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永磁同步电机模型预测控制策略研究

刘莹  
【摘要】:模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)应用于高性能的永磁同步电机(Permanent-Magnet Synchronous Machine,PMSM)控制系统能够处理带约束的多目标优化,同时提供高速动态响应能力和优异的稳态性能,是一种高级控制技术。但是,传统MPC方案对系统模型敏感,在参数失配、畸变电流以及死区效应等干扰存在时,其预测精度和优化性能将受到影响,导致系统动态、稳态性能恶化,甚至发生运行故障。本文针对基于MPC的PMSM控制系统存在的上述问题,分别从改善系统稳态控制精度、提高抗干扰能力以及增强系统参数鲁棒性等方面展开MPC控制策略研究。首先,给出了基于MPC的PMSM控制系统建模、求解方法,以及两步预测的补偿方案以解决MPC控制延时的问题。针对单矢量MPC以及占空比方案稳态性能较差的问题,提出了基于最优二矢量组合脉宽调制(Pulse Width Modulation,PWM)优化策略的MPC算法。新算法同时考虑所有二矢量组合与作用时间的影响,构造待选二矢量组合集合进行全局优化以减小合成矢量与参考矢量之间的误差;给出等效转换、扇区变换相结合的简化方案将待优化目标转化为两相静止坐标系中指定扇区的电压矢量,将待选二矢量组合集合转换为固定的五条线段,从而有效减小了计算量。在此基础上,给出了所提出算法的离线优化方案,将部分计算转化到离线进行,从而进一步减小了实时计算量。然后,针对电流模型的定子磁链算法严重依赖PMSM参数的问题,提出了基于电压模型的矢量变换与信号滤波的磁链算法以增强MPC预测、优化的参数鲁棒性。给出了所提出的磁链算法的原理,设计了基于低通滤波器和带通滤波器的矢量变换磁链算法,进而提出优化方案得到优化的磁链算法。在此基础上,对优化的磁链算法的结构进行简化以减小计算量和占用的资源,基于傅里叶分析法研究了滤波器截止频率对系统控制的影响并给出了推荐的参数组合。由于系统的外部干扰如PMSM参数失配、电流畸变和死区效应等导致MPC产生预测误差,使得系统控制性能恶化,本文分析指出MPC中干扰体现为一系列的谐波分量,研究了传统重复控制器抑制谐波干扰的原理并指出存在直流偏置影响跟踪性能的问题。提出了基于简化重复控制的预测补偿算法抑制MPC中的谐波干扰,其结构简单,动态响应速度比传统重复控制器快,并且避免了直流偏置对谐波跟踪性能的影响。设计了一阶、二阶谐振单元并联的两级简化重复控制算法;给出了量化误差对该算法相位的影响并设计了补偿模块以校正相位畸变并保证系统的稳定;验证了注入畸变电流和参数失配时所提出算法增强的动态性能和谐波抑制性能。进一步地,针对速度环PID控制性能较差限制了 MPC系统的整体性能的问题,提出了将MPC预测、优化技术与反步控制法结合的算法以改善系统速度、电流调节性能。设计了基于预测误差的扰动观测器以及基于扰动观测的反步控制算法的速度控制器。提出反步控制与MPC相结合的方案,论证了基于该方案的系统稳定性,给出了目标电压矢量的求解方法并详细说明了系统计算流程。新算法扩大了原反步控制系统的稳定域范围,借助MPC对反步控制的虚拟目标进行调整,显著提升了电流控制性能。最后,本文分别从PMSM控制系统的动态性能、稳态精度和参数鲁棒性等方面对所提出的最优二矢量组合MPC、基于优化的磁链算法的MPC、简化重复控制器的MPC以及反步控制与MPC结合的四种方案的有效性进行了仿真验证。在此基础上,设计了基于MPC的PMSM控制系统的实验平台,分别对上述MPC方案进行实验验证并给出了相应的实验结果和可行性、有效性结论。


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