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ESO分数阶滑模调节的PMSM模型预测转矩控制

为了提高永磁同步电机调速系统的性能,提出一种基于扩张状态观测器的分数阶滑模预测转矩控制策略。采用扩张状态观测器对电机的综合扰动项、定子电流和反电动势进行实时观测,可快速准确得到它们的估计值并进行补偿;利用估计值构建分数阶滑模控制器来削弱系统抖振并提高鲁棒性;利用转矩和磁链无差拍预测控制,减少了遍历次数并降低了计算复杂度。通过仿真和半实物平台进行了验证,所得结果表明,所提出的方法能有效提升系统的鲁棒性,使电机具有良好的动态和静态性能。

模型预测转矩自抗扰控制下直驱永磁同步发电机最大追踪系统

为了更好地获取风能,构建了一种基于模型预测转矩自抗扰的最大功率追踪控制系统,用于直驱永磁同步发电机(permanent magnet synchronous generator,PMSG)来实现系统的最大输出功率追踪。为了提升PMSG响应性能,增强PMSG抗扰动性能,首先在电流环设计了模型预测转矩控制(model predictive torque control,MPTC),同时在速度环提出了一种参数补偿改进自抗扰控制(active disturbance rejection control,ADRC)策略,该方法继承了ADRC和MPTC的优点,可以很好地处理内部和外部干扰、建模误差和风速变化等不确定性问题,以实现在不同风速下最大功率追踪性能。从仿真结果可知当风速变化较小时所提控制策略转速静态误差几乎为0,传统MPTC控制策略误差为0.2 rad/s;当风速变化较大时所提控制策略转速静态误差较小,传统MPTC控制策略误差达到5 rad/s。研究结果表明所提出的控制方法在最大功率追踪较传统控制器具有更好的动态响应性能以及抗干扰性能。

基于无参数PMSM的自适应有限集模型预测控制

当永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)采用有限集模型预测控制(finite control set model predictive control,FCS-MPC)时,性能易受PMSM参数变化的影响,PMSM与控制器之间的参数不匹配会严重影响预测控制的性能。因此,该文提出一种基于无参数PMSM的自适应FCS-MPC控制策略,能够准确地实现预测控制而无需了解电机参数。针对PMSM多参数在线辨识时存在的欠秩问题,利用FCS-MPC固有的开关纹波能产生持续激励的特性,采用递推最小二乘法(recursive least squares,RLS)实现多参数辨识。此外,针对采用FCS-MPC时的逆变器死区时间补偿问题,提出一种考虑死区时间矢量的合成电压矢量输出方案,进一步提高预测控制性能。最后,通过实验验证了所提方法的有效性,实验结果表明,与基于模型的常规FCS-MPC解决方案相比,所提方法能减小预测误差,并且对参数变化和模型不确定性具有非常强的鲁棒性。

永磁同步电机新型有限集模型预测速度控制

为了保证传统有限集模型预测速度控制中速度采样频率和控制周期一致,使用预测-校正方法进行反馈速度的测量,并结合卡尔曼滤波器进行负载观测,根据控制周期合理安排速度和负载观测的时序。针对传统有限集模型预测速度控制的稳态误差和较大转矩脉动问题,提出一种比例-积分-微分型代价函数,其中积分项用于消除稳态误差,微分项用于抑制转矩脉动。仿真和实验结果表明,所提出的新型有限集模型预测速度控制方法和传统有限集模型预测速度控制方法相比,在稳态时具有更小的稳态误差和转矩脉动,相电流总谐波失真(THD)从65.35%减小到了21.54%;和传统有限集模型预测电流控制方法相比,在起动、加减速和负载突变时的响应速度均加快了0.2~0.5 s,具有更快的动态响应。

价值函数级联的PMSM双矢量模型预测转矩控制

针对永磁同步电机有限集模型预测转矩控制(FCS-MPTC)存在的权重因子难以确定,电磁转矩和磁链波动较大的问题,提出了一种价值函数级联的双矢量模型预测转矩控制策略。首先,根据基本电压矢量对电磁转矩的作用效果,将电压矢量分为两类,并设计了一种新的双矢量组合规则;其次,为了保证所选的双矢量组合在控制过程中能有效抑制转矩和磁链的波动,将其波动程度纳入到价值函数的寻优计算中,并通过构建级联结构消除转矩与磁链之间的权重因子;最后,在MATLAB/Simulink中搭建模型进行仿真,仿真结果表明所提控制策略在无权重因子参与的情况下能有效降低电磁转矩和磁链的波动。

三端口柔性多状态开关有限集模型预测控制

柔性多状态开关(SOP)作为一种新型电力电子装置,可提升配电网运行的灵活性与稳定性。SOP通常采用双闭环控制策略,对于三端口SOP而言共需12个PI调节器,控制结构复杂。因此,本文提出一种基于有限集模型预测控制(FCS-MPC)的三端口SOP的内环电流控制方案。该方案无需PI调节器整定且控制灵活,易于实现。建立了三端口SOP的数学模型,分析其工作原理;接着分析了FCS-MPC和双闭环控制的工作原理;在稳态运行条件和动态运行条件下,用Matlab/Simulink对基于FCS-MPC的SOP的运行情况进行仿真,对比分析了双闭环控制和FCS-MPC时的负载电流响应速度。结果表明:FCS-MPC在电流波动时具有更快响应速度,在稳态时具有更好的稳定性和抗干扰性,验证了所提方案的优越性及有效性。

神朔铁路万吨重载列车涌动有限集预测控制研究

神朔铁路是我国重要的重载货运线路,重载列车运行环境恶劣,操纵困难,列车涌动严重影响运行平稳性和行车安全。针对神朔铁路行车过程中的涌动问题,文章分析了重载列车涌动发生时的信号特征,搭建了基于弹性阻尼车钩的列车多质点动力学模型,通过仿真分析了重载列车无涌动和有涌动时的运行状态,针对重载列车的涌动问题提出了一种有限集预测控制方法,仿真验证了该预测控制能够减小列车涌动时的速度波动和最大车钩力。

无差拍优化五相永磁同步电机有限集模型预测转矩控制算法

多相永磁同步电机驱动系统在低压大功率、高可靠性的应用场合日受青睐和瞩目。首先研究了适用于五相永磁同步电机系统的传统有限集模型预测转矩控制(finite-control-set model predictive torque control,FCS-MPTC)算法,为了消除d3-q3谐波子空间的低次电流谐波,构造了包含谐波项的目标函数。然后,为了减小FCS-MPTC算法实现时带来的巨大计算量,提出了一种基于转矩与磁链无差拍估算的每个控制周期内电压矢量控制集优化方法。所提算法不仅保持了传统FCS-MPTC算法优越的稳态性能、快速的动态响应和低次电流谐波抑制能力,同时显著减少了数字实现的运算量。最后,将所提算法分别与两种传统FCS-MPTC算法进行半实物实验对比分析,验证了所提算法的正确性和有效性。

两电机转矩同步系统有限集模型预测控制

首先分析了基于转矩跟随结构的两电机转矩同步控制系统,针对传统结构中同步误差开环控制的问题,通过推导同步误差变化率的影响因素,提出了一种基于统一预测模型的两电机转矩同步有限集模型预测控制策略。通过对两电机同步系统进行统一建模,将电机之间的q轴电流同步误差作为统一预测模型的一个状态变量,从预测控制的角度对同步误差实现闭环控制,使同步误差参与逆变器开关状态选择。最后,实验证明了所提控制策略能够实现系统的转矩同步控制。

基于多变量校正的MMC快速有限集模型预测控制策略

有限集模型预测控制方法(finite control set model predictive control,FCS-MPC)因其能够实现多目标的控制,在模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)中得到广泛应用。随着子模块数量增加,模型预测控制方法计算量呈指数增长,面临计算复杂度高、权重因子难以整定等问题。为了解决上述问题,提出了一种基于多变量校正控制集的MMC模型预测控制策略(multi-variate adjusting set predictive control,MAS-MPC)。该策略基于输出电流与桥臂电压差对子模块投入控制集进行快速校正,通过评估两个成本函数得到最优开关矢量。此外,提出了一种基于分化中项的电容电压平衡方案,可以有效降低排序算法的复杂度。为了验证所提策略的有效性,使用Matlab/Simulink软件平台搭建了10电平的三相MMC系统,并与传统方案进行比较。所提方案在降低输出电流与环流的谐波含量的同时,大幅减少了系统的计算量,使得系统具有更快速的动态响应速度。

电动汽车双向充电桩有限集模型预测控制研究

为提高电动汽车双向充电桩并网电流质量和抗干扰能力,并抑制其电流谐波,结合模型预测控制特性分析,提出了电动汽车双向充电桩的有限控制集模型预测控制(FCS-MPC)方法。首先,在同步旋转坐标系下建立了变流器的离散数学模型。然后,在传统模型预测控制基础上设计了输出电流的(k+2)时刻预测值,再将预测值和采样时刻的电流误差以及直流(DC)母线电压的误差作为价值函数的控制因子,寻求价值函数的最小解,以达到最优控制效果。仿真结果表明,相比传统比例积分(PI)前馈控制策略,FCS-MPC有效提高了DC母线电压的稳定性和抗干扰性,并将网侧电流控制在更低的总谐波失真水平下。考虑到组成价值函数控制因子的电压、电流、开关频率等物理量直观且易于采集,FCS-MPC方法可推广应用于同类的电力电子变换器。

基于有限集模型预测控制的UPQC预测直接控制策略

针对统一电能质量调节器(unified power quality conditioner,UPQC)线性控制算法中存在的控制结构复杂、控制器参数整定困难以及控制延时等问题,提出一种基于有限集模型预测控制(finite control set model predictive control,FCS-MPC)的UPQC预测直接控制策略。在分析UPQC直接控制系统构成基础上,基于FCS-MPC基本原理,实现了同步旋转坐标系下UPQC的有限集模型预测直接控制系统建模,有效简化了控制器结构,降低了控制算法的复杂度;基于UPQC系统有功功率平衡以及负载基波电压幅值恒定原控制器参数整定困难以及控制延时等问题,提出一种基于有则,建立了适用于UPQC串联侧与并联侧预测直接控制策略的给定值产生机制;最后,采用Matlab/Simulink仿真软件将所提控制策略与传统线性控制算法进行了对比仿真,并基于DSP (digital signal processor)(10)FPGA (field programmable gate array)(10)TYPHOON HIL402实验平台进行了实验验证,仿真与实验结果验证了所提控制策略的有效性和可行性。

一种表面式永磁同步电机有限状态集模型预测直接转矩控制

针对常规有限状态集模型预测直接转矩控制成本函数需要设计磁链和转矩控制权重系数的问题,设计了将磁链和转矩控制转换为相对误差率控制的成本函数,从而消除了权重系数。建立了基于定子磁链坐标系的表面式永磁同步电机预测模型,并以逆变器生成的7个基本电压矢量作为备选电压矢量,仿真验证了提出成本函数的可行性。仿真发现:由于受备选电压矢量自身限制,转矩动态变化下,磁链会出现较大的波动。基于电压矢量作用规律,给出了可同时满足转矩和磁链控制要求的备选电压矢量集合。仿真结果表明:该电压矢量集合可有效抑制动态下的磁链波动。为了提高模型预测控制的实时性,对备选电压矢量数目和预测控制模型进行了简化,并基于STC89C51单片机平台,实验对比了不同备选电压矢量集合和预测模型预测控制的运算时间和运算结果。仿真和实验结果表明了采用精简的备选电压矢量集合和简化模型可在控制性能基本不变的前提下,有效减小运算负担,提高系统实时性。

基于模糊控制的永磁同步电机动态有限状态集模型预测转矩控制

永磁同步电机传统有限状态集模型预测转矩控制一般采用逆变器生成的全部电压矢量,并且电机在任何运行状态下,备选电压矢量集合均固定,从而使得转矩脉动大和计算量较大。基于电压矢量幅值和角度对磁链和转矩变化的作用规律,采用模糊控制器动态确定备选电压矢量集合。模糊控制器输入为定子磁链和转矩误差,输出为3个备选电压矢量的幅值和角度。仿真结果表明与传统固定有限状态集相比,其可有效减小磁链和转矩脉动,减小了模型预测转矩控制的运算量,但平均开关频率有所增大。为了减小平均开关频率,将零电压矢量也作为备选电压矢量之一。仿真结果表明:使用零电压矢量可有效减小平均开关频率,但动态下转矩响应较慢。为了提高转矩动态响应,提出当系统处于动态时,备选电压矢量只使用模糊控制器输出的3个电压矢量,仅当系统处于稳态时,才加入零电压矢量。仿真结果表明:该策略使得系统控制性能基本保持不变,提高了转矩动态响应速度,并消除了动态下磁链和转矩脉动。

永磁同步电机有限集模型预测直接转矩控制

针对永磁同步电机(PMSM)模型预测直接转矩控制(DTC)转矩脉动大、功率元件开关频率不恒定等问题,将两电平逆变器的8个电压空间矢量作为有限控制集,应用到PMSM DTC中。设计考虑转矩误差、最大转矩电流比及电流约束的成本函数,利用成本函数来估算有限集合中各电压矢量的占空比,从而求得逆变器的最优电压矢量作为系统控制量。与传统模型预测控制方法相比,该方法的电流谐波和转矩脉动显著降低,且转矩动态性能也得到改善。仿真试验结果验证了所提出的控制方案有效性。

改进型永磁同步电机有限控制集模型预测速度控制

永磁同步电机传统有限集模型预测速度控制策略中电压矢量方向固定,可选矢量范围具有一定局限性,输出电压的突然变化,会导致电流纹波较大。因此,提出了一种基于电压细分的有限控制集模型预测控制(FCS-MPC)直接速度控制策略。所提策略在FCS-MPC方案中引入了一组具有可调振幅和可移动原点特征的有限电压细分矢量作为候选电压,同时为了获得更准确的电流预测,使用了双线性变换(即Tustin变换)积分近似。该控制器能够预测未来电流和速度,并使用脉宽调制输出最佳细分电压。采用两电平三相逆变器驱动的永磁同步电机进行仿真验证结果表明,与传统的FCS-MPC方案相比,所提策略有效地减小了电流纹波,拓宽了电压矢量选择的范围,同时提高了电机鲁棒性。

基于改进型有限控制集模型预测的永磁电机直接转矩控制

采用直接转矩控制的永磁同步电机驱动系统存在转矩脉动较大的问题。为了解决该问题,提出了一种基于改进型有限控制集预测的永磁电机直接转矩控制。新型控制策略结合使用了有限控制集模型预测控制和李亚普洛夫理论,以尽量减少转矩脉动。将两电平拓扑变频器的8个空间矢量作为一个有限控制集,用于控制永磁同步电机输出转矩,设计了一个综合考虑转矩误差、最大转矩电流比和电流限制的成本函数。和传统的有限控制集控制模型预测不同,新构建的成本函数采用了李亚普洛夫函数来估计每个电压空间矢量的占空比,同时引入了补偿实现了固定开关频率控制。最后通过对比试验验证了新型控制策略的有效性。

永磁同步电机有限控制集模型预测转矩控制系统研究

建立了基于定子磁链x-y坐标系的永磁同步电机(PMSM)有限控制集模型预测转矩控制(FCS-MPTC)系统,仿真验证了系统的有效性和可行性。针对磁链和转矩预测模型较为复杂的问题,提出了磁链和转矩的简化预测模型。理论分析、仿真和试验结果验证了FCS-MPTC的简化模型与常规模型控制效果相当,可明显减小计算负担,提高系统实时性能。将电压矢量幅值和角度作为FCS-MPTC的控制变量,设计了变幅值变角度的备选电压矢量集合。仿真结果表明该备选电压矢量集合可有效减小稳态转矩脉动,但动态性能不及传统备选电压矢量集合。基于不同备选电压矢量的特点,提出了根据系统状态自适应动态变化的备选电压矢量策略。仿真结果表明,该控制策略在静动态下均可取得良好的控制性能。

表贴式永磁同步电机有限集模型预测转矩控制成本函数研究

针对表贴式永磁同步电机模型预测转矩控制系统,提出了一种均衡磁链控制和转矩控制的权重系数设计方法,将磁链控制和转矩控制转换为相对误差率的成本函数,从而无需权重系数设计。仿真结果验证以上2种成本函数运行效果良好,但前者对电机参数依赖性较强。由于上述2种成本函数均不含磁链约束项,转矩动态下磁链出现较大的脉动。因此提出了一种含磁链控制约束的成本函数,仿真结果表明,可有效消除磁链脉动。同时,还设计了使用磁链约束项代替磁链控制项的成本函数,但仿真结果表明,虽也可有效消除磁链脉动,但控制效果不及前3种成本函数。