Adaptive Hysteresis Current Vector Control of Synchronous Servo Drives with Different Tolerance Areas

Control methods of hysteresis current vector control of permanent magnet synchronous servo drive fed by voltage source inverter are examined. Detailed description of the control methods in stationary reference frame with circle, square and hexagon shape tolerance area using adaptive solutions is presented. The theoretical considerations are supported by simulation results.

计及采样扰动抑制的电压源逆变器三矢量无模型预测电流控制方法

针对传统电压源逆变器无模型预测电流控制(model-free predictive current control,MFPCC)方法存在电流纹波大、电流梯度更新停滞以及预测性能易受采样扰动影响的问题。该文提出一种计及采样扰动的三矢量MFPCC方法。在一个控制周期应用3个基本矢量,并根据价值函数计算矢量作用时间,降低了输出电流纹波;其次,通过建立不同矢量作用下的电流梯度方程组,实现电流梯度数据的实时更新,消除了停滞现象;再次,分析采样扰动对MFPCC的影响,采用扩张状态观测器估计采样扰动以补偿预测电流控制,抑制其对输出电流的影响。最后,通过仿真和实验,对所提方法的有效性进行了验证。

船舶岸电变流器用构网型电流矢量控制

船舶岸电变流器作为靠港船舶新的供电电源,可极大地降低船舶靠港时船用同步发电机重质柴油燃烧所带来的NOx、SOx和柴油颗粒等污染物。为保证船舶供电的连续性,岸电侧与船电侧电源多采用预同步方式完成不断电切换,然而可能会因两侧电压非理想的相位差而诱发电流冲击,进而导致岸电与船电电源切换失败。因此,该文首先提出船舶岸电变流器用构网型电流矢量控制策略,其实施于锁相环确定的船电两相同步旋转坐标系中,可在无预同步的前提下完成岸电变流器无冲击自整步并入船电系统,同时通过幅频电压-矢量电流级联闭环完成对船舶岸电变流器输出电压幅值和频率的有效调控。然后,建立构网型电流矢量控制数学模型,并基于此分析控制带宽对控制系统相位稳定裕度、电压跟踪能力以及对负载电流的抗扰能力。最后,通过Satrsim MT 8020硬件在环测试,验证了所提构网型电流矢量控制策略的有效性。

低复杂度永磁同步电机三矢量固定开关频率模型预测电流控制策略

针对传统永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)三矢量模型预测电流控制(three-vector model predictive current control,TV-MPCC)存在开关频率不固定和计算复杂的问题,提出一种固定开关频率TV-MPCC策略。利用前一周期的零电压矢量和参考电压矢量所在扇区来快速筛选所需最优电压矢量和次优电压矢量,避免了无效枚举计算,从而降低了开关频率和计算复杂度。引入系统d和q轴电流差参数,计算各电压矢量的作用时间,确保电压矢量作用时间恒大于零和开关频率固定。以三相两电平电压型逆变器驱动的表贴式PMSM为被控对象,通过仿真和实验对传统TV-MPCC策略和所提三矢量固定开关频率模型预测电流控制策略进行对比研究,仿真和实验结果表明,所提策略在保证系统稳态和动态性能的基础上,在固定和降低开关频率的同时,降低了计算复杂度。

面向电流源型PWM整流器的双矢量模型预测直接功率控制

电流源型脉宽调制(Pulse width modulation,PWM)整流器因其网侧存在LC滤波器,系统的控制难度增加。传统直接功率控制策略下的整流器功率波形存在脉动,因模型预测控制具有卓越的动态特性以及直观的控制规律,采用模型预测直接功率控制(Model predictive direct power control,MPDPC)对传统控制策略进行改进。首先建立了三相PWM整流器的数学模型,给出了每个采样周期内的功率变化率,并推导出相邻采样周期之间的功率关系,然后给出基于单矢量的模型预测直接功率控制策略,提出了基于双矢量的模型预测直接功率控制策略,并优选出两个电流矢量,计算在一个采样周期内的作用时间,并对其进行修正。最后,在Matlab/Simulink仿真软件验证了所提控制策略的可行性和有效性。

基于扩张状态观测器的永磁直线同步电机改进模型预测电流控制

针对永磁直线同步电机(PMLSM)模型预测电流控制(MPCC)中存在的电流脉动过大、在线计算复杂的问题,提出一种基于扩张状态观测器(ESO)的改进MPCC策略。利用最优电压矢量相角和重新划分后的电压矢量扇区,改进第一电压矢量的选取方式,减小第二电压矢量选择范围,以实现电压矢量的快速选取,进而降低电流脉动。同时,为了提高PMLSM抗负载扰动能力,通过ESO对扰动进行观测,将观测到的扰动转换为电流进行补偿,提高系统的鲁棒性,且补偿电流可起到进一步减小电流脉动的作用。仿真结果表明,所提出的控制方法切实可行,与MPCC相比,基于ESO的改进MPCC系统具有更好的控制性能、更小的电流脉动和较强的鲁棒性能。

期望扇区三矢量模型预测电流控制

三矢量模型预测电流控制需要依次计算6扇区电压矢量的作用时间,再由价值函数选取期望电压矢量,存在计算量大的缺点。本文提出一种基于期望扇区的三矢量模型预测电流控制,以快速确定期望电压矢量。首先,建立d-q轴的三矢量电流模型,给出其三矢量作用时间;然后,令预测电流为期望电流,可以获得期望电压矢量,并利用Clark变换得到α-β轴的期望电压矢量;最后,利用反正切函数求得期望电压矢量角度,确定期望电压矢量所在的期望扇区,得到期望三矢量及其作用时间。仿真和实验表明,该方法能够保持很好的控制系统性能。同时,该方法只需一次计算期望电压矢量角度即可确定期望三矢量及其作用时间,比传统三矢量方法有效缩短了算法执行时间约60%。

基于虚拟电压矢量模型预测转矩的船舶推进电机控制研究

针对船舶电力推进系统中六相永磁同步电机所采用传统直接转矩控制技术(DTC)仅采用最外围电压大矢量,会产生较大谐波电流并导致转矩波动大的问题,提出基于虚拟电压矢量合成的模型预测转矩控制策略(V-MPTC),利用α-β子空间中同向的大矢量和中矢量与z_(1)-z_(2)子空间中反向的小矢量和中矢量恰好对应原理,通过适当地调节一个PWM周期内大矢量和中矢量的占空比,可以使z_(1)-z_(2)子空间中的合成电压矢量幅值为0,实现对电机谐波电流和转矩脉动的抑制。同时为了便于硬件系统实现,进行电压矢量中心化以及采取提前2步的预测方法。仿真结果表明,采用V-MPTC控制策略使系统响应速度有所提高,启动转速超调降低,转矩脉动从0.15 N·m降至0.04 N·m,谐波畸变率从68.92%降至10.85%,验证了该方法在船舶电力推进系统中可提高其控制性能。

基于FPGA的PMLSM三矢量模型预测电流控制IP核设计及硬件在环验证

为了提升永磁直线同步电机(PMLSM)电流控制的稳态性能和执行速度,同时降低资源消耗,基于现场可编程门阵列(FPGA)设计了一个三矢量模型预测电流控制(TV-MPCC)知识产权(IP)核,并利用FPGA在环可视化验证方法,建立了一个PMLSM的TV-MPCC IP核验证系统。通过Simulink对TV-MPCC策略进行算法级仿真,并优化了基本电压矢量的作用顺序;采用并行与资源共享硬件优化技术设计并封装了一个TV-MPCC IP核,并对其进行了功能仿真;将设计部署在FPGA芯片XC7Z020CLG400-2上,利用FPGA在环可视化验证平台进行实验研究。结果表明,TV-MPCC策略下d、q轴电流跟踪误差和电流脉动均降低90%以上;FPGA工作在100 MHz下,实现一次算法的时间为0.62μs,仅为软件PyCharm执行时间的0.414%。

基于神经网络的永磁同步电机模型预测电流控制

针对备选电压矢量有限导致永磁同步电机有限集模型预测电流控制性能较差及计算量较大的问题,提出基于神经网络的永磁同步电机模型预测电流控制。基于7个基本电压矢量和121个扩展电压矢量的永磁同步电机模型预测电流控制分别建立7分类和121分类神经网络。随着备选电压矢量的增加,模型预测电流控制性能提升,对应的神经网络控制性能也得到改善,但分类任务数也随之增加。对于多步模型预测控制,计算量随步长呈指数上升,但输出电压矢量不变。因此,基于两步模型预测电流控制建立7分类神经网络。仿真结果表明:以上神经网络控制均可行,性能与相对应的模型预测电流控制基本相当。实时性实验结果表明相较于单步模型预测电流控制,神经网络控制并不占优势,但相较于两步模型预测电流控制,神经网络实时性有明显优势,计算耗时减小29.58%,表明神经网络控制更适于多步模型预测电流控制。

永磁超环面电机优化三矢量模型预测电流控制

为提高传统预测电流控制下永磁超环面电机系统的稳态输出性能,研究了永磁超环面电机优化三矢量模型预测电流控制(OTV-MPCC)策略。基于永磁超环面电机的结构原理,在旋转坐标系下建立该电机具有时变参数的数学模型,分析结构参数对电机输出的影响。针对含有时变参数的永磁超环面电机系统,采用永磁超环面电机OTV-MPCC策略,在一个采样周期内作用3个电压矢量,同时通过遍历5种三矢量组合选取第二最优电压矢量,减少电流预测迭代。将永磁超环面电机OTV-MPCC策略与占空比模型预测电流控制(DR-MPCC)策略、双矢量模型预测电流控制(TV-MPCC)策略进行仿真对比,结果表明:OTV-MPCC策略可有效降低永磁超环面电机的电流与转矩脉动,提高稳态输出性能。

三相PWM整流器离散空间矢量无模型预测电流控制策略

针对PWM整流器模型预测控制对系数参数准确性高度依赖的问题,提出一种基于离散空间矢量的无模型预测电流控制(MFPCC)策略。该策略通过矢量合成,在每个控制周期应用两个基本矢量,提高了预测电流的准确性;通过峰谷采样,分别测量并存储上一控制周期两个基本矢量作用下的电流梯度;并建立电流梯度方程,从而根据应用矢量的电流梯度进一步更新剩余6个未应用矢量的电流梯度,结合当前时刻的电流采样值,实现未来时刻的电流预测,得到下一时刻最优的虚拟矢量。该方法不依赖于任何系统参数,且消除了传统MFPCC策略中电流梯度更新停滞现象,降低了输出电流谐波。最后,通过实验和仿真验证了所提方法的有效性和优越性。

Hybrid Control Strategy for Matrix Converter Fed Wind Energy Conversion System

In this paper, a hybrid control strategy for a matrix converter fed wind energy conversion system is presented. Since the wind speed may vary, output parameters like power, frequency and voltage may fluctuate. Hence it is necessary to design a system that regulates output parameters, such as voltage and frequency, and thereby provides a constant voltage and frequency output from the wind energy conversion system. Matrix converter is used in the proposed solution as the main power conditioner as a more efficient alternative when compared to traditional back-back converter structure. To control the output voltage, a vector modulation based refined control structure is used. A power tracker is included to maximize the mechanical output power of the turbine. Over current protection and clamp circuit input protection have been introduced to protect the system from over current. It reduces the spikes generated at the output of the converter. The designed system is capable of supplying an output voltage of constant frequency and amplitude within the expected ranges of input during the operation. The matrix converter control using direct modulation method, modified Venturini modulation method and vector modulation method was simulated, the results were compared and it was inferred that vector modulation method was superior to the other two methods. With the proposed technique, voltage transfer ratio and harmonic profile have been improved compared to the other two modulation techniques. The behaviour of the system is corroborated by MATLAB Simulink, and hardware is realized using an FPGA controller. Experimental results are found to be matching with the simulation results.

基于联合仿真的电励磁同步电机线性自抗扰控制

针对电励磁同步电机(EESM)在车用电机控制方向的研究,通过Maxwell设计EESM有限元模型,基于Simulink搭建电机控制系统模型。然后,根据凸极EESM的电机特性和电磁转矩分析,在控制系统中采用最大转矩电流比(MTPA)矢量控制方式在Simulink-Maxwell进行EESM控制系统的联合仿真验证。同时,控制系统电流环应用线性自抗扰控制(LADRC),基于电机已知参数在LADRC中设计模型辅助—扩张状态观测器(MA-LESO),以观测和消除系统扰动变量。仿真实验表明,采用MTPA矢量控制的电机在带载时转速波动降低,带载能力增强;在电流环中采用MA-LESO的LADRC控制器能使电机转速在稳态时波动更小,在带载时的抗干扰性能更强,电机运行过程相对稳定;电机负载转矩和定子电流在空载、负载时的波形更稳定,显著提升了电机运行性能。

永磁同步电机新型模型预测电流控制

为降低传统多矢量模型预测电流控制(MPCC)算法的计算量和复杂度,并保证良好的控制性能,提出了快速筛选第二电压矢量的新型多矢量MPCC算法。根据电流无差拍控制原则,通过直交轴电流差值定义直交轴电流判定因数,简化了第二电压矢量选择过程,减轻了控制芯片的计算量,并保持了低电流脉动的优势。在新型双矢量MPCC算法基础上,提出了结合直交轴电流判定因数和有效电压矢量表用以直接选择第二电压矢量的新型三矢量MPCC算法。实验结果表明,新型多矢量MPCC算法在保持传统多矢量MPCC算法控制性能的同时,新型双矢量MPCC算法的计算量减少33.96%,新型三矢量MPCC算法的计算量减少48.7%。

基于离散空间矢量调制的永磁同步电机无参数预测电流控制

针对传统电流梯度更新的无参数预测电流控制(parameter-free predictive current control,PFPCC)存在电流梯度更新停滞及电流脉动大的问题,提出一种基于离散空间矢量调制(discrete space vector modulation,DSVM)的PFPCC优化方法。首先,通过分析不同电压矢量在α-β轴上的电流梯度关系,得到相邻两个控制周期内各电压矢量与电流梯度的数学关系;然后,在一个控制周期内更新所有电压矢量的电流梯度,有效减小了传统PFPCC中的停滞效应。为了进一步减小电流脉动,将DSVM引入到所提方法中。结合DSVM选矢量的方式,以较小计算量即可将所有的电流梯度更新,从而保证电流预测的可靠性和准确性。实验结果表明:所提PFPCC方法与基于模型的预测电流控制相比,具有类似的动静态性能。与单矢量PFPCC相比,DSVM-PFPCC方法在保证动静态性能的同时,能够显著减小电流脉动,提高在实际系统中的控制性能。

直驱型机电作动器建模与动态特性分析

机电作动器作为飞行控制系统的关键执行机构,其性能对系统输出动态响应具有重要影响.根据直驱型机电作动器的结构组成,建立包含永磁同步电机控制和行星滚柱丝杠非线性因素的系统仿真模型.研究了“i_(d)=0”电流矢量控制下的系统阶跃响应,结果表明:基于永磁同步电机三闭环伺服控制策略的系统在不同位置阶跃信号指令下均具有良好的动态性能.通过与文献的对比,表明该控制策略下的机电作动器仿真模型有效.

双三相永磁同步电机双平面SVPWM算法研究

提出一种双三相永磁同步电机(DT-PMSM)的双平面空间矢量脉宽调制(SVPWM)算法,基于矢量空间解耦(VSD)模型,通过矢量合成的方法,分别在α-β和z_(1)-z_(2)平面构建虚拟矢量,构建的虚拟矢量在另外一个子平面的电压矢量幅值为零,从而实现对α-β和z_(1)-z_(2)子平面参考电压矢量的独立控制,即可实现DT-PMSM双平面四维电流矢量控制,对六相逆变器死区效应等非线性因素进行补偿,与常用单平面四矢量SVPWM实现的二维电流矢量控制方法相比,明显降低了谐波电流。实验结果验证了所提算法的有效性和可行性。

IF-ZVVCD与SMO的PMSM无位置传感器全速域复合控制

针对永磁同步电机(PMSM)全速域无位置传感器控制中,零低速阶段的高频注入法会引起转矩脉动、噪声等问题,提出一种IF控制结合零电压矢量电流微分法(ZVVCD)实现电机零低速运行,并与改进滑模观测器法复合达到全速域无位置传感器控制目标。在零低速阶段,IF控制法启动电机并在低速切换为ZVVCD,减小转速波动,提高控制精度;在中高速阶段,利用连续光滑的Sigmoid函数及扩展卡尔曼滤波器改进滑模观测器,减少系统抖振,提高转速稳定性;在转速过渡阶段,设计斜率可调的加权切换函数实现零低速与中高速控制方法的平滑切换。实验结果表明:所提复合控制策略能够实现PMSM全速域无位置传感器控制,消除转矩脉动,转子转速与位置信息辨识准确,系统动态响应快、稳态性能好。

基于新型虚拟矢量调制方法的IPMSM模型预测电流控制方法

模型预测控制方法已经被广泛应用于内置式永磁同步电机(IPMSM)的控制之中,传统模型预测控制方法由于候选电压矢量数量有限,在电机运行过程中会产生较大的电流和转矩谐波。为了增加候选电压矢量数量,提出了构建虚拟电压矢量的方法。但是在应用虚拟矢量调制方法时,系统计算的负担会随虚拟矢量数量的增加而增加,因此控制效果会受到系统计算能力的限制。针对此问题,该文提出了一种新型的虚拟电压矢量调制方法,首先将电压扇区进行细分来增加虚拟电压矢量的数量,然后通过对指令电压矢量坐标进行标幺化处理的方法求得其角度,最后从基础和虚拟电压矢量之中由角度搜索选出最优电压矢量。在该方法中,系统的计算量大小与虚拟电压矢量的数量无关,因此可以在不增加系统计算负担的情况下提升系统的控制性能。实验结果表明,与虚拟矢量数量受到限制的虚拟矢量预测控制方法相比,该方法有效减少了三相电流谐波含量,并且减少了控制算法的执行时间。