感应电机模型预测转矩控制优化控制研究

建立了感应电机模型预测转矩控制(MPTC)系统、模型预测转矩无差拍控制系统(MPTC-DB)和转矩无差拍模型预测控制(DB-MPTC)系统仿真模型,并对三种控制策略进行仿真对比。仿真结果表明:与MPTC相比,MPTC-DB可减小转矩脉动均方根误差(RMSE)26.92%;与MPTC-DB相比,DB-MPTC可减小转矩脉动(RMSE)66.93%,减小磁链脉动(RMSE)43.37%,控制性能最优。     

感应电机磁链与转矩无差拍控制

为了降低感应电机模型预测转矩控制(MPTC)系统的转矩脉动、进一步减小磁链脉动,提出一种磁链和转矩无差拍控制策略。仿真结果表明：磁链和转矩无差拍控制下,感应电机系统运行良好。与MPTC相比,所提策略的转矩脉动均方根差（RMSE）降低87.84%,磁链脉动RMSE降低97.83%,电流总谐波失真（THD）降低94.21%。与转矩无差拍模型预测控制相比,所提策略的转矩脉动略有增大,但磁链脉动RMSE降低96.77%,电流THD降低90.03%。实时性试验结果表明：磁链和转矩无差拍控制计算简单,实时性好,计算耗时为MPTC的4.79%、转矩无差拍模型预测控制的5.29%。     

效率最优的感应电机无差拍直接转矩控制

提出了一种感应电机无差拍直接转矩控制系统的效率最优控制方法.在定子磁链定向坐标系中,以定子磁链和转子磁链为状态变量,导出了空间矢量无差拍直接转矩控制的电压控制律.分析了电机损耗与转矩、转速和定子磁链之间的关系,给出了电机稳态运行时效率最优的定子磁链幅值计算公式,实现了感应电机无差拍直接转矩控制变频调速系统的效率最优控制.实验结果表明,给出的优化控制策略,在保持无差拍直接转矩控制快速动态响应特性的同时,电机轻载运行效率得到显著提高.     

感应电机准无差拍模型预测电流控制策略

针对中点箝位型三电平逆变器驱动的感应电机模型预测电流控制,为了缩短其在线优化耗时、提高控制性能,提出了一种感应电机准无差拍模型预测电流控制策略。建立感应电机数学模型,对电流未来值进行预测。利用无差拍原理求出给定电压,选取给定电压所在小扇区的电压矢量,建立目标函数进行滚动优化,选取最优电压矢量对应的开关状态作为逆变器未来输出状态。同时引入全阶闭环磁链观测嚣,提高磁链观测的准确度;进行系统延时补偿,提高电机控制性能。仿真和实验结果表明,基于此种控制策略的调速系统,计算耗时小,转矩和电流动静态性能优良。     

一种优化感应电机无权重系数无差拍模型预测控制

为了降低感应电机传统模型预测控制(MPC)因电压矢量作用时间固定引起的转矩和磁链脉动,采用转矩无差拍(DB)控制优化电压矢量作用时间,并从精简电压矢量个数和消除权重系数对传统转矩DB控制进行优化。通过数字仿真和单片机试验对感应电机传统MPC、转矩无差拍模型预测控制(DB-MPC)和提出的优化策略的控制性能和实时性进行对比。仿真结果表明：传统MPC可通过扩充电压矢量来降低转矩脉动。DB-MPC可显著减小转矩脉动、磁链脉动和定子电流谐波含量(THD),可通过扩充电压矢量来减少磁链脉动和电流THD。优化控制策略减少备选电压矢量,无需权重系数,控制性能与DB-MPC基本相当。基于STM32F103单片机的计算耗时试验表明增加备选电压矢量显著增加计算耗时。相同备选电压矢量下,传统MPC与DB-MPC计算耗时基本相当。在相同控制性能下,优化控制策略可显著减少计算耗时,提高实时性。     

计及逆变器电压输出限制的感应电机无差拍直接转矩控制

提出一种新的感应电机无差拍直接转矩控制方法。基于感应电机的离散化模型,在定子磁场定向坐标系中,以定子和转子磁链为状态变量,导出了空间矢量无差拍直接转矩控制的电压控制律。采用一种图形化的分析方法,直观地揭示了无差拍直接转矩控制电压矢量解的物理意义。研究了在电压源逆变器输出电压受限条件下,无差拍直接转矩控制的设计与实现问题。针对电机的不同运行工况要求,给出了3种可选的电压矢量解的实现方案。在理论分析的基础上,对控制算法进行了仿真和实验测试,结果表明调速系统的转矩和磁链动态响应快,控制性能优良。     

感应电机基于转矩预测控制方法研究

针对感应电机直接转矩控制在低速时存在转矩脉动大的缺点,将广义预测控制算法应用于感应电机的直接转矩控制系统中。该算法直接作用于直接转矩控制中的转速控制,不依赖于电机的具体模型,通过系统辨识与参数估计获得算法模型,具有在线辨识、滚动优化和对模型的要求不高等优点。给出感应电机的广义预测控制的控制律,并对该方法进行仿真及实验研究。结果表明,所提出的广义预测控制算法有效地减小了直接转矩控制在低速时的转矩脉动,且具有较好的动态响应特性。     

永磁同步电机磁链和转矩无差拍控制

针对永磁同步电机直接转矩控制转矩脉动较大的问题,提出磁链和转矩无差拍控制。建立了基于定子磁链坐标系的永磁同步电机磁链与转矩变化量简化计算模型,验证了简化模型的可行性,给出了基于简化模型的磁链和转矩无差拍控制计算过程,并采用空间矢量调制技术(DB-SVM)与模型预测控制技术(DB-MPC)实现无差拍控制。为了降低开关频率,提出一种将空间矢量调制与模型预测控制相结合来实现无差拍控制的方法。仿真结果表明:该方法可在保证系统良好运行同时,有效降低开关损耗与转矩脉动。     

感应电机模型预测磁链控制

模型预测控制(model predictive control,MPC)具有原理简单、多变量控制和容易处理非线性约束等优点,是近年来在电力电子与电力传动领域受到广泛关注和研究的一种控制方法。MPC一般基于最小化目标函数的原则来实现系统的优化控制,但当目标函数中控制变量的量纲不一致时,需要设计相应的权重系数来实现对多个变量的同时控制。以感应电机的磁链和转矩控制为例,由于目前尚缺乏通用的理论设计方法来确定磁链和转矩的权重系数,为保证调速系统在不同的运行点具有良好的动静态性能,在实际应用中需要通过大量的仿真或实验来确定权重系数的大小。为此,提出一种适用于感应电机控制的改进MPC。通过深入推导磁链和转矩之间的解析关系,将定子磁链幅值和电磁转矩的同时控制转换为等效的定子磁链矢量的控制,从而消除了传统方法中繁琐的权重设计,而且算法简单,容易实现。此外,文中还对数字控制延迟进行了补偿,并且采用预励磁的方法来增大起动转矩,并减小起动电流。最后,在两电平逆变器感应电机平台上进行了仿真和实验,结果表明所提方法在很宽的速度范围内都有良好的性能。     

感应电机无权值虚拟矢量模型预测转矩控制

为了消除感应电机(IM)传统模型预测转矩控制(MPTC)的加权值和减小算法的计算量,提出一种基于无差拍控制的无权值MPTC方法。通过转矩、磁链和电压之间的关系,基于磁链无差拍控制,得到一个期望电压矢量。通过判断期望电压矢量的位置,将电压控制集数量从8个减少为2个,减小了MPTC的计算负担。此外,价值函数中只含有一个转矩变量即可达到期望的控制效果,避免了加权值的设计。采用简化后的三矢量合成虚拟电压矢量,在扩大矢量选择域的同时也降低了传统虚拟矢量算法的复杂度,提高控制的稳态性能。仿真和试验结果证明所提方法具有良好的动、静态性能。     

表贴式永磁同步电机磁链和转矩无差拍控制系统

建立了基于定子磁链坐标系的表贴式永磁同步电机(SPMSM)下一时刻的磁链和转矩计算简化模型,验证了可以采用简化模型来计算下一时刻的磁链和转矩,从而降低无差拍控制计算复杂程度,提高系统实时性能,并得到实现磁链和转矩无差拍控制的理想输出电压矢量。采用模型预测控制(MPC)选择最接近理想电压矢量的基本电压矢量作为输出电压矢量。仿真验证了所提SPMSM磁链和转矩无差拍控制系统的可行性。为了进一步提高系统实时性能,提出2种无需MPC的基本电压矢量简化选择方法。仿真结果表明所提出的电压矢量简化选择方法控制效果与传统MPC非常接近,但省却了MPC计算,减小了系统计算负担。     

一种基于模型预测的永磁同步电机直接转矩控制策略

针对传统直接转矩控制(DTC)方法中电压矢量切换时间不固定以及电压矢量切换点受限于滞环宽度等问题,将模型预测控制(MPC)应用于永磁同步电机(PMSM)DTC系统,提出了一种优化的电压矢量预测选择方法。一方面,将预测的定子磁链和电磁转矩送入相应的滞环控制器,从电压矢量有限集中选择合适的电压矢量以确保预测的磁链和转矩分别在各自的滞环内;另一方面,引入代价函数和优化策略,选择不同情况下相应的最优电压矢量,且可以同时考虑电流保护等额外的控制目标。在一台凸极PMSM驱动平台上对所提出的控制策略进行了试验验证。试验结果表明,所提出的控制策略能够有效地将转矩控制在滞环内,验证了该策略的有效性。     

异步电机低开关损耗的模型预测直接转矩控制

提出一种新颖的异步电机低开关损耗的模型预测直接转矩控制方法。通过建立异步电机离散时间预测模型,对不同开关矢量作用下的系统输出矢量进行轨迹外推,形成长预测范围的输出轨迹。同时分析三电平逆变器在开关切换时产生的开关损耗,以逆变器的平均开关损耗为价值函数,对不同开关矢量作用的输出轨迹进行在线评估,得到最优的开关矢量并将其作用于逆变器,从而有效降低了逆变器的开关损耗。仿真结果表明,基于该方法的驱动系统逆变器的开关损耗低,电机转矩和磁链动静态性能良好。     

基于MTPA的永磁同步电机模型预测转矩控制

针对永磁同步电机(PMSM)高凸极率的结构特点,提出了一种基于最大转矩电流比(MTPA)的永磁同步电机模型预测转矩控制方法。首先结合数字处理系统的离散化特点,建立了PMSM调速系统的离散预测模型;重点分析了系统多个优化目标的实现机理,其中包括:开关状态限制、电磁转矩控制、MTPA优化以及最大电流限制;进而指出通过构建合适的目标函数,即可实现多项优化目标的综合最优。样机实验结果表明,所提方法在保留模型预测控制(MPC)高动态响应特性的基础上,可以有效地实现PMSM调速系统多个优化目标的综合最优。