本發(fā)明設計涉及無人機電壓矢量擴展，尤其涉及一種基于電壓矢量擴展的永磁同步電機模型預測控制方法。

背景技術：

1、永磁同步電機(pmsm)作為一種高效、穩(wěn)定的電機類型，廣泛應用于無人機、電動汽車、風力發(fā)電等領域。永磁同步電機的控制性能直接影響到這些應用的效率、穩(wěn)定性及續(xù)航能力。因此，如何優(yōu)化永磁同步電機的電壓矢量擴展等級，尤其是在無人機系統(tǒng)中的應用，已成為研究的重點。

2、傳統(tǒng)的永磁同步電機模型預測控制方法通常在實際應用中存在一定的局限性，尤其是在電壓矢量擴展等級優(yōu)化方面。傳統(tǒng)的電機模型預測控制大多依賴于固定的電壓矢量等級，這限制了其在高動態(tài)性能需求和復雜環(huán)境下的適應性。在無人機的電機控制中，電磁轉矩、動態(tài)響應時間和續(xù)航能力等參數之間的相互影響也沒有得到充分的研究。傳統(tǒng)方法未能有效結合這些參數的變化，導致電機在實際應用中無法充分發(fā)揮其性能，尤其是在復雜環(huán)境下，可能存在效率低下、響應遲緩等問題。現有技術尚未充分考慮如何通過動態(tài)調整電壓矢量擴展等級來優(yōu)化電機的動態(tài)響應時間、轉矩脈動幅度以及續(xù)航能力。

技術實現思路

1、針對現有技術中的不足，本發(fā)明提供了一種基于電壓矢量擴展的永磁同步電機模型預測控制方法，以解決現有技術中采用固定的電壓矢量等級導致的適應性低，效率低下、響應遲緩等的技術問題。

2、本發(fā)明提供了一種基于電壓矢量擴展的永磁同步電機模型預測控制方法，包括如下步驟：

3、步驟1：獲取永磁同步電機各項運行參數；

4、步驟2：根據步驟1中獲取的dq軸定子電流、dq軸電感、極對數以及永磁磁鏈，計算電磁轉矩值、轉矩脈動幅系數；

5、步驟3：通過電磁轉矩值計算動態(tài)響應時間系數，并根據動態(tài)響應時間系數獲取與動態(tài)響應時間匹配的第一電壓矢量擴展等級；

6、步驟4：根據轉矩脈動幅系數獲取與轉矩脈動幅匹配的第二電壓矢量擴展等級；

7、步驟5：通過電磁轉矩值計算永磁同步電機續(xù)航系數，并根據永磁同步電機續(xù)航系數獲取與永磁同步電機續(xù)航匹配的第三電壓矢量擴展等級；

8、步驟6：從獲得的三個電壓矢量擴展等級中獲取最優(yōu)的電壓矢量擴展等級，永磁同步電機模型通過最優(yōu)的電壓矢量擴展等級進行控制方法預測。

9、進一步地，所述步驟2中，計算電磁轉矩值的具體公式為：

10、

11、式中，p為極對數；f為永磁磁鏈；id、iq為dq軸定子電流；ld、lq為dq軸電感。

12、進一步地，所述步驟2中，計算轉矩脈動幅系數的具體公式為：

13、

14、式中，p為極對數；f為永磁磁鏈；id、iq為dq軸定子電流；ld、lq為dq軸電感；n為初始電壓矢量擴展等級。

15、進一步地，所述步驟3中，通過電磁轉矩值計算動態(tài)響應時間系數的具體公式為：

16、

17、式中，j為轉子慣量；b為阻尼系數；wr為電機轉速；te為電磁轉矩值；n為初始電壓矢量擴展等級；wrm為目標電機轉速。

18、進一步地，所述步驟3中，獲取第一電壓矢量擴展等級的具體方法為：

19、設置第一閾值，

20、當動態(tài)響應時間系數小于第一閾值的最小值時，通過空間矢量調制生成更多電壓矢量，重新計算動態(tài)響應時間系數，返回步驟3；

21、當動態(tài)響應時間系數大于第一閾值的最大值時，調整阻尼系數b的值，，重新計算動態(tài)響應時間系數，返回步驟3；

22、當動態(tài)響應時間系數處于第一閾值范圍內時，將當前的電壓矢量擴展等級作為第一電壓矢量擴展等級。

23、進一步地，所述步驟4中，獲取第二電壓矢量擴展等級的具體方法為：

24、設置第二閾值，

25、當轉矩脈動幅系數小于第二閾值的最小值時，通過空間矢量調制生成更多電壓矢量，重新計算轉矩脈動幅系數，返回步驟4；

26、當轉矩脈動幅系數大于第二閾值的最大值時，減少電壓矢量，重新計算轉矩脈動幅系數，返回步驟4；

27、當轉矩脈動幅系數處于第二閾值的范圍內時，將當前的電壓矢量擴展等級作為第二電壓矢量擴展等級。

28、進一步地，所述步驟5中，通過電磁轉矩值計算永磁同步電機續(xù)航系數的具體公式為：

29、

30、式中，te為電磁轉矩值；wr為電機轉速；lo為損耗系數；eb為無人機電池電量；id、iq為dq軸定子電流；n為初始電壓矢量擴展等級。

31、進一步地，所述步驟5中，獲取第三電壓矢量擴展等級的具體方法為：

32、設置第三閾值，

33、當永磁同步電機續(xù)航系數小于第三閾值的最小值時，通過空間矢量調制生成更多電壓矢量，重新計算永磁同步電機續(xù)航系數，返回步驟5；

34、當永磁同步電機續(xù)航系數大于第三閾值的最大值時，減少電壓矢量，重新計算永磁同步電機續(xù)航系數，返回步驟5；

35、當永磁同步電機續(xù)航系數處于第三閾值的范圍內時，將當前的電壓矢量擴展等級作為第三電壓矢量擴展等級。

36、進一步地，所述步驟6中，獲取最優(yōu)的電壓矢量擴展等級的計算公式為：

37、nzy＝w1*n1+w2*n2+w3*n3

38、式中，w1、w2以及w3為權重，0<w1<1，0<w2<1，0<w3<1，w1+w2+w3＝1；n1、n2以及n3分別為第一電壓矢量擴展等級、第二電壓矢量擴展等級以及第三電壓矢量擴展等級。

39、本發(fā)明的有益效果：

40、本發(fā)明通過優(yōu)化動態(tài)響應時間系數，動態(tài)調整第一電壓矢量擴展等，有效降低電機的響應延遲，顯著提升無人機永磁同步電機的動態(tài)響應性能，滿足復雜環(huán)境下的高動態(tài)需求。

41、本發(fā)明通過分析第二電壓矢量擴展等級對轉矩脈動幅系數的影響，并結合優(yōu)化策略，減少轉矩脈動幅度，從而提高電機運行的穩(wěn)定性，避免機械振動和能量損失。

42、本發(fā)明通過優(yōu)化續(xù)航系數，動態(tài)調整第三電壓矢量等級，使電機在不同工作狀態(tài)下實現能量分配的最優(yōu)，顯著提升無人機的續(xù)航能力，特別適用于長時間飛行任務。

43、本發(fā)明通過結合動態(tài)響應時間、轉矩脈動幅度和續(xù)航能力三方面的優(yōu)化分析，綜合生成最優(yōu)的矢量擴展等級，顯著提高永磁同步電機在復雜多變環(huán)境中的適應能力。

技術特征：

1.一種基于電壓矢量擴展的永磁同步電機模型預測控制方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.如權利要求1所述的基于電壓矢量擴展的永磁同步電機模型預測控制方法，其特征在于，所述步驟2中，計算電磁轉矩值的具體公式為：

3.如權利要求1或2所述的基于電壓矢量擴展的永磁同步電機模型預測控制方法，其特征在于，所述步驟2中，計算轉矩脈動幅系數的具體公式為：

4.如權利要求1或2所述的基于電壓矢量擴展的永磁同步電機模型預測控制方法，其特征在于，所述步驟3中，通過電磁轉矩值計算動態(tài)響應時間系數的具體公式為：

5.如權利要求1或3所述的基于電壓矢量擴展的永磁同步電機模型預測控制方法，其特征在于，所述步驟3中，獲取第一電壓矢量擴展等級的具體方法為：

6.如權利要求1所述的基于電壓矢量擴展的永磁同步電機模型預測控制方法，其特征在于，所述步驟4中，獲取第二電壓矢量擴展等級的具體方法為：

7.如權利要求1或2所述的基于電壓矢量擴展的永磁同步電機模型預測控制方法，其特征在于，所述步驟5中，通過電磁轉矩值計算永磁同步電機續(xù)航系數的具體公式為：

8.如權利要求1或7所述的基于電壓矢量擴展的永磁同步電機模型預測控制方法，其特征在于，所述步驟5中，獲取第三電壓矢量擴展等級的具體方法為：

9.如權利要求1所述的基于電壓矢量擴展的永磁同步電機模型預測控制方法，其特征在于，所述步驟6中，獲取最優(yōu)的電壓矢量擴展等級的計算公式為：

技術總結
本發(fā)明公開了一種基于電壓矢量擴展的永磁同步電機模型預測控制方法，包括如下步驟：獲取的dq軸定子電流、dq軸電感、極對數以及永磁磁鏈，計算電磁轉矩值、轉矩脈動幅系數；通過電磁轉矩值計算動態(tài)響應時間系數，并根據動態(tài)響應時間系數獲取與動態(tài)響應時間匹配的第一電壓矢量擴展等級；根據轉矩脈動幅系數獲取與轉矩脈動幅匹配的第二電壓矢量擴展等級；通過電磁轉矩值計算永磁同步電機續(xù)航系數，并根據永磁同步電機續(xù)航系數獲取與永磁同步電機續(xù)航匹配的第三電壓矢量擴展等級；從獲得的三個電壓矢量擴展等級中獲取最優(yōu)的電壓矢量擴展等級。本發(fā)明有效降低電機的響應延遲，顯著提升無人機永磁同步電機的動態(tài)響應性能，滿足復雜環(huán)境下的高動態(tài)需求。

技術研發(fā)人員：笪祥瑞,魏海峰,張懿,王浩陳,智鵬飛,朱琬璐,崔佳,莊肖波
受保護的技術使用者：江蘇科技大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/5/15