、q轴电感，ψ_s、ψ_r分别为定子、转子磁链，p_n电机极对数，T_e为电磁转矩。

图2为两相静止坐标系平面的电压矢量分布图。假设定子磁链在如图所示位置，且沿逆时针方向旋转，则基于电磁转矩、定子磁链需要的变化方向，将两相静止坐标系平面分为4个区域，分别为(T_e+，ψ_s+)、(T_e+，ψ_s-)、(T_e-，ψ_s-)、(T_e-，ψ_s+)。假设定子磁链与α轴的夹角为θ_s，由下式可将坐标系平面划分为6个扇区，分别为I、II、III、IV、V和VI。

(2N-3)π/6≤θ_s(N)≤(2N-1)π/6，N＝1，…，6。

在本申请的一个优选实施例中，所述步骤一中所述的建立电压矢量筛选表，具体包括：由于定子磁链沿逆时针旋转，假设定子磁链处于图中的扇区I时，若转矩误差大于0，即δT_e大于0，则满足使转矩增加且相邻的两个电压矢量为V₂、V₃。同理，若δT_e小于0，则满足使转矩减小且相邻的两个电压矢量为V₅、V₆。结合所述步骤一中观测的电磁转矩与参考电磁转矩的比较值δT_e的符号与定子磁链扇区位置N，电压矢量筛选表具体如下：

其中，V_1，...，6为非零电压矢量。

由于本申请是针对永磁同步电机转矩脉动的抑制，因此不考虑观测的定子磁链与参考定子磁链的比较值δψ_s对应的电压矢量筛选表。

本申请的一个优选实施例中，由于包含两个零电压矢量，为降低开关频率，降低开关损耗，零电压矢量的选择应对应最少的开关次数。即在“100”、“010”、“001”后的下一采样周期，若最优电压矢量为零电压矢量，则选择开关状态“000”。相反，其它的开关状态则选择(111)作为下一采样周期的最优电压矢量。

在本申请的一个优选实施例中，所述步骤二中建立的所述评价函数为：

其中，

分别为电磁转矩与定子磁链的参考值，λ_p为评价函数中的权重因子，k表示当前采样时刻。

所述关于评价函数的占空比关系式为：

其中，D表示占空比，ΔT_e、Δψ_s分别为采样周期内电磁转矩与定子磁链的理论增量。

采样周期内电磁转矩与定子磁链的理论增量可分别由以下公式计算：

Δψ_s＝DT_s(u_s-R_si_s)。

其中，T_s表示系统采样周期，u_s表示定子电压，R_s表示定子电阻。

在本申请的一个优选实施例中，所述步骤三中的考虑占空比的永磁同步电机离散数学模型为：

其中，对于表贴式永磁同步电机而言，d轴电感与q轴电感相同，统一用L表示，k+1表示下一采样时刻，ω_r表示转子角速度。

将所述步骤三中所计算的电压矢量与占空比组合(V_i，d_i)代入到考虑占空比的关系式中，预测每种筛选的电压矢量作用后的下一采样周期的定子磁链与电磁转矩(T_e(k+1),ψ_s(k+1))，并将其代入评价函数，获取最优的电压矢量与占空比组合(V_opt，d_opt)。在本申请的一个优选实施例中，基于占空比调制，将V_opt，d_opt作为下一采样周期电机的输入。

图3为传统的模型预测直接转矩控制框图。可以看出本申请的技术方案不仅减少了电压矢量遍历个数，而且在引入占空比调制的同时，还实现了对占空比和电压矢量选择的同时优化。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种永磁同步电机转矩脉动抑制方法，基于模型预测直接转矩控制，其特征在于：具体包括以下步骤：

步骤一、基于当前采样周期内控制系统的状态变量，获取定子磁链位置与电磁转矩需要的变化方向，建立电压矢量筛选表并筛选得到两个非零电压矢量与一个零电压矢量；

步骤二、基于电磁转矩与定子磁链建立评价函数，并建立关于所述评价函数的占空比关系；

所述评价函数为：

其中，

分别为电磁转矩与定子磁链的参考值，λ_p为评价函数中的权重因子，k表示当前采样时刻；

所述关于评价函数的占空比关系为：

其中，D表示占空比，ΔT_e、Δψ_s分别为采样周期内电磁转矩与定子磁链的理论增量；

步骤三、将所述步骤一中筛选的各电压矢量代入到使所述评价函数值最小的所述占空比关系中，获取不同的电压矢量与占空比组合，并基于考虑占空比的永磁同步电机离散数学模型，预测所述不同组合对应的下一采样周期的电磁转矩与定子磁链；所述考虑占空比的永磁同步电机离散数学模型为：

其中，i_s为定子电流，D表示占空比，ψ_s为定子磁链，T_e为电磁转矩，p_n为电机极对数，对于表贴式永磁同步电机而言，d轴电感与q轴电感相同，统一用L表示，k+1表示下一采样时刻，ω_r表示转子角速度，T_s表示系统采样周期，R_s表示定子电阻，u_s表示定子电压；

步骤四、将所述步骤三中预测的电磁转矩与定子磁链代入到所述评价函数中，获取使所述评价函数值最小的电压矢量和占空比组合，并基于占空比调制，将使评价函数值最小的所述组合作为下一采样周期电机的输入。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述控制系统的状态变量包括定子电流、定子磁链以及电磁转矩，且满足以下关系：

其中，i_s为定子电流，i_d、i_q分别为d、q轴电流，ψ_d、ψ_q分别为d、q轴磁链，L_d、L_q分别d、q轴电感，ψ_s、ψ_r分别为定子、转子磁链，p_n为电机极对数，T_e为电磁转矩。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤一中所述的建立电压矢量筛选表，具体包括：

在两相静止坐标系中，假设定子磁链α轴的夹角为θ_s，由下式将坐标系平面划分为6个扇区：

(2N-3)π/6≤θ_s(N)≤(2N-1)π/6，N＝1，…，6；

根据电磁转矩与参考电磁转矩的比较值δT_e的符号与定子磁链扇区位置N，筛选得到所述电压矢量。

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