發(fā)布時(shí)間：2020-05-21 03:02

【摘要】：有限集模型預(yù)測(cè)控制(finite-control-set model predictive control,FCS-MPC)是永磁同步電機(jī)(permanent magnet synchronous machine,PMSM)控制的一種新方法,具有設(shè)計(jì)直觀、響應(yīng)快速、無(wú)需調(diào)制器、易于實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)協(xié)同和非線性控制等優(yōu)點(diǎn),然而其控制性能依賴于系統(tǒng)模型的準(zhǔn)確性,在模型失配時(shí)性能下降。同時(shí),當(dāng)今電機(jī)系統(tǒng)對(duì)成本、效率、可靠性等要求不斷提高,在越來(lái)越多場(chǎng)合需要參數(shù)辨識(shí)和無(wú)位置傳感器運(yùn)行,然而對(duì)FCS-MPC在PMSM控制中的大部分研究尚停留在電流和轉(zhuǎn)矩指令的跟隨上,對(duì)參數(shù)、位置進(jìn)行估計(jì)時(shí)往往與有調(diào)制器的傳統(tǒng)方法直接組合,這樣一方面沒有充分發(fā)揮FCS-MPC的優(yōu)點(diǎn),另一方面無(wú)調(diào)制器控制造成組合策略實(shí)現(xiàn)困難或者達(dá)不到原有的性能,此外還進(jìn)一步凸顯運(yùn)算量上的劣勢(shì)。對(duì)此,本文提出了一種預(yù)測(cè)誤差驅(qū)動(dòng)的有限集模型預(yù)測(cè)控制策略(prediction-error-driven FCS-MPC,簡(jiǎn)稱 PED-MPC),通過(guò)自適應(yīng)解決 FCS-MPC 依賴精確模型的問(wèn)題。然后,基于PED-MPC解決PMSM不同應(yīng)用場(chǎng)景下的控制問(wèn)題——參數(shù)未知或時(shí)變場(chǎng)合的自適應(yīng)抗擾電流控制,用于提高運(yùn)行效率的參數(shù)辨識(shí),以及無(wú)位置傳感器控制,由此形成PED-MPC在PMSM控制中的方法體系:一、對(duì)于FCS-MPC參數(shù)失配時(shí)性能下降的問(wèn)題,提出預(yù)測(cè)誤差驅(qū)動(dòng)的抗擾模型預(yù)測(cè)控制(D-MPC)和無(wú)參數(shù)模型預(yù)測(cè)控制(N-MPC)兩種解決方案。D-MPC將所有模型誤差折合為總電壓擾動(dòng)進(jìn)行整體穩(wěn)態(tài)補(bǔ)償,通過(guò)消除平均預(yù)測(cè)誤差來(lái)降低控制誤差;N-MPC以集總參數(shù)模型替代傳統(tǒng)電壓模型,無(wú)需了解實(shí)際電機(jī)參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)接近精確參數(shù)下FCS-MPC的電流控制性能。二、提出基于PED-MPC的PMSM二參數(shù)和三參數(shù)辨識(shí)法,對(duì)電感和永磁體磁鏈進(jìn)行在線估計(jì),使最大轉(zhuǎn)矩電流比和弱磁控制模型得到優(yōu)化,提高了 PMSM運(yùn)行效率以及相同電壓電流限幅下的最大速度。同時(shí)提出的離散開關(guān)控制下的死區(qū)補(bǔ)償和旋轉(zhuǎn)變換延時(shí)補(bǔ)償策略,有效提高了辨識(shí)精度。三、針對(duì)FCS-MPC無(wú)調(diào)制器離散開關(guān)直接控制的特點(diǎn),對(duì)參數(shù)已知和未知場(chǎng)合分別提出相應(yīng)的PMSM全速度范圍無(wú)位置傳感器控制策略。對(duì)于參數(shù)已知場(chǎng)合,提出了分別基于d軸和q軸電流預(yù)測(cè)誤差的d-PED法和q-PED法,分別從反電勢(shì)激勵(lì)和離散開關(guān)控制固有激勵(lì)中提取信息驅(qū)動(dòng)位置估計(jì),兩者組合實(shí)現(xiàn)了包括零速在內(nèi)的全速度范圍位置估計(jì),與有調(diào)制器的傳統(tǒng)方法相比,達(dá)到相同精度所需注入信號(hào)少、電流紋波和噪聲小、抗擾能力強(qiáng)、無(wú)需復(fù)雜濾波器設(shè)計(jì)。對(duì)于參數(shù)未知場(chǎng)合,在q-PED基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出q-NPED法,實(shí)現(xiàn)了無(wú)需參數(shù)且無(wú)需高低速方法切換的全速度范圍位置估計(jì)。與傳統(tǒng)預(yù)測(cè)控制策略不同,各PED-MPC方法利用模型信息進(jìn)行預(yù)測(cè)和控制決策,并利用預(yù)測(cè)誤差驅(qū)動(dòng)模型更新,實(shí)現(xiàn)控制和模型辨識(shí)過(guò)程的有機(jī)結(jié)合。在模型更新過(guò)程中,PED-MPC能借助離散開關(guān)控制為辨識(shí)和估計(jì)過(guò)程提供有效激勵(lì),無(wú)需額外注入而保證辨識(shí)精度。通過(guò)理論分析、仿真和硬件實(shí)驗(yàn)分別對(duì)各PED-MPC方法進(jìn)行了分析和驗(yàn)證,并設(shè)計(jì)了對(duì)照實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)方法以及其他文獻(xiàn)中的典型方法進(jìn)行比較,實(shí)驗(yàn)結(jié)果論證了方法的有效性、特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。
【圖文】：

一評(píng)估的方法實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制：首先根據(jù)系統(tǒng)模型預(yù)測(cè)有限控制集合中每個(gè)控制量（或控制逡逑量的組合）在未來(lái)一個(gè)或多個(gè)控制周期作用下受控變量的變化，然后根據(jù)反映控制目標(biāo)的逡逑代價(jià)函數(shù)計(jì)算出最優(yōu)的一個(gè)（或一組）控制量，作用于下一控制周期。圖１．１為ＦＣＳ－ＭＰＣ逡逑原理示意圖，控制目標(biāo)為使受控變量ｘ跟蹤參考值／，對(duì)ＪＣ可施加的控制全集為丨控制１，控逡逑制２，控制３｝。每個(gè)采樣時(shí)刻均預(yù)測(cè)每種控制動(dòng)作下；ｃ的變化，選出能使｜；ｒ－／｜取最小值的控逡逑制量作為下一周期實(shí)際控制輸出，，從而實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)跟蹤。逡逑Ｉ邐Ｉ邐Ｉ逡逑Ｍ邋－－－－－參考值，逡逑＋邋Ｘ實(shí)際軌跡邐Ｌ邐逡逑采用非最優(yōu)控制量邐＾逡逑Ｉ邐Ｉ邐重逡逑ｋ－１邐ｋ邐ｋ＋１邐？？？逡逑控制周期逡逑圖１．１邋ＦＣＳ－ＭＰＣ受控變量跟蹤參考值控制示意圖逡逑ＦＣＳ－ＭＰＣ在電力電子和電力傳動(dòng)領(lǐng)域各種控制方法中所處的分類如圖１．２所示。相比逡逑其他控制方法，ＦＣＳ－ＭＰＣ具有概念簡(jiǎn)單直觀［３（）］、容易實(shí)現(xiàn)非線性目標(biāo)及多目標(biāo)協(xié)同［３９］、逡逑動(dòng)態(tài)性能好［４＜３］等優(yōu)點(diǎn)。而ＦＣＳ－ＭＰＣ區(qū)別于其他預(yù)測(cè)控制的主要特點(diǎn)是，其控制集合的元逡逑素為有限個(gè)，即控制輸出只能為有限種，例如，三相兩電平逆變器允許有８種電壓矢量，逡逑ＦＣＳ－ＭＰＣ對(duì)應(yīng)的控制輸出就只有８種開關(guān)組合

逑第２章ＦＣＳ－ＭＰＣ基本方法及其在ＰＭＳＭ控制中的應(yīng)用逡逑ＰＭＳＭ變頻調(diào)速系統(tǒng)中，常用電壓源型逆變器給電機(jī)供電。其中如圖２．１的三相兩電平逡逑結(jié)構(gòu)是最基礎(chǔ)也是應(yīng)用最廣泛的一種。由于其具有典型性，本文均以圖２．１拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電逡逑機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)象。本章從ＰＭＳＭ和逆變器的數(shù)學(xué)模型入手，介紹和分析ＦＣＳ－ＭＰＣ逡逑的基本算法，并設(shè)計(jì)比較實(shí)驗(yàn)，與普遍采用的兩種經(jīng)典控制器——ＰＩ控制器和滯環(huán)控制器逡逑進(jìn)行對(duì)比研究，以體現(xiàn)ＦＣＳ－ＭＰＣ控制的特點(diǎn)，并作為后續(xù)章節(jié)的理論基礎(chǔ)。逡逑Ｉ邐Ｉ邐ＰＭＳＭ逡逑一二？」逡逑逆變器逡逑圖２．１三相兩電平逆變器與ＰＭＳＭ逡逑２．１邋ＰＭＳＭ的數(shù)學(xué)模型逡逑ＰＭＳＭ主要由三相定子繞組、轉(zhuǎn)子永磁體和轉(zhuǎn)子鐵芯組成。根據(jù)轉(zhuǎn)子永磁體安裝方式逡逑不同，可以分為永磁體表貼式的ＳＰＭＳＭ和內(nèi)置式的ＩＰＭＳＭ，其剖面圖如圖２．２。逡逑（ａ）永磁體表貼式的ＳＰＭＳＭ邐（ｂ）永磁體內(nèi)置式的ＩＰＭＳＭ逡逑圖２．邋２邋ＰＭＳＭ定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖逡逑ＰＭＳＭ通過(guò)定子電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子永磁體磁場(chǎng)的相互作用產(chǎn)生力矩，因此對(duì)逡逑ＰＭＳＭ的運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)際上就是對(duì)定子電流進(jìn)行控制，通常采用定子端電壓對(duì)其進(jìn)行控制。逡逑１３逡逑
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM341

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2673625