[发明专利]基于转矩预测控制的永磁同步电机弱磁控制系统及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机弱磁控制系统及其方法，具体涉及一种基于转矩预测控制的永磁同步电机弱磁控制系统及其方法，属于电力传动及其控制技术领域。

背景技术

与传统的内燃机牵引汽车相比，将内埋式永磁同步电机应用于电动汽车不仅拓宽了恒功率速度范围(Constant Power Speed Range，CPSR)，还减小了整车驱动系统的大小。内埋式永磁同步电机驱动的电动汽车在基速以下恒转矩运行时，为提高电机运行效率和降低系统损耗，通常采用最大转矩电流比(Maximum Torque per Ampere，MTPA)控制方法，最大限度地提高单位定子电流的转矩输出能力，以满足汽车对启动、加速、负荷爬坡和频繁启停等复杂工况动力性的需求。同时在汽车以恒定负荷稳定运行时，所需定子电流和由此产生的电机铜耗均最小，提高了驱动系统的运行效率。当电机运行于基速以上恒功率区时，由于受到逆变器输出最大电压和最大电流的限制，需采用弱磁(Flux Weakening，FW)控制策略，以拓宽电机恒功率运行时的电机速度范围，从而提高汽车最大巡航速度，满足超车等要求。

永磁同步电机驱动电动汽车在高速运行时需采用弱磁控制，但永磁同步电机以永磁体励磁，无法像电励磁同步电机那样通过控制励磁电流大小来调节气隙磁场，因而也就约束了永磁同步电机高速控制能力和运行性能。

文献(Pan C T,Sue S M.“A linear maximum torque per ampere control for IPMSM drives over full-speed range”.IEEE Transactions on Energy Conversion,2005,20(2):359-366.)给出了一种适用于多IPMSM驱动系统的全速域线性转矩控制策略，其分析认为在恒转矩和完全恒功率区域之间，在负载较轻时MTPA控制仍然有效。由于简化了控制器设计，线性MTPA控制可以获得快速的动态响应，同时可实现全速度范围内定子铜耗最小。上述方法恒转矩区MTPA控制器和恒功率区弱磁控制器的设计均按照电机模型计算得到，控制算法结构清晰，易于规划设计。但参数的准确程度直接决定控制性能的优劣，而多约束限制的弱磁控制对参数的扰动过于敏感，因此公式计算法弱磁控制几乎没有实用价值。

基于矢量的弱磁控制方法，由于其电压外环可产生一个d轴负向电流来补偿随转速不断增大的反电动势引起的定子电压饱和，因此也称为负i_d补偿法。该方法简单可靠，不依赖于电机参数，但稳定性随转速上升而逐渐下降，且控制系统的多环级联结构限制了速度环和电流环的带宽，调制策略的应用也约束了系统的动态性能。

为了提高IPMSM弱磁控制过程的动态响应速度和控制系统的稳定性，已有的很多成果给出基于电流和电压限制下的直接转矩控制弱磁运行方案，通过分析不同转速对应的最大转矩角约束限制并调整弱磁工作条件，确保控制系统的稳定运行。这类方法充分利用了直接转矩控制的高动态性能，但稳态精度不是很高。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种基于转矩预测控制的永磁同步电机弱磁控制系统及其方法，本方法易于数字化实现，可以完全移植到传统控制结构中，并且解决了弱磁控制中动稳态性能的平衡稳定，电机运行平滑稳定，最大转矩输出明显提高。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明的基于转矩预测控制的永磁同步电机弱磁控制系统，控制系统在计算电机的最佳工作点时采用预测滚动优化方法；控制系统根据电机的转速差值计算出电机实时转矩，后通过计算此刻工况下的电流、电流角、以及转速，预测下一拍所有开关状态所对应的转矩预测值，根据预测结果输出最优开关信号；

其中，下一周期的转矩预测值通过计算获取，系统滚动优化中采用价值函数为g(min)＝k_T·g_T+k_c·g_c+k_L·g_L，此外，价值函数用于保证系统的收敛性和稳定性。