一种施加反相转矩谐波的永磁同步电机模型预测控制方法

本发明属于电机，具体涉及一种施加反相转矩谐波的永磁同步电机模型预测控制方法。

背景技术：

1、永磁同步电机具有结构简单、效率高、功率密度大等优点，其被广泛应用于航空航天、医疗卫生、电动汽车等前沿领域。模型预测控制具有结构简单、动态响应快、电压利用率高等特点，有限集模型预测控制的离散特性十分适合高速数字控制系统，是一种先进的永磁同步电机控制方式。但是，模型预测控制的巨大挑战是转矩脉动大，相比于传统的磁场定向控制，其动态性能优越，但稳态转矩脉动和电流脉动较大。其一方面是由电机内部自身产生，另一方面是所使用的控制方法造成的。

2、模型预测控制转矩脉动大，主要是因为模型预测控制需要精确的电机模型，而电机模型会随电机运行状态变化而变化，电机参数也会根据温度和频率变化而产生变化，因此，研究者为了降低电机模型不准确对控制系统的扰动，设计了诸如扩张状态观测器、滑膜观测器等有效方法来抑制转矩脉动。也有学者通过参数辨识的方法来准确建立电机模型。此外，传统的模型预测控制单个周期内从七个电压矢量中选择一个最优的电压矢量，这也是导致其稳态转矩脉动大的原因之一，因而有学者提出双矢量模型预测控制和三矢量模型预测控制。

3、为了追求模型预测控制方法更好的稳态控制效果，研究者们提出了诸多相关专利。

4、文献1“申请公布号是cn117013889a的中国发明专利”提出了一种永磁同步电机的新型模型预测控制方法，在使用滑膜扰动观测器的同时，采用双矢量模型预测控制，减小了电机参数波动带来的干扰。

5、文献2“申请公布号是cn113809960a的中国发明专利”发明了一种无负载观测器的永磁同步电机模型预测速度控制方法。其利用增量式模型预测控制的思想，消除了电机方程中的负载转矩项，降低了系统的复杂度，另外增加了交轴电流的跟踪误差来优化电流波形。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种施加反相转矩谐波的永磁同步电机模型预测控制方法，从转矩谐波入手，增加了与转矩谐波幅值相等但相位相反的补偿量，从而降低转矩谐波含量和电流波动。本发明通过施加与转矩谐波幅值相等但相位相反的补偿值来抑制转矩脉动，可以在不用提取转矩谐波的同时，减小电磁转矩、齿槽转矩及摩擦转矩谐波。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

3、步骤1：电机的输出转矩分为三部分：电磁转矩、齿槽转矩和摩擦转矩，表示为：

4、tout＝te+tcog+tf

5、其中，tout表示输出转矩，te是电磁转矩，tcog是齿槽转矩，tf是摩擦转矩；

6、根据永磁同步电机功率平衡关系：

7、

8、其中，ea、eb、ec分别是电机三相反电势，ia、ib、ic分别是三相绕组上的电流，ωr是电机机械角速度，t0是平均电磁转矩，t6k表示转矩谐波，θe表示转子电角度，k＝1,2,3,...；

9、使用负载转矩观测器观测电机实际输出转矩大小，同时记录速度环输出的参考转矩值；

10、步骤2：将步骤1中记录的参考转矩值和观测电机实际输出转矩tout进行比较得到转矩误差：

11、δt＝tref-tout

12、其中，δt是转矩误差，tref是速度环输出的参考转矩值；

13、转矩误差既包含电磁转矩谐波，也包含齿槽转矩谐波和摩擦转矩谐波，将转矩误差当作转矩谐波进行反相谐波输入；

14、步骤3：电机在实际运行中dq轴电流存在一个角度差σ：

15、

16、其中，id和iq是dq轴电流；因此补偿的转矩谐波量不能完全施加到q轴上；

17、步骤4：根据电磁转矩公式：

18、

19、其中，p是电机极对数，idref和iqref是dq轴参考电流，ψf是永磁体磁链，ld和lq是dq轴电感；

20、补偿的反相转矩谐波值分配到dq轴上得到补偿的dq轴电流：

21、

22、其中δid和δiq表示补偿的dq轴电流；

23、步骤5：将步骤4中补偿的dq轴电流带入永磁同步电机电压方程中：

24、

25、其中，δud和δuq表示补偿的dq轴电压，rs是相电阻，ωe是电机电角速度；

26、步骤6：将步骤5中得到的dq轴补偿电压方程离散化，得到：

27、

28、其中，δid(k+1)、δiq(k+1)和δid(k)、δiq(k)分别对应下一时刻和当前时刻的dq轴补偿电流，ud(k)和uq(k)分别是当下时刻的d轴和q轴电压，e是二阶单位阵，c＝-ωe，ts是控制周期；

29、步骤7：经过坐标变换，得到两相静止坐标系下αβ轴的补偿电压：

30、

31、其中，δuα(k+1)和δuβ(k+1)分别是α轴和β轴补偿电压，δud(k+1)和δuq(k+1)分别是d轴和q轴补偿电压，将δuα(k+1)和δuβ(k+1)补偿到最优电压矢量产生的两相静止电压上。

32、本发明的有益效果如下：

33、(1)本发明无需提取任何谐波，方法简便，且能同时减少电磁转矩、齿槽转矩和摩擦转矩谐波含量。

34、(2)稳态性能优越。在空载和负载情况下比较电流和转矩波动，本发明专利具有比传统模型预测控制稳态转矩波动小，电流谐波含量少的优点。

技术特征：

1.一种施加反相转矩谐波的永磁同步电机模型预测控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

技术总结
本发明公开了一种施加反相转矩谐波的永磁同步电机模型预测控制方法，从转矩谐波入手，增加了与转矩谐波幅值相等但相位相反的补偿量，从而降低转矩谐波含量和电流波动。本发明通过施加与转矩谐波幅值相等但相位相反的补偿值来抑制转矩脉动，可以在不用提取转矩谐波的同时，减小电磁转矩、齿槽转矩及摩擦转矩谐波。

技术研发人员：吴旋,汪远林,邢荟祺,王楠江,赵阳
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23