一种基于模型预测的永磁同步电机直接转矩控制策略

电机易抄制应用2021,48(5)控制与应用技术I

EMCA一种基于模型预测的永磁同步电机

直接转矩控制策略#杜承东！聂子玲#李忠瑞#（!.海装驻上海地区第二军事代表室，上海

200129；2.海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重＞实验室，湖北武汉

430033）摘要：针对传统直接转矩控制（DTC）方法中电压矢量切换时间不固定以及电压矢量切换点受限于滞

，,环宽度等问题，将模型预测控制（MPC）应用于永磁同步电机（PMSM）

DTC系统,提出了一种优化的电压矢量

预测

方法。一方面,将预测的定子

和电磁转矩送入相应的滞环控制器，从电压矢量有限集中

方面，引入

和

合适的电压矢量以

相应

预测

和转矩分别在各自的滞环内；

，

不同电压矢量,且可以时

电

等

。

，

控制目标。

PMSM

动

对控制

控制

有

将转矩控制在滞环内，验有

。关键词：永磁同步电机;直接转矩控制；模型预测控制；滞环控制器;代价函数优化中图分类号：TM

351

文献标志码：1

文章编号：1673-6540（2021）05-0001-06doi：

10.12177/emca.2021.013A Model

Predictive

Direct

Torque

Control

Strategy

for

Permanent

Magnei

Synchronous

Motor

*

DU

Chengdong1，

NIE

Ziling2，

LI

Zhongrui2（1.

Second

Representatives

Offica

of

Naval

Equipment

Research

Institute

in

Shanghai，

Shanghai

200129,

China;2.

National

Defense

Key

Laboratorc

of

Science

and

Technology

on

Vessel

Inagcud Powec

System,Naval

University

of

Engineeany,

Wuhan

430033,

China）Abstract:

In conventional

direct

torque

control

（

DTC）

,

the

switching

instant

of

the

voltage

vector

in

variable

and

the

switching

point

of

vvltaae

vectoe

is

limited

by

the

hysteresis

band.

The

model

predictive

control

（

MPC）

is

applied

in

permanent

maanet

synchronous

motoa

（

PMSM）

DTC

system,

and

an

optimized

vvltage

vectoo

prediction

selection

method

is

analyzed.

On

one

hand,

the

predicted

stator

flux

linkaae

and

electromaanetic

torque

are

input into

the

corresponding

hysteresis

controllee,

and

the

appropriate

vvltage

vector

is

selected

from

the

limited

set

of

vvltage

vectors

to

ensure

that the

predicted

flux

linkaae

and

torque

are

within

the corresponding

respective

hysteresis.

On

the

other

hand,

the

cost

function

and

optimization

strategy

are

introduced

to select

the

corresponding

opUmal

vvltage

vectoo undco

different

conditions,

and

the

control

objectives

besides

current

protection

can

be

considered

at

the

same

1:1^.

The

proposed aleorithm

is

experimentally

verified

on

a

salient pole PMSM

drive

platorm.

Experimental

results

收稿日期：2021-01-11；收到修改稿日期：2021-03-10*基金项目：国家自然科学基金项目（52077219,51807199）

作者简介：杜承东（1977-），男，博士，讲师，研究方向为船舶电气’聂子玲（1975-）,男，教授,研究方向为电力电子与电力传动’李忠瑞（1997-）,男，博士研究生,研究方向为电力电子与电力传动’（通信作者）—1———

控制与应用技术I

EMCA

电札与拉制应用2021,48(5)show

that

the

proposed

control

strategy

can

effectively

control

the

torque

within

the

hysteresis

controller,

which

verifies

the

effectiveness

of

the

words:

permanent

magnet

synchronous

motor

(PMSM

%

；

direct

torque

control

(DTC

%

；

model

predictive

control

(MPC%

；

hysteresis controller；

cosS

function

optimization0引言永磁同步电机(PMSM)将永磁材料用于转子

电压矢量

低定子

取决于相邻2个非零电压矢量和零电压矢量,降低了运算量，但

无法有效降

和电磁转矩脉动。文献[9

]中，

简，

，转矩密度、

度、效率和

Z。

永

和技，/MSM

应用

°直接转矩控制(DTC)

型°

DTC通

时检测电机定子电压和电流，

和转矩

，

与和转矩

定

，

用

控制定子和电磁转矩，

和转矩滞环控制器直接

间电压矢量，从

到直接控制和转矩的目的〔&7。DTC

简单，不通过定子电流控制电机，

直接对转矩进控制，从

以

转矩

应，

不需独的PWM调制器，因此在电机控制领域得

到

应用。如前所述，传统+TC采用2个滞环控制器来

对

和转矩的控制，响应

，鲁棒性强,但

于滞环控制器本身的特性，电压矢量切换时间不固定，导致逆变器开关

不恒定。虽然以运用空间电压矢量调制方法使逆变器开关频

恒定，但是又会导致电压矢量切换点受限于滞

环宽度，引入

大

脉动和转矩脉动,引起高噪声。为

解决传统DTC存

问题,将模型预测控制(MPC)应用在DTC系统中，电压矢量切

换 以在线

，以满足更

控制要求和实更多的控制目标。MPC基本思想是基于系统

预测模型，

统未来特性，从备

量集合中量。因此，将MPC应用于PMSM

DTC

统以减

脉动和转矩脉动已成为研究热点。文献)5]

基于连续有限控制

模型预测直接转矩控制(MPDTC)，采用

梯度搜索算法降低

和转矩脉动，但

控制精度不易工程

。文献)6-7]

虚拟电压矢量的，通

入更多的虚拟电压矢量来降低

；和转矩脉动，但虚拟电压矢量

入又导致控制复杂。文献)*]采用无差拍控制预测电压矢量,—2

—基于卷积神经网络和DTC的模型预测转矩控制，有降低

和转矩脉动。本文

新型MPDTC策略。该策略基于模型预测算法，继承了传统DTC的滞环控制

器，在滞环控制器允许的误差范围内控制定子磁

和电磁转矩。同时，通 线

改进传统DTC的电压矢量切换表,预测电压矢量作用

定子

和电磁转矩的轨迹,并采用方法

对系统

目

控制。对MPDTC

，方法 和有

。1

PMSM驱动系统1.1

PMSM数学模型假设内置式PMSM为理想电机，且满足以下

条件)10]:(1)

忽电机铁心的饱和；(2)

不电机中

和磁滞

；(3)

电

中的电流为对

相正弦波电流。内置式PMSM在两相旋转坐标系下的数学

模型如)11]。定子电压方程：f

叫二.

d

4s.

+

石6(

-

"Oq'.d

(

1)2q

二

4tq

+

石6

q

+

"Od定子

方程：d

33

0

0qdqd

5

! t

(")q(2)电磁转矩方程：39e

3

亍(!d.

~7q

qd

)

(3)式中：2d、2q分别为定子电压的d(q轴分量;4s为

定子电阻；qd(

q

为定子电

d、q

q

量;

电机与披制应用2021,48(

5)控制与应用技术I

EMCA!d、！q分另U为定子磁链的(、8轴分量;为转子

观测器、滞环控制器、开关表选择模块等组成。角速度；Ld、Lq分别为(、q轴电感分量;！为转子

永磁体磁链;9为电机的电磁转矩;P为电机的极

对数。17两电平三相电压源逆变器PMSM驱动系统中

4

|化滞环控制器开关表观测器换器是两电平三开关器内置式PMSM相电压源逆变器,其原理图如图1

(叮所示，共包

括6个

开关器件，其中不同相

0~jUdc件独立工作，同相

开关器件工作'6个开关器件的开关

SQ

(Sc、S＜、Sb(Sc，定

开关器件的开关

示为S＜、开关图2传统DTC系统框图器件开通时为1，在关断时为0,则开关状态的数

传统DTC通过将定子

和电磁转矩学

式为1

,

＜开通定

与定子

和电磁转矩

测,生 入

滞环控制器和＜3{0,

＜

关

()4转矩滞环控制器，通

滞环控制器的输合定子

相

电压矢量，生成PWM控制,从而实式中:X

=

S,S；i

=

a,b

,co信号，对逆变器的开关

对转矩的直接控制。2.2传统DTC滞环控制器2.2.1

模拟滞环控制器模拟方式

入变量

器

器

滞环控制器，其工作原理

范围未

:电机特性，给定

入变量并设置好滞环宽度后,滞环宽度时，控制不会发生

电压矢量不变。

，从

逆方式的电压矢量切换时间不固定，逆变器开关

控制。不恒定，难以精确模拟方式下的转矩滞环控制器及原理如图3

图1三相电压源逆变器原理图和空间电压矢量图所―。定义两电平三相电压源逆变器的开关状态组

(a)模拟转矩滞环控制器合为(SaSbSc),式(4)

,逆

器共有8种开

关

，对应8个基本电压矢量，包括6个有效矢

量6和"个零矢量、！，如图1(

b)所—。逆变器

电压矢量 示为2

Y

Y!

3

丁"c(

Sa

+SQe^

+SceJT")

4

—

“2

G

t(b)模拟转矩滞环控制原理(5)图&模拟转矩滞环控制2传统DTC策略2.1传统DTC系统框图2.2.2数字滞环控制器滞环控制器

期，从

方式采用固定的控制周传统DTC系统框图如图2所示，主

PMSM、两电

逆变器的开关

生在控制周期

恒定。电压矢量相电压源逆变器。

和转矩切换

时刻,切换所—3

—

控制与应用技术I

EMCA期数取决于滞环宽度以及控制周期。工作

方式

转矩滞环控制示意图及工作原理如图4所示，其中9是控制周期。系统的控制性

受滞环宽度和采

)12*,为

与模拟方式相

控制

，采

和开关o(a)数字转矩滞环控制器1/T＜1

~~伙+1)人伙+2)7；伙+3/

t'(b)数字转矩滞环控制原理图4数字转矩滞环控制3

新型MPDTC策略3.1系统框图为了解决传统DTC存在的磁链和转矩脉动大、逆变器开关

不恒定等问题,本文新型MPDTC：,通预测

定子磁链和电磁转矩，直接控制

和转矩。新型MPDTC系统框图如图5所示。图5新型MPDTC系统框图新型MPDTC策略采用了滞环控制器和代价

相结合的新方式。将测到的电流.发送

到观测和预测模型，结合

逆变器电压矢量,预测下一控制周期可能出现的电流值.1

o通过

转变压器观测内置式PMSM

转子位置，将转

子位置信

送到观测和预测模型，结合预测的电流值.1，预测下一控制周期可能的定子磁

!(

=+1

%和电磁转矩9(

=+1

)。预测量和给定—4

—电札与披制应用2021,48(

5)量一起发送到滞环控制和

模块。代以

多个电机控制目标,追求控制目

。基于滞环控制器和模块，

控制周期

电压矢量可以

：o3.2新型MPDTC策略实现方式基于

滞控制器和

,

以获得逆变器最优电压矢量。图6(

a)所示为新型

MPDTC转矩滞环控制示意图。1/7(a)转矩滞环控制器伙+1)7；(丿汁2)7；伙+3)7；

t(b)转矩滞环控制原理图6新型MPDTC转矩滞环控制其中，

模基本原理如下：g

=＞

19*

-91

*!*

-!l

+Xl

(6)式中:g

为

；＞1、＞、＞3

为

；/(

l为电

。新型MPDTC滞环控制原理如图6

(b)-。

个控制周期9,逆

器电压矢量

不,

个电压矢量

个周期。味个周期内,电压矢量

!6,

期〕时

=+1周期开

时刻，

模型预测方法，由滞环控制器和

模块决定新的电压矢量，

=+1周期

新的电压矢量是!4。

工作方式下，与图4不，电

转矩滞环宽度

,

转矩脉动

,

滞环宽度不于过大，

滞环控制特性。当然，

电磁转矩

控制特

，电

其他控制特性也可采用

方式。新型MPDTC实现的流程图如图7所-。基

于电机模型，所有

逆变器电压矢量

用于获取预测量，包括

和转矩预测量，

2电压矢量。第1步为滞环控制。

电札与挖剧应用2021,48(

5)控制与应用技术I

EMCA将磁链预测和转矩预测

送入相应的滞环控制

对逆变器空间电压矢量

，选器，以

逆变器电压矢量，

矩预测

预测和转出最优电压矢量，

和转矩

脉动。合

滞环宽度，减自的滞环宽度内。第2

为。

不

控制目标，

滞环控制

器

电压矢量。如滞环宽度较表1电机主要参数参数名称参数值0.957.5大，滞环控制器

电压矢量数量

大于1;，

如

滞环宽度

，

滞环控制器

电定子电阻4/Qd轴电感0d/mHq轴电感0q/mH压矢量数量

为0。如

电压矢量

大于1，将

电压矢量送入

量模*10.343逆变器电压矢量。如

电压矢量电永磁体磁链！f/WQ对量等于1，将

电压矢量视为

压矢量。如

电压矢量

量等于0，将有

电压矢量送入

模块，最电压矢量将

制目

和转矩的控制以及其他控。

，

如

滞环控制器

滞量将大于0。0

0.25

环宽度合适，

电压矢量

0.50

t/s0.75

1.00图*电机电磁转矩稳态性能图在对所提出的MPDTC策略下电机电磁转矩

的稳态性能进行试验验证后，进一步对电机电磁

转矩的动

应

MPDTC控制

。图9经电机电磁转矩动

应图，给定转矩由2

N-m

为10

N-mo从图9可

以

，

定转矩发生

时,该控制

动态

响应快，无

和 ，动

。图7新型MPDTC流程图4

试验验证为

MPDTC

图9电机电磁转矩动

应图有

，PMSM

动

对

控

制。MPDTC

，

对

5结语本文提出了一种新型的MPDTC策略，可以

电用电 如表1所示。图

*

不

滞环宽度的前提下合

滞环宽度，减

和电磁转矩

图，给定转矩为10

N・m。从图定在9.5〜10.5N・m的10

N-m

电压矢量，

*

以

，

转矩

转矩的脉动，

关器件。通

大电

，

PMSM

动

对

o

，开控制范围内，

更多的转矩

，说明控制

，

以

不

滞环宽度

前新—5

—

控制与应用技术I

EMCA电札与披制应用2021,48（

5）MPDTC策略能够将滞环宽度控制在合理范围内，

predictive

direci

iorque

control

of

PMSMs

with

virtual

对电

和转矩脉动具有

制 ，spacc

vectoio

)

C

]

$2017

12th

IEEE

Conferenco

on

而且具有

动

应

。Industrial

Electronid

and

Applications

(

IEIEA),

2017.【参考文献】:1

:刘坤，高琳•永磁同步电机的改进模型预测直接转

矩控制)J]

•电机与控制学报,2020,24(

1)：

10.)2

]

CORTES

P,

KAZMIERKOWSKI

M

P,

KENNEL

R

M,

et

al.

Predictive

control

in

power

electronics

and

drives

)

J

].

IEEE

Transactions

on

Industrial

)7

]

WANG

T,LIU

C,LEI

G,et

al.

Modd

predictive

direct

torque

control

of

permaneni

magnei

synchronous

motoro

with

extended

set

of

veltaye

spacc

vectoro)

J

].

EET

Eeciocc

Pow9o

Appeccaicons,

2017,

11

(

8

)

:

1376.)8

]蒲龙梅，张宏立•永磁同步电机的无差拍预测直接

转矩控制系统[J].电机与控制应用,2016,43(8):

onics,2008,55(

12)

:

4312.)3

]

TAKAHASHI

I,

NOGUCHI

T.

A

new

quick-responsa

and high-efficiency

control

strategy

of

an

induction

:9

:李耀华，赵承辉，周逸凡，等•基于卷积神经网络和

motor

)

J

].

IEEE

Transactions

on

Industiy

Applications,

1986,IE-22(5)

:

820.直接转矩控制

永

电

模型预测转矩控制

策略)J]•电机与控制应用,2020,47(9)：

8.)10]

科，东，李

•永

:11]

)4

]

DEPENBROCK

M.

Direci

self-coniol

(

DSC

)

of

inveOer-fed

induction

machine

)

J

].

IEEE

电机变频调速电机控制统及其控制)M]

•北京：机械工业岀版社,2015.雷，胡冰新,魏克银，等•现代永

Transactions

on

Power

Electronid,

1988,3(4)

:

420.)5

]

PREIIDL M,BOLOGNANI

S,DANIELSON

C.

Modd

poedotioee

iooque

toniooe

woih

PWM

usony

easi

原理及MATLAB仿真:M]

•北京：北京航空航天

大学岀版社,2016.)12]

BUJA

G

S,

KAZMIERKOWSKI

M

P.

Direci

torque

control

of

PWM

inveoer-fed

AC

motors:

a

survey)

J].EEEEToansaticonson

EndusiocaeEeetiooncts,

2004,

51

yradieni

method

)

C

]

$

2013

Twenty-fighth Annual

IEEE

Appeoed

Poweo

Eeetioonots

Coneeoente and

Exposition

(APEC)

,2013.)6

]

WANG

T,

GUO

Y,

ZHU

J.

Finite-control-sei

modd

(

4)

:

744.［期刊简介］《电机与控制应用》（原《中小型电机》）创刊

代号4-199。在半个多世纪的岁月中，本刊为我国

中小型电

业

依托集团公司雄厚

与发展做

于1959年，是经国家新闻出版总署批准注册，由

巨大的海电器科学研究所（集团）有限公司主办的具

有专业权威的电工

类科技期刊。贡献，在中国电机及其应用领域享有

力和

声誉o业期刊定位于电机、控制和应用三大板块,以

资源，《电

与控制应用》正朝

专业化品牌媒体

中小型电机为基础,拓展新型

特电

节能和微方向不断开拓创新，

国科技期刊界拥有广，以新能源

和智能控制：引度，是“中国学术期刊综合评

库领和提升传统的电机制造

为方向,以电机

来源期刊”、“中国科学引文

库来源期刊”、

统节能为目标开拓电机相关应用，

国

关

道“中国学术期刊（光盘版）全文收录期刊”,到

业内人士的普遍认可,备受广大读者的推崇和 新

、产品研发、检测、标准及相业信息。本刊每月10日出版，国内外公开发行，邮发信赖,多次被评为中文核心期刊、中国科技核心期

刊、全国优秀科技期刊。—6

—