Model predictive flux control of permanent magnet synchronous motor driven by three-level inverter based on fine-division strategy

Aiming at the difficulty of setting the weight coefficient in the value function of model predictive torque control(MPTC)for permanent magnet synchronous motor(PMSM)driven by three-level inverter,a fine-division model predictive flux control(MPFC)method is proposed.First,establish a mathematical model between the motor torque and the stator flux linkage according to the mathematical equations of PMSM.Thus,the control of the motor torque and stator flux linkage in the MPTC is transformed into the control of a single stator flux linkage vector,omitting the cumbersome weight setting process in the traditional MPTC.The midpoint potential control strategy is proposed,which uses the characteristics of redundant small vectors to balance the midpoint potential.After that,a fine-division strategy is proposed,which effectively reduces the number of candidate vectors and the computational burden of the system.Finally,the proposed MPFC is compared with MPTC by simulation.The results show that the proposed fine-division MPFC effectively reduces the system calculation,and has the advantages of simple principle and better dynamic and steady-state control performance.The feasibility of the control strategy is verified.

磁链分区的磁场增强型永磁电机全速域模型预测直接转矩控制

磁场增强型内置式永磁(flux intensifying interior permanent magnet,FI-IPM)电机的反凸极(L_(q)<L_(d))特性,使得正向d轴电流增强磁场,提高输出转矩的同时,也使得弱磁升速时d轴电流正负交替变化,电流角度变化大,磁链波动大,进而造成转矩脉动大、电流畸变振荡、响应速度慢等问题。针对这些问题,该文提出一种基于磁链分区的磁场增强型内置式永磁电机全速域模型预测直接转矩控制控制策略。根据FI-IPM电机速度运行区域与磁链状态映射关系,构建磁链和转矩预测模型。在此基础上,提出磁链分区控制,引入磁链差值判断增磁和弱磁运行区,并进行磁链补偿,解决不同速度运行域之间切换的震荡和不稳定问题。最后,通过实验验证所提出控制策略的有效性,为该类电机在电驱动系统中的应用提供技术方案。

基于多参数辨识的永磁同步电机磁链预测控制

在永磁同步电机(PMSM)有限集模型预测磁链控制策略(FCS-MPFC)中,磁链给定值计算、实际值获取以及未来值预测都要用到电机参数。受工况和温度的影响,电机参数具有变化性,参数偏差将影响实际预测控制性能。为提高控制系统鲁棒性,需要对电机d、q轴电感和永磁磁链进行在线辨识。鉴于此,该文提出了永磁同步电机多参数辨识方案,并基于此设计了FCS-MPFC策略。首先,依据电机稳态方程,设计了广义比例积分观测器(GPIO)对PMSM的q轴电感和永磁磁链进行辨识。其次,利用FCS-MPFC中电机定子电流变化较大的特征,提出了基于电流变化量的d轴电感辨识方法,克服了多参数辨识的欠秩问题。再次,依据FCS-MPFC策略下逆变器电压输出特性,优化设计了电流采样,有效避免了逆变器死区对辨识效果的影响。最后,针对磁链预测过程,设计了基于GPIO的磁链预测模型,进一步提高磁链预测的参数鲁棒性。该文的分析、设计以及性能提升均得到实验验证。

基于无电网电压传感器的Vienna整流器滑模模型预测控制

Vienna整流器的控制系统设计与电网电压参数密不可分,然而,传统的电压传感器增加了系统的成本和复杂性.针对此问题,提出一种Vienna整流器无电网电压传感器模型预测控制策略.通过建立Vienna整流器虚拟磁通数学模型来估计电网电压,利用二阶低通滤波器消除了积分初值和直流偏置问题,进而提高观测效果.其次,结合模型预测直接功率控制(DPMPC),以功率跟踪误差最小为目标得到三桥臂的开关序列.实验结果表明,所提出的控制策略谐波含量低,电压能准确跟踪给定值,具有良好的稳态和动态性能.

智能跑步机异步电机变频调速直接转矩控制

因智能跑步机控制系统存在延时的问题,导致跑步机的运行损耗高、效率低。为此,提出智能跑步机异步电机变频调速直接转矩控制方法。分析异步电机的变频调速效果,构建跑步机控制约束,将模型预测直接转矩控制算法作为非线性内部控制器的控制算法,估计定子磁链后预测定子磁链和电磁转矩,建立合适的目标函数,并采用末端输出控制法获取定子磁链和电磁转矩参考值,对跑步机系统延时加以补偿,完成智能跑步机异步电机变频调速直接转矩控制。实验结果表明,所提方法控制下的智能跑步机振幅曲线波动最小,电磁转矩在(0.5~1.5)N·m之间,稳定后的运行损耗和运行效率控制在67 W和0.77%左右,可有效减小跑步机的电磁转矩脉动,降低运行损耗,提高运行效率,且具有良好的平稳性。

基于模型预测控制的PMSM弱磁策略

针对永磁同步电机在电压反馈弱磁控制策略下,不佳的电压外环控制参数引起电流振荡和电流调节器饱和等问题,提出基于模型预测控制的弱磁策略。首先,通过将电压方程中的非线性耦合项和转速作为状态变量之一,得到电流环的线性模型;然后,基于该模型,模型预测控制以电流跟踪误差和d-q轴控制电压增量为优化目标,在每个采样周期求解有限时域内的优化问题,得到d-q轴控制电压。最后,仿真和实验结果表明,相较于传统电压反馈弱磁策略,所提出的弱磁策略的电流响应性能对电压外环的控制参数鲁棒性更高。

基于简化控制集的双三相永磁同步电机模型预测磁链控制

针对双三相永磁同步电机传统模型预测转矩控制计算量较大和权重系数整定过程繁琐的问题,提出一种基于简化电压矢量控制集的模型预测磁链控制算法。首先,将对电磁转矩和定子磁链幅值的控制转化为对定子磁链矢量的控制,消除代价函数中定子磁链幅值误差项的权重系数;然后,采用虚拟电压矢量作为控制集,抑制谐波电流,消除代价函数中的谐波磁链误差项;最后,通过判断定子磁链矢量误差的位置简化电压矢量控制集,将每个控制周期待评估的有效电压矢量由12个减少到5个,降低整个算法的计算量。实验结果表明,所提算法能够减小电磁转矩脉动,抑制谐波电流,而且在保持良好的控制性能的同时,可以显著地减少计算时间,具有更好的工程实用价值。

基于改进滑模观测器的无位置传感器AFFSPM电机模型预测磁链控制

为了提高轴向磁场磁通切换永磁(axial field fluxswitching permanent magnet,AFFSPM)电机无位置传感器位置检测精度,同时抑制该电机的转矩和磁链脉动,该文提出一种基于改进滑模观测器(sliding mode observer,SMO)的无位置传感器AFFSPM电机模型预测磁链控制方法。首先,基于传统滑模观测器,设计边界层可随滑模面误差自调节的反正弦饱和函数,削弱系统抖振,改善系统稳态性能;接着,将扩展卡尔曼滤波器及幅值补偿环节代替单一低通滤波器,并通过内嵌二阶广义积分器的软件锁相环估算转子位置角和速度,消除位置角补偿,提高位置观测精确度;最后,将估算的转子位置角和速度反馈到模型预测磁链控制模块,完成无位置传感器控制。该文通过理论推导、仿真与实验研究验证所提出的控制策略可有效提高AFFSPM电机无传感器控制的稳态和动态性能。

基于PID代价函数的鲁棒型永磁同步电机模型预测控制

当有限集模型预测控制(Finite Control Set Model Predictive Control,FCS-MPC)应用在永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Machine,PMSM)弱磁控制时,系统存在参数鲁棒性较差的问题。为了解决此问题,本文提出一种基于比例−积分−微分(Proportional-Integral-Derivative,PID)型代价函数的FCS-MPC永磁同步电机弱磁控制策略。在该策略中,PID型代价函数由3部分组成:跟踪电流的比例误差代价、削弱稳态控制误差的积分误差代价和降低纹波误差的微分误差代价。本文依据永磁同步电机的数学模型建立了预测模型,详细描述了PID型代价函数的FCSMPC在永磁同步电机弱磁控制中的实现过程。同时,为了保证预测的准确性,对系统采用了延时补偿策略。仿真结果证明,当永磁同步电机在弱磁控制中参数失配时,本文提出的基于PID型代价函数的FCS-MPC,不仅可提高控制系统对电机参数和负载转矩扰动的鲁棒性,还保留了FCS-MPC良好的动态性能。

双感应电机驱动振动筛的控制同步研究

以振动同步方式作为工作机理的振动筛在社会产生中已不能满足工艺需求,通过引入控制方法来实现零相位差状态,实现增加振幅的目的。根据机械动力学理论将振动筛的运动状态转化为双机驱动振动系统动力学模型,对振动系统实现同步运动的同步性条件和稳定性条件进行推导和分析;整体基于主从控制策略,采用模型预测磁链控制策略设计了单台感应电机的转速控制器,在单神经元PID控制中引入前馈控制,设计了相位控制器来实现两偏心转子零相位差状态;根据动力学模型在Matlab/simulink中搭建仿真模型,通过仿真表明提出的控制策略、方法是有效的,并具有稳定性;将提出的控制方法与其他控制方法进行仿真比较,结果表明该控制方法的同步控制效果更好,快速性更好。

单相级联H桥虚拟磁链模型预测功率控制

由于借助交流电压传感器测量电网电压会带来硬件成本高、安装困难及可靠性低等问题,所以为实现无网压传感器,将虚拟磁链引入级联H桥整流器模型预测功率控制中。以单相七电平整流器为例,虚拟磁链空间矢量需通过电压矢量积分获得,这个积分环节通常用一阶低通滤波器,可消除纯积分环节带来的积分初值问题和直流偏置问题,但会存在由一阶低通滤波器带来的相位偏移问题,因此提出一种相位补偿方法并应用于一阶低通滤波器对电网虚拟磁链进行估计;针对H桥整流器模块间电压不均衡问题,采用基于电压反馈的直流电压平衡控制方法,调节占空比实现电压均衡。实验结果证明了所提出的虚拟磁链模型预测功率控制的正确性和有效性。

永磁同步电机模型预测磁链控制

针对永磁同步电机(PMSM)模型预测转矩控制(MPTC)成本函数中权重系数设计繁琐问题,提出一种模型预测磁链控制(MPFC),能够消除成本函数中的权重系数。首先,根据永磁同步电机数学方程建立转矩、磁链及负载角之间数学模型;然后,推导转矩和磁链幅值与定子磁链矢量之间解析关系,将对转矩和定子磁链幅值的控制转化为对定子磁链矢量的控制,从而省略了权重系数的设计过程;最后,在永磁同步电机试验平台上进行算法验证,并与MPTC进行详细对比,结果表明所提出的MPFC能够有效抑制转矩脉动和定子磁链脉动,具有与MPTC最优控制时相当的动静态性能,算法运算量显著降低,验证了所提方法的可行性和有效性。

基于空间矢量调制的感应电机无速度传感器模型预测磁链控制

传统的模型预测控制(MPC)以电磁转矩和定子磁链的幅值为控制变量,在目标函数中需要设计一个权重系数,而目前尚无完善的理论来设计该权重系数,多采用试凑的方法得到,从而限制了MPC在实际工业中的应用。通过解析推导感应电机的内部关系,将定子磁链幅值与转矩的控制转换为对一个等效定子磁链矢量的控制,提出了模型预测磁链控制(MPFC)的解决方案,从而避开了传统MPC中权重系数设计困难的难题,降低了算法复杂度。为提高感应电机控制系统的实用性,将MPFC与速度自适应全阶观测器相结合实现了无速度传感器运行,进一步采用空间矢量调制(SVM)来得到驱动脉冲,提高了电机的稳态性能和低速带载能力。在两电平感应电机仿真与实验平台上进行了验证,结果表明该文提出的感应电机无速度传感器MPFC在宽速范围内具有良好的动静态性能。

永磁同步电机三矢量优化预测磁链控制

永磁同步电机的传统模型预测控制由于备选电压矢量覆盖范围有限,因此存在单个控制周期内计算复杂、电流脉动大等缺陷,在实际工况中难以实现良好的控制性能。针对这一问题,以磁链为控制变量提出一种优化三矢量模型预测磁链控制策略,利用磁链无差拍原理计算下一周期的第一最优电压矢量,相比传统方法可减少单个控制周期内的预测次数;再遍历第一最优电压矢量与剩下有效电压矢量的所有组合选择第二最优矢量,达到备选电压矢量覆盖范围最大化;最后引入零矢量调节合成电压矢量幅值。仿真和实验验证结果表明,与单一矢量预测磁链控制相比,三矢量MPFC在保证动静态性能的同时,能够明显减小电流谐波和转矩脉动,降低计算复杂度,提高在实际系统中的控制性能。

基于模型预测控制的异步电机弱磁控制新方法

模型预测控制是一种基于被控系统模型的新型控制算法,该算法能够预测系统的未来状态,由滚动优化求出系统的最优控制变量,具有良好的控制性能和较强的鲁棒性。为克服PI参数及电机参数对电压闭环弱磁控制策略性能的影响,本文提出了一种基于模型预测控制的异步电机弱磁控制新方法,详细描述了模型预测控制算法的实现过程,并通过优化使之适用于异步电机的实时控制。实验结果表明模型预测控制算法具有较快的响应速度,对电机参数具有较强的鲁棒性,在发生较大扰动时的控制性能优于传统的PI控制方法,非常适用于交流异步电机高性能弱磁控制场合。

三相四开关容错逆变器的PMSM驱动系统FCS-MPC策略

针对三相四开关容错逆变器的永磁同步电机(PMSM)驱动系统,基于模型参考自适应(MRAS)观测器,提出一种有限控制集模型预测控制(FCS-MPC)策略。考虑温度变化对永磁磁链影响,采用MRAS技术,实现了对永磁磁链的在线辨识;同时考虑降低逆变器开关频率的需求,设计开关频率可优化的FCS-MPC系统目标函数。与常规FCS-MPC方法比较,本方法可以有效减小系统控制过程的计算量,与此同时,本方法中的电流反馈特性可对四开关逆变器直流母线电容分压不平衡形成的不利影响实现自动抑制。仿真结果表明,本方法能够保证四开关容错逆变器驱动的PMSM系统持续稳定运行、具有良好运行性能,并能明显降低逆变器功率管的开关频率。

考虑定位力矩补偿的磁通切换永磁电机模型预测转矩控制方法

为了减小定位力矩对磁通切换永磁(FSPM)电机性能的影响,提出了一种考虑定位力矩补偿功能的模型预测转矩控制(MPTC)方法。通过有限元分析获得FSPM电机定位力矩主要谐波的数学表达式,根据补偿控制理论,构建能够抵消定位力矩的补偿转矩模型。基于MPTC原理,利用补偿转矩模型、预测转矩模型和预测磁链模型共同设计价值函数,以获得最优开关状态。所提控制方法不但能实现定位力矩补偿和转矩脉动抑制,还具有较好的动态性能,并且适用于一般的永磁同步电机。仿真和实验结果验证了所提控制方法的有效性。

三电平ANPC变换器中点电压平衡的MPC

针对三电平有源中点箝位型(ANPC)变换器的中点电压平衡问题,提出了一种三电平ANPC变换器中点电压平衡的模型预测控制(MPC)策略。根据变换器拓扑的数学模型,建立了三电平ANPC变换器的虚拟磁链模型;通过对变换器三相负载电流进行采样,计算出中点电压的偏移量;在确保磁链误差在一定范围的前提下,有效减少了中点电压的偏移量,实现了对中点电压平衡的控制。分别搭建了三电平ANPC变换器的仿真模型和实验平台,仿真与实验结果表明所提控制策略易于数字实现且能较好地控制中点电压平衡。

基于矢量分区的永磁同步电机三电平双矢量模型预测磁链控制

为改善永磁同步电机(PMSM)三电平供电系统的稳态控制性能,减小计算负担,该文提出一种基于新型矢量分区的PMSM三电平双矢量模型预测磁链控制方法。首先,将电磁转矩和磁链的控制转化为对单一定子磁链矢量的控制,从而消除了传统预测转矩控制中的权重系数。进一步,深入分析了不同扇区内基本电压矢量对系统运行的影响,通过构建虚拟斜率将备选矢量数量减少至1~3个;同时,为降低电机转矩脉动,建立了占空比优化准则进而获得了双非零矢量的控制效果。最后,仿真与实验的验证表明该控制策略的有效性。

基于模型预测控制的异步电机弱磁控制器

异步电机优化弱磁控制多采用基于定子电压闭环的弱磁控制策略,系统性能受PI参数影响较大,且PI参数较难整定。提出了一种基于模型预测控制的异步电机弱磁控制策略,通过优化使之适用于异步电机的实时控制。在实验平台上对控制策略进行验证,实验结果表明模型预测控制算法具有较快的响应速度及较强的鲁棒性,非常适用于各种不同的交流电机控制场合。