一种改进的永磁同步电机有限集模型预测控制方案设计与实施.pdf
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1、第 卷第 期 年 月西安科技大学学报 吴景红 一种改进的永磁同步电机有限集模型预测控制方案设计与实施 西安科技大学学报,():,():收稿日期:基金项目:陕西省自然科学研究计划项目()通信作者:吴景红,男,湖南常德人,高级工程师,:一种改进的永磁同步电机有限集模型预测控制方案设计与实施吴景红(国能神东煤炭集团有限责任公司,陕西 榆林 )摘要:为了解决永磁同步电机有限集模型预测控制中存在的电流脉动大、开关次数多等问题,提出基于灰色预测补偿和动态代价函数的 改进方案,从提高参考电流预测精度和增强控制方案对 不同工况适应能力 个方面进行改进。首先,在现有方案的电流环中引入灰色预测用来修正由于参数扰动
2、对 轴参考电流预测值带来的误差;其次,根据 的具体工况,设计模糊控制器获取相应的权重系数组合,用以构建不同控制侧重的动态代价函数,实现对 的有效控制;最后,通过仿真和试验将所提方案与传统 方案进行对比,电流脉动分别降低 和 ,开关次数分别降低 和 ,转速上升时间分别缩短 和 。结果证明所提方案在降低电流脉动、减少开关次数、缩短响应时间方面的有效性。关键词:有限集模型预测控制;灰色预测;永磁同步电机;模糊逻辑;动态代价函数中图分类号:文献标志码:文章编号:():开放科学(资源服务)标识码():(,):()(),(),:;();引言永磁同步电机(,)有着功率密度高、结构简单等优点,被广泛应用于电力
3、机车、航空航天等领域 。这些领域对于 的控制精度有着更高要求 。为了提高 的控制性能,一些学者提出更高性能的控制策略,其中最受关注的是有限集模型预测控制(,)。通过计算代价函数获得最优电压矢量从而实现对 的控制 。根据控制目标的不同,代价函数中可以包含多种限制条件 。由于 方案存在依赖精确的 数学模型、无法调整控制侧重等问题,导致电流和转速脉动较大、动态响应慢、开关次数高 。等设计了比例积分形式的代价函数用于消除参数不匹配带来的稳态误差,但是积分系数的设计需要大量试验经验 。等对控制集中的电压矢量进行扩张以提高控制精度,该策略并未降低 对参数依赖,还带来了计算量大的问题 。方案的代价函数通常由
4、参考电流和实际电流的偏差组成 。提升参考电流预测精度可以有效降低电流与转速脉动 。方案对下一时刻所需要的参考电流进行预测时,通常仅考虑当前时刻 的实际运行状态。灰色预测(,)可以利用系统历史信息进行建模,将控制系统中的灰色部分进行白化 。孙波等将灰色预测运用于轨道电路红光带现象的预测,起到降低相对误差、提高预测精度的作用 。灰色预测与控制对象的参数无关,因此不会受到参数扰动的影响 。文中建立灰色预测模型,针对因参数扰动而产生的电流偏差进行预测,从而实时补偿。代价函数中各项权重系数的不同组合会影响系统的控制性能 。因此权重系数的确定对于控制效果的优劣有着重要影响。传统的 方案通过大量仿真与试验确
5、定一组最优的固定权重因子 。固定的权重因子无法同时实现较好的动态性能与稳态性能 。若不能根据电机运行工况及时调整权重系数,还会导致逆变器开关次数多的问题。过高的开关次数会导致逆变器发热严重、引发电流谐振。一些学者设计新的权重系数调优方案。等提出一种通过数学推导计算权重因子的方案,无需通过大量对比仿真即可寻找到最优权重因子 。等设计了一种粒子群寻优算法以根据 轴和 轴电流稳态误差动态调整代价函数各项权重系数的控制策略 。这 种方案均存在计算量大的问题,不利于算法的在线实施。文中针对 开关次数多的问题,提出将模糊算法应用于动态调整代价函数各项权重系数的方案。主要贡献可总结如下:针对 方案受参数扰动
6、影响较大的问题,在其电流内环中引入 方案,通过分析系统历史信息,获得不受参数扰动影响的参考电流;设计可根据 运行工况动态调整代价函数各项权重的模糊控制器,形成动态代价函数以选出更符合期望的电压矢量。控制方案 数学模型 是一个强耦合、多输入的非线性系统。根据永磁体在转子上安装方式的不同,三相永磁同步电机可分为表贴式永磁同步电机和内置式永磁同步电机。表贴式永磁同步电机多应用于高功率密度场合,选取表贴式永磁同步电机作为研究对象,其 坐标系下的数学模型为 ()()西 安科技大学学报 年第 卷第 期吴景红:一种改进的永磁同步电机有限集模型预测控制方案设计与实施式中,分别为对应的 轴、轴电压,;为电角速度
7、,;为转子角速度,;为转子极对数;,分别为 轴、轴磁链,其中,;为永磁体磁链,;,分别为对应的 轴、轴电流,;为定子电阻,。文中的研究对象为表贴式永磁同步电机,因此有 ,。运用三相两电平逆变器为 供电,拓扑结构如图所示。该逆变器共包含个桥臂,分别代表 三相,每个桥臂上有 个开关,共有 个开关,分别定义为 、和 。为避免短路,同一桥臂上的 个开关不能同时导通。用数字“”和“”分别代表开关的导通与关断。这些开关状态组成 种可能的电压矢量,其中包含 个非零电压矢量与 个零电压矢量。这些电压矢量对应的相电压可以由式()计算得出 ,;,;,;,()式中 ,分别为 三相的相电压,;为直流母线电压,。当第
8、个电压矢量作用于逆变器时,其输出电压 如下式(,);,()式中 槡 ,代表着 的相位差。方案 等提出在速度环引入 控制器可以有效消除转速超调,研究重点集中在电流内环,因此不再详细论述 。电流内环 控制器根据 数学模型和当前时刻的系统状态可预测出下一时刻的期望电流。对定子电流的求导采用欧拉近似法可得 ()()()式中为采样时间,。预测定子电流表达式如下()()()()()()()()()式中()()(),()()(),()()(),(),()()。利用上式可分别预测出 种电压矢量在下一时刻可能产生的定子电流。电流控制的目标是最小化参考电流与实际电流间的偏差。根据这一目标可以构建代价函数如下()(
9、)(),()()式中,是为了调整控制侧重的权重系数。为速度环模型预测控制器预测出的 轴参考电流,。文中选择中小型永磁同步电机为控制对象,因此采用 的控制策略 。(),()分别为如果该候选电压矢量作用于电机将在下一时刻产生的 轴和 轴电流,。为逆变器开关次数,针对所选取的三相两电平逆变器,开关次数的计算如下 (),()(),()(),()()式中(),()分别为当前时刻和下一时刻逆变器 相上半桥臂开关状态。为了确保设备安全,设计非线性方程以限制定子电流幅值,如下式(),(),()(),()()()现将 方案总结如下,该方案控制框如图 所示。方案 离线阶段:?图 两电平馈电的 )设定目标转速和 轴
10、参考电流 ;)设定模型参数:母线电压 、极对数 、定子电阻 、轴与 轴电感,。?图 方案控制框 在线阶段:)根据速度外环 计算出下一时刻 轴参考电流();)根据式()()计算出 个候选电压的代价函数值;)选择代价函数值最小的候选电压矢量作为最优电压矢量;)将最优电压矢量对应开关状态输送给逆变器。方案的控制精度依赖 数学模型的参数准确性。但是在实际运行中,这些参数容易受到温度、工况的变化而产生改变,从而使得 方案的控制效果变差。方案是根据系统的历史信息进行预测的,不受电机参数变化的影响。引入 方案可有效降低电流脉动,减少参数变化对控制精度带来的影响。改进控制方案 基于灰色预测的 控制方案 将混乱
11、、没有规律的历史信息通过累加、累减等手段生成有规律的数列,对系统扰动进行预测并有针对性地对其补偿。方案确定最优电压矢量时仅考虑当前时刻的状态,对电机参数准确度要求较高,未对历史信息进行充分利用。通过在计算参考电流时引入历史信息,减少对 数学模型的依赖,从而选择出更准确的最优电压矢量,避免 中因为参数扰动带来的误差。灰色预测模型的建立首先需要获得一组历史序列,如下式()()()(),()(),()()()式中 为所取历史序列的长度,上标“()”代表未经处理的历史序列;为控制系统所处时刻。利用式()对该序列的元素进行累加并组成见式()的新序列,可以消除数据的随机性和波动性。()()()();,()
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