永磁同步电机的模型预测转矩控制装置及方法、电机控制器及计算机可读存储介质

技术领域

本申请涉及电机技术领域，尤其涉及一种永磁同步电机的模型预测转矩控制装置及方法、电机控制器及计算机可读存储介质。

背景技术

伴随着经济和科技的高速发展，我国的工业化水平在不断提升，电机是工业制造的重要手段，其中，永磁同步电机(Permanent magnetic synchronous machine，简称PMSM)以永磁材料钕铁硼等作为电机材料，成本低，同时永磁体的使用不仅降低了电机损耗，还提高了电机效率和功率密度。在动态性能方面，永磁同步电机具有调速范围大、转动惯量小、稳定性强、抗负载能力强等优势。基于这些优势，永磁同步电机在工业生产中具有广泛应用。

永磁同步电机系统是拥有时变、非线性、强耦合等复杂特性的综合系统，因此永磁同步电机的应用需要合适的电机控制方法。模型预测控制的主要思想是通过分析系统当前状态来预测系统下一时刻状态，并根据特定的代价函数，选择最优的系统控制量。模型预测控制在电机控制领域易于实现，且具有动态响应快、无参数整定、易于处理非线性约束等优点。与矢量控制相比，模型预测控制有着更好的动态响应效果，与直接转矩控制相比，模型预测控制选取的电压矢量更有效，转矩脉动也要更小。模型预测转矩控制需要对所有电压矢量作用下的转矩与磁链进行预测，计算量大。此外，由于模型预测转矩控制方法中转矩与磁链具有不同的量纲，需要设计权重系数以实现对转矩与磁链的同时控制，而权重系数具体需要反复仿真与实验去优化系数。

发明内容

本申请的目的在于提供一种永磁同步电机的模型预测转矩控制装置及方法、电机控制器及计算机可读存储介质，能够解决目前永磁同步电机模型预测转矩中存在的问题。

本申请的一个方面提供一种永磁同步电机的模型预测转矩控制方法。所述模型预测转矩控制方法包括：

建立永磁同步电机的数学模型；

基于所述永磁同步电机的数学模型建立模型预测转矩控制器；

获取k时刻的给定转矩、k时刻的电机转速、k时刻的d、q轴电压及k时刻的d、q轴电流；

将所述k时刻的给定转矩、所述k时刻的电机转速、所述k时刻的d、q轴电压及所述k时刻的d、q轴电流输入到所述模型预测转矩控制器中以预测输出k+1时刻的d、q轴预测电压；

基于所述k+1时刻的d、q轴预测电压、以及k时刻的电机电位角来确定k+1时刻的两相静止α-β坐标系下的参考电压矢量及电压矢量位置角；

基于k+1时刻的α-β坐标系下的电压矢量位置角确定所述参考电压矢量所属的扇区；

从所述扇区中选择出两个待选电压矢量；

基于所述参考电压矢量及所述两个待选电压矢量，通过代价函数来从所述两个待选电压矢量中选择出使所述代价函数的函数值最小的电压矢量来作为目标电压矢量；以及

基于所述目标电压矢量来对三相逆变器进行控制，进而对所述永磁同步电机进行控制。

进一步地，所述建立永磁同步电机的数学模型包括：

建立所述永磁同步电机在d-q轴的电压方程：

其中，R

建立所述永磁同步电机在d-q轴的磁链方程：

其中，ψ

建立所述永磁同步电机的转矩方程：

其中，T

进一步地，所述将k时刻的给定转矩、k时刻的电机转速、k时刻的d、q轴电压、以及k时刻的d、q轴电流输入到所述模型预测转矩控制器中以预测输出k+1时刻的d、q轴预测电压包括：

根据所述k时刻的给定转矩通过最大转矩电流比计算得到k时刻的理想磁链；

根据所述k时刻的电机转速、所述k时刻的d、q轴电压及所述k时刻的d、q轴电流来预测得到k+1时刻的d、q轴预测电流；

根据所述k+1时刻的d、q轴预测电流来得到k+1时刻的d、q轴预测磁链及k+1时刻的预测转矩；及

根据所述k时刻的理想磁链、所述k+1时刻的d、q轴预测磁链及所述k+1时刻的预测转矩来预测得到所述k+1时刻的d、q轴预测电压。

进一步地，所述根据所述k时刻的电机转速、所述k时刻的d、q轴电压及所述k时刻的d、q轴电流来预测得到k+1时刻的d、q轴预测电流包括：

预测k+1时刻的d、q轴磁链，并对公式(1)使用向前欧拉法，得到：

/>

其中，k为当前采样时刻，k+1为下一时刻，

将公式(2)代入到公式(4)中，并以T为周期进行离散化，得到k+1时刻的d、q轴预测电流的方程：

其中，

进一步地，所述根据所述k+1时刻的d、q轴预测电流来得到k+1时刻的d、q轴预测磁链及k+1时刻的预测转矩包括：

将公式(5)分别代入所述d-q轴的磁链方程(2)及所述转矩方程(3)中，得到k+1时刻的d、q轴预测磁链的方程及k+1时刻的预测转矩的方程：

其中，ψ

进一步地，根据以下公式来计算得到所述k时刻的理想磁链：

其中，

进一步地，所述根据所述k时刻的理想磁链、所述k+1时刻的d、q轴预测磁链及所述k+1时刻的预测转矩来预测得到所述k+1时刻的d、q轴预测电压包括：

联立公式(1)和(2)，并对所述d-q轴的磁链方程进行离散化，得到k+2时刻的磁链方程：

其中，

运用无差拍的思想，将所述k时刻的理想磁链作为k+2时刻的预测磁链，并结合公式(3)，且忽略公式(3)中的电阻项，得到

将公式(3)对时间求导并进行离散化，并结合公式(2)得到：

其中，

将公式(8)代入到公式(10)中，得到：

运用无差拍的思想，将所述k时刻的给定转矩

其中，

进一步地，所述基于所述k+1时刻的d、q轴预测电压、以及k时刻的电机电位角来确定k+1时刻的两相静止α-β坐标系下的参考电压矢量包括：

将所述k+1时刻的d、q轴预测电压经Clark变换成两相静止α-β坐标系下的电压分量以得到k+1时刻的α-β坐标系下的参考电压矢量：

其中，θ

进一步地，确定k+1时刻的两相静止α-β坐标系下的电压矢量位置角包括：

基于k+1时刻的α、β轴预测电压分量来计算得到k+1时刻的α-β坐标系下的电压矢量位置角：

其中，θ为电压矢量位置角。

进一步地，所述从所述扇区中选择出两个待选电压矢量包括：基于直接转矩控制的基本原理，采用其定子磁链的分区及电压矢量选择表，从所述扇区中选择出最优非零电压矢量和一个零矢量来作为所述两个待选电压矢量。

进一步地，所述模型预测转矩控制方法还包括：获得所述永磁同步电机k时刻的三相电流；及基于所述k时刻的电机电位角及所述k时刻的三相电流并经过坐标变换得到所述k时刻的d、q轴电流。

进一步地，所述模型预测转矩控制方法还包括：获得三相逆变器输入端k时刻的三相电压；及基于所述k时刻的电机电位角及所述k时刻的三相电压并经过坐标变换得到所述k时刻的d、q轴电压。

进一步地，所述模型预测转矩控制方法还包括：基于所述k时刻的电机电位角计算得到所述k时刻的电机转速。

本申请的另一个方面提供一种永磁同步电机的模型预测转矩控制装置。所述模型预测转矩控制装置包括模型预测转矩控制器及电压扇区控制器。所述模型预测转矩控制器基于所述永磁同步电机的数学模型建立，所述模型预测转矩控制器用于根据k时刻的给定转矩、k时刻的电机转速、k时刻的d、q轴电压、以及k时刻的d、q轴电流作为输入来预测输出k+1时刻的d、q轴预测电压。所述电压扇区控制器用于根据所述k+1时刻的d、q轴预测电压及k时刻的电机电位角来确定k+1时刻的两相静止α-β坐标系下的参考电压矢量及电压矢量位置角；基于k+1时刻的α-β坐标系下的电压矢量位置角确定所述参考电压矢量所属的扇区；从所述扇区中选择出两个待选电压矢量；基于所述参考电压矢量及所述两个待选电压矢量，通过代价函数来从所述两个待选电压矢量中选择出使所述代价函数的函数值最小的电压矢量来作为目标电压矢量；及基于所述目标电压矢量来对三相逆变器进行控制，进而对所述永磁同步电机进行控制。

本申请的又一个方面提供一种电机控制器。所述电机控制器包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如上所述的永磁同步电机的模型预测转矩控制方法。

本申请的再一个方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现如上所述的永磁同步电机的模型预测转矩控制方法。

本申请实施例的有益技术效果主要表现在：利用无差拍预测原理计算下一周期预施加的参考电压矢量，根据参考电压矢量所处的扇区确定出两个待选电压矢量，将代价函数的计算次数减小到两次，从而减小了计算量。

此外，本申请实施例的永磁同步电机的模型预测转矩控制中的代价函数为参考电压矢量与待选电压矢量的误差，进而规避了权重系数的选取。

附图说明

图1为本申请一个实施例的永磁同步电机的模型预测转矩控制方法的流程图。

图2为本申请一个实施例的模型预测转矩控制器预测输出k+1时刻的d、q轴预测电压的具体步骤。

图3为本申请一个实施例的永磁同步电机的模型预测转矩控制框图。

图4为一种电压扇区分布示意图。

图5为本申请一个实施例的电机控制器的示意性框图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施例并不代表与本申请相一致的所有实施例。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置的例子。

在本申请实施例使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。除非另作定义，本申请实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。在本申请的说明书和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

本申请实施例提供了一种永磁同步电机的模型预测转矩控制方法，通过当前时刻的转矩、磁链等参数，预测下一时刻的参考电压矢量，有效提升了系统的动态性能，降低了转矩与磁链的脉动。

图1揭示了本申请一个实施例的永磁同步电机的模型预测转矩控制方法的流程图。如图1所示，本申请一个实施例的永磁同步电机的模型预测转矩控制方法可以包括步骤S11至步骤S21。

在步骤S11中，建立永磁同步电机的数学模型。

在步骤S12中，基于步骤S11建立的永磁同步电机的数学模型来设计模型预测转矩控制器。

在步骤S13中，获取k时刻的电机电位角、k时刻的给定转矩、k时刻的电机转速、k时刻的d、q轴电压及k时刻的d、q轴电流。

在步骤S14中，将步骤S13中获取到的k时刻的给定转矩、k时刻的电机转速、k时刻的d、q轴电压及k时刻的d、q轴电流输入到步骤S12中设计出的模型预测转矩控制器中。

在步骤S15中，模型预测转矩控制器预测输出k+1时刻的d、q轴预测电压。

图2揭示了本申请一个实施例的模型预测转矩控制器预测输出k+1时刻的d、q轴预测电压的具体步骤。如图2所示，在一些实施例中，步骤S15可以进一步包括步骤S151至步骤S154。

在步骤S151中，根据k时刻的给定转矩通过最大转矩电流比(Maximum Torque PerAmpere，MTPA)计算得到k时刻的理想磁链。

在步骤S152中，根据k时刻的电机转速、k时刻的d、q轴电压及k时刻的d、q轴电流来预测得到k+1时刻的d、q轴预测电流。

在步骤S153中，根据步骤S152中预测得到的k+1时刻的d、q轴预测电流来得到k+1时刻的d、q轴预测磁链及k+1时刻的预测转矩。

在步骤S154中，根据步骤S151中计算得到的k时刻的理想磁链以及步骤S153中得到的k+1时刻的d、q轴预测磁链及k+1时刻的预测转矩来预测得到k+1时刻的d、q轴预测电压。

返回继续参照图1所示，在步骤S16中，基于步骤S15中预测得到的k+1时刻的d、q轴预测电压、以及步骤S13中获得的k时刻的电机电位角来确定k+1时刻的两相静止α-β坐标系下的参考电压矢量及电压矢量位置角。

在步骤S17中，基于步骤S16中获得的k+1时刻的α-β坐标系下的电压矢量位置角确定参考电压矢量所属的扇区。

在步骤S18中，从步骤S17中确定的扇区中选择出两个待选电压矢量。

在步骤S19中，将步骤S16中确定的参考电压矢量及步骤S18选择出的两个待选电压矢量输入到代价函数中。

在步骤S20中，通过代价函数来从两个待选电压矢量中选择出使代价函数的函数值最小的电压矢量来作为目标电压矢量。

在步骤S21中，基于目标电压矢量来对三相逆变器进行控制，进而对永磁同步电机进行控制。

图3揭示了本申请一个实施例的永磁同步电机的模型预测转矩控制框图。下面将结合图3来详细介绍本申请一个实施例的永磁同步电机的模型预测转矩控制方法的具体步骤。

1)永磁同步电机的数学模型的建立

忽略永磁同步电机的涡流和磁滞损耗，并假定磁路是不饱和的，永磁同步电机为表贴式，则可以建立永磁同步电机在d-q轴的电压方程：

其中，R

建立永磁同步电机在d-q轴的磁链方程：

其中，ψ

建立永磁同步电机的转矩方程：

其中，T

2)模型预测转矩控制器的设计

设计出的所述模型预测转矩控制器可以k时刻的给定转矩、k时刻的电机转速、k时刻的d、q轴电压及k时刻的d、q轴电流作为模型的输入，经过所述模型预测控制器的处理，所述模型预测转矩控制器可以预测输出k+1时刻的d、q轴预测电压。

如图3所示，在本申请实施例的永磁同步电机的模型预测转矩控制中，可以基于获得的k时刻的电机电位角来计算得到k时刻的电机转速。

可以预先获得永磁同步电机k时刻的三相电流，然后，可以基于k时刻的三相电流及k时刻的电机电位角并经过坐标变换得到k时刻的d、q轴电流。

可以预先获得三相逆变器输入端k时刻的三相电压，然后，可以基于k时刻的三相电压及k时刻的电机电位角并经过坐标变换得到k时刻的d、q轴电压。

下面将详细介绍如何来设计出本申请实施例的这种模型预测转矩控制器。

考虑到实际控制中控制信号往往存在一拍延迟，因此需要对其进行补偿，方法为预测k+1时刻的d、q轴磁链，并对公式(1)使用向前欧拉法，得到：

其中，k为当前采样时刻，k+1为下一时刻，

将公式(2)代入到公式(4)中，并以T为周期进行离散化，得到k+1时刻的d、q轴预测电流的方程：

其中，

从而，可以根据k时刻的电机转速、k时刻的d、q轴电压及k时刻的d、q轴电流来预测得到k+1时刻的d、q轴预测电流。

将公式(5)分别代入d-q轴的磁链方程(2)及转矩方程(3)中，得到k+1时刻的d、q轴预测磁链的方程及k+1时刻的预测转矩的方程：

其中，ψ

从而，可以根据k+1时刻的d、q轴预测电流来得到k+1时刻的d、q轴预测磁链及k+1时刻的预测转矩。

通过最大转矩电流比(MPTA)计算得到k时刻的理想磁链，其计算公式如下所示：

其中，

联立公式(1)和(2)，并对d-q轴的磁链方程进行离散化，得到k+2时刻的磁链方程：

其中，

运用无差拍的思想，将k时刻的理想磁链作为k+2时刻的预测磁链，并结合公式(3)，且忽略公式(3)中的电阻项，得到

将公式(3)对时间求导并进行离散化，并结合公式(2)得到：

其中，

将公式(8)代入到公式(10)中，得到：

运用无差拍的思想，将k时刻的给定转矩

其中，

从而，可以根据k时刻的理想磁链、k+1时刻的d、q轴预测磁链及k+1时刻的预测转矩来预测得到k+1时刻的d、q轴预测电压。

3)电压扇区控制器的设计

将k+1时刻的d、q轴预测电压经Clark变换成两相静止α-β坐标系下的电压分量以得到k+1时刻的α-β坐标系下的参考电压矢量：

其中，θ

从而，可以基于k+1时刻的d、q轴预测电压、以及k时刻的电机电位角来确定k+1时刻的两相静止α-β坐标系下的参考电压矢量。

基于k+1时刻的α、β轴预测电压分量来计算得到k+1时刻的α-β坐标系下的电压矢量位置角：

其中，θ为电压矢量位置角。

根据公式(15)计算出的电压矢量位置角θ，确定此参考电压矢量U

在一些实施例中，基于直接转矩控制的基本原理，采用其定子磁链的分区及电压矢量选择表，从扇区中选择出最优非零电压矢量和一个零矢量来作为两个待选电压矢量。例如，当确定该参考电压矢量U

然后，通过代价函数计算代价：

g＝|U

其中，U

分别将两个待选电压矢量代入公式(16)中计算相应的代价函数值g，并对代价函数值g进行排序，选择使代价函数值g最小的待选电压矢量作为目标电压矢量，该目标电压矢量作为三相逆变器的开关控制信号作用于三相逆变器，并进而通过三相逆变器作用于永磁同步电机。

本申请实施例的永磁同步电机的模型预测转矩控制方法的有益技术效果主要表现在：利用无差拍预测原理计算下一周期预施加的参考电压矢量，根据参考电压矢量所处的扇区确定出两个待选电压矢量，将代价函数的计算次数减小到两次，从而减小了计算量。

此外，本申请实施例的永磁同步电机的模型预测转矩控制方法中代价函数为参考电压矢量与待选电压矢量的误差，进而规避了权重系数的选取。

本申请实施例还提供了一种永磁同步电机的模型预测转矩控制装置200。如图3所示，本申请一个实施例的永磁同步电机的模型预测转矩控制装置200可以包括模型预测转矩控制器210及电压扇区控制器220。

模型预测转矩控制器210基于永磁同步电机100的数学模型建立。模型预测转矩控制器210可以根据k时刻的给定转矩

电压扇区控制器220可以根据k+1时刻的d、q轴预测电压

在一些实施例中，模型预测转矩控制器210可以包括最大转矩电流比(MPTA)控制模块211、一拍延时补偿模块212、转矩和磁链预测模块213及电压参考矢量预测模块214。

最大转矩电流比控制模块211可以根据k时刻的给定转矩

一拍延时补偿模块212可以根据k时刻的电机转速ω

转矩和磁链预测模块213可以根据k+1时刻的d、q轴预测电流

电压参考矢量预测模块214可以根据k时刻的理想磁链

在一些实施例中，本申请的电压参考矢量预测模块214可以预测k+2时刻的预测磁链，并运用无差拍的思想，将k时刻的理想磁链

在一些实施例中，电压扇区控制器220可以直接转矩控制的基本原理，采用其定子磁链的分区及电压矢量选择表，从扇区中选择出最优非零电压矢量和一个零矢量来作为两个待选电压矢量。

本申请实施例的模型预测转矩控制装置200还包括Park及Clark变换模块230。Park及Clark变换模块230可以基于永磁同步电机k时刻的电机电位角θ

本申请实施例的模型预测转矩控制装置200还包括电压测量及坐标变换模块240。电压测量及坐标变换模块240可以获得三相逆变器输入端k时刻的三相电压，并基于k时刻的三相电压及k时刻的电机电位角θ

本申请实施例的模型预测转矩控制装置200还包括速度计算模块250。速度计算模块250可以基于永磁同步电机k时刻的电机电位角θ

本申请实施例的模型预测转矩控制装置200还包括PI控制器260。PI控制器260可以调节永磁同步电机k时刻的电机转速ω

本申请实施例还提供了一种电机控制器400。图5揭示了本申请一个实施例的电机控制器400的示意性框图。如图5所示，本申请一个实施例的电机控制器400包括存储器401、处理器402及存储在存储器401上并可在处理器402上运行的程序，处理器402执行程序时可以实现如上所述的永磁同步电机的模型预测转矩控制方法。

本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序。该程序被处理器402执行时实现如上所述的永磁同步电机的模型预测转矩控制方法。

以上对本申请实施例所提供的永磁同步电机的模型预测转矩控制装置及方法、电机控制器及计算机可读存储介质进行了详细的介绍。本文中应用了具体个例对本申请实施例的永磁同步电机的模型预测转矩控制装置及方法、电机控制器及计算机可读存储介质进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的核心思想，并不用以限制本申请。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请的精神和原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也均应落入本申请所附权利要求书的保护范围内。