预测误差驱动的永磁同步电机有限集模型预测控制

发布时间：2020-05-21 03:02

【摘要】：有限集模型预测控制(finite-control-set model predictive control,FCS-MPC)是永磁同步电机(permanent magnet synchronous machine,PMSM)控制的一种新方法,具有设计直观、响应快速、无需调制器、易于实现多目标协同和非线性控制等优点,然而其控制性能依赖于系统模型的准确性,在模型失配时性能下降。同时,当今电机系统对成本、效率、可靠性等要求不断提高,在越来越多场合需要参数辨识和无位置传感器运行,然而对FCS-MPC在PMSM控制中的大部分研究尚停留在电流和转矩指令的跟随上,对参数、位置进行估计时往往与有调制器的传统方法直接组合,这样一方面没有充分发挥FCS-MPC的优点,另一方面无调制器控制造成组合策略实现困难或者达不到原有的性能,此外还进一步凸显运算量上的劣势。对此,本文提出了一种预测误差驱动的有限集模型预测控制策略(prediction-error-driven FCS-MPC,简称 PED-MPC),通过自适应解决 FCS-MPC 依赖精确模型的问题。然后,基于PED-MPC解决PMSM不同应用场景下的控制问题——参数未知或时变场合的自适应抗扰电流控制,用于提高运行效率的参数辨识,以及无位置传感器控制,由此形成PED-MPC在PMSM控制中的方法体系:一、对于FCS-MPC参数失配时性能下降的问题,提出预测误差驱动的抗扰模型预测控制(D-MPC)和无参数模型预测控制(N-MPC)两种解决方案。D-MPC将所有模型误差折合为总电压扰动进行整体稳态补偿,通过消除平均预测误差来降低控制误差;N-MPC以集总参数模型替代传统电压模型,无需了解实际电机参数即可实现接近精确参数下FCS-MPC的电流控制性能。二、提出基于PED-MPC的PMSM二参数和三参数辨识法,对电感和永磁体磁链进行在线估计,使最大转矩电流比和弱磁控制模型得到优化,提高了 PMSM运行效率以及相同电压电流限幅下的最大速度。同时提出的离散开关控制下的死区补偿和旋转变换延时补偿策略,有效提高了辨识精度。三、针对FCS-MPC无调制器离散开关直接控制的特点,对参数已知和未知场合分别提出相应的PMSM全速度范围无位置传感器控制策略。对于参数已知场合,提出了分别基于d轴和q轴电流预测误差的d-PED法和q-PED法,分别从反电势激励和离散开关控制固有激励中提取信息驱动位置估计,两者组合实现了包括零速在内的全速度范围位置估计,与有调制器的传统方法相比,达到相同精度所需注入信号少、电流纹波和噪声小、抗扰能力强、无需复杂滤波器设计。对于参数未知场合,在q-PED基础上进一步提出q-NPED法,实现了无需参数且无需高低速方法切换的全速度范围位置估计。与传统预测控制策略不同,各PED-MPC方法利用模型信息进行预测和控制决策,并利用预测误差驱动模型更新,实现控制和模型辨识过程的有机结合。在模型更新过程中,PED-MPC能借助离散开关控制为辨识和估计过程提供有效激励,无需额外注入而保证辨识精度。通过理论分析、仿真和硬件实验分别对各PED-MPC方法进行了分析和验证,并设计了对照实验与传统方法以及其他文献中的典型方法进行比较,实验结果论证了方法的有效性、特点和优势。
【图文】：

示意图,受控变量,参考值,示意图

一评估的方法实现优化控制：首先根据系统模型预测有限控制集合中每个控制量（或控制逡逑量的组合）在未来一个或多个控制周期作用下受控变量的变化，然后根据反映控制目标的逡逑代价函数计算出最优的一个（或一组）控制量，作用于下一控制周期。图１．１为ＦＣＳ－ＭＰＣ逡逑原理示意图，控制目标为使受控变量ｘ跟踪参考值／，对ＪＣ可施加的控制全集为丨控制１，控逡逑制２，控制３｝。每个采样时刻均预测每种控制动作下；ｃ的变化，选出能使｜；ｒ－／｜取最小值的控逡逑制量作为下一周期实际控制输出，，从而实现了目标跟踪。逡逑Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逡逑Ｍ邋－－－－－参考值，逡逑＋邋Ｘ实际轨迹逦Ｌ逦逡逑采用非最优控制量逦＾逡逑Ｉ逦Ｉ逦重逡逑ｋ－１逦ｋ逦ｋ＋１逦？？？逡逑控制周期逡逑图１．１邋ＦＣＳ－ＭＰＣ受控变量跟踪参考值控制示意图逡逑ＦＣＳ－ＭＰＣ在电力电子和电力传动领域各种控制方法中所处的分类如图１．２所示。相比逡逑其他控制方法，ＦＣＳ－ＭＰＣ具有概念简单直观［３（）］、容易实现非线性目标及多目标协同［３９］、逡逑动态性能好［４＜３］等优点。而ＦＣＳ－ＭＰＣ区别于其他预测控制的主要特点是，其控制集合的元逡逑素为有限个，即控制输出只能为有限种，例如，三相两电平逆变器允许有８种电压矢量，逡逑ＦＣＳ－ＭＰＣ对应的控制输出就只有８种开关组合

剖面图,定转子,结构示意图,永磁体

逑第２章ＦＣＳ－ＭＰＣ基本方法及其在ＰＭＳＭ控制中的应用逡逑ＰＭＳＭ变频调速系统中，常用电压源型逆变器给电机供电。其中如图２．１的三相两电平逡逑结构是最基础也是应用最广泛的一种。由于其具有典型性，本文均以图２．１拓扑结构的电逡逑机驱动系统为研究对象。本章从ＰＭＳＭ和逆变器的数学模型入手，介绍和分析ＦＣＳ－ＭＰＣ逡逑的基本算法，并设计比较实验，与普遍采用的两种经典控制器——ＰＩ控制器和滞环控制器逡逑进行对比研究，以体现ＦＣＳ－ＭＰＣ控制的特点，并作为后续章节的理论基础。逡逑Ｉ逦Ｉ逦ＰＭＳＭ逡逑一二？」逡逑逆变器逡逑图２．１三相两电平逆变器与ＰＭＳＭ逡逑２．１邋ＰＭＳＭ的数学模型逡逑ＰＭＳＭ主要由三相定子绕组、转子永磁体和转子铁芯组成。根据转子永磁体安装方式逡逑不同，可以分为永磁体表贴式的ＳＰＭＳＭ和内置式的ＩＰＭＳＭ，其剖面图如图２．２。逡逑（ａ）永磁体表贴式的ＳＰＭＳＭ逦（ｂ）永磁体内置式的ＩＰＭＳＭ逡逑图２．邋２邋ＰＭＳＭ定转子结构示意图逡逑ＰＭＳＭ通过定子电流产生的磁场和转子永磁体磁场的相互作用产生力矩，因此对逡逑ＰＭＳＭ的运动控制，实际上就是对定子电流进行控制，通常采用定子端电压对其进行控制。逡逑１３逡逑
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM341

【参考文献】