永磁同步电机的模型预测控制研究.pdf
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砬丛L坠孚一ResearchofModelPredictiveControlinPermanentAuthorSsignature:
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浙江大学研究生学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
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签字吼沙(月7日浙江大学硕士学位论文致谢致谢值此论文完成之际,谨向我的导师赵光宙教授表示最衷心的感谢。
感谢赵老师在我读研期间为我付出的辛勤汗水。
赵老师渊博的学识、深厚的学术素养、严谨的治学态度为我树立了良好的榜样。
两年里,赵老师如师、如父亦如友,给了我人生路上诸多有益的指点和帮助。
感谢和蔼的师母对我生活上的关心和帮助。
感谢齐冬莲教授,在学业和生活中给我的有益指点和帮助。
感谢罗小平教授在读研期间对我的帮助和督促。
感谢曹毅教授为我开导思路,讲明方法。
感谢裘君副教授给予我学术上的悉心指导,为我课题的研究提供了思路和建议。
感谢卢达师兄对我学术研究的指导和帮助。
卢达师兄勤奋踏实的科研态度使我受益匪浅。
感谢李楠师兄,他踏实的精神和乐观向上的生活态度给了我很大的影响。
感谢张虎虎师兄,和你们一起做了许多有意义的事情。
感谢张建良师兄,在实验室给我的帮助。
感谢顾弘、王洪波、张俊、孙赞、王乔、李鉴星、张国月、朱汉未、何海明、钟皖生、俞利民、闰云凤、丁冬生等实验室各位师兄、师弟、师妹,我们在实验室亲如一家,是他们一起营造了和谐的实验室氛围,让我度过了终生难忘的快乐时光。
感谢挚友李丽娜、田盈和我一起互勉励、共成长。
最后,深深感谢呵护我成长的父母、哥哥、姐姐,感谢家人对我20年求学的一路支持与奉献,祝愿他们生活幸福、身体健康。
感谢男友给予我的鼓励。
再次向所有曾经关心和帮助的过我的师长、朋友、同学和亲人表示最衷心的感谢。
高丽媛2013年1月浙江大学硕士学位论文摘要摘要随着永磁同步电机(PermanentManetSynchronousMotor,PMSM)的广泛应用,高性能永磁同步电机的传动系统对电机控制精度的要求越来越高。
在很多场合,传统的控制方法已难以满足较高的控制需要。
模型预测控制(ModelPredictiveControl,MPC)考虑控制量对系统未来状态的影响,可以得到高性能的控制效果,在过程控制领域已取得成功的应用。
但是目前为止,国内外将模型预测算法应用于永磁同步电机的研究较少。
深入研究基于模型预测算法的永磁同步电机控制,可以有效提高电机能源利用率,具有重要的实际意义。
为此,本文对永磁同步电机的模型预测控制进行了研究,主要研究内容有:
1、以永磁同步电机的结构和原理为基础,分析了PMSM的数学模型,矢量控制方法、电压空间矢量调制原理及实现。
在Matlabsimulink仿真环境下对基于矢量控制的永磁同步电机调速系统进行仿真,为模型预测控制的研究奠定了基础。
2、结合模型预测控制的基本原理和特点,给出了永磁同步电机模型预测控制器的设计方法。
在Matlabsimulink仿真环境下,建立永磁同步电机模型预测控制系统的仿真模型。
3、利用自动微分(AutomaticDifferentiation,AD)理论建立永磁同步电机电流模型预测控制算法。
依据AD原理,对PMSMd-q坐标系下的数学模型进行泰勒级数展开,建立了更为精准的数学模型。
采用AD方法,给出了永磁同步电机泰勒级数灵敏度的计算方法,再利用表示为预测值灵敏度形式的雅克比矩阵,计算价值函数,获得控制量,提高了预测精度。
针对电流环参数变化导致预测效果变差的问题,提出将所有参数变化以附加项表示,利用扩张状态观测器(ExtendedStateObserver,ESO)观测这个附加项并前馈补偿。
本文通过对PMSM模型预测控制的研究,利用AD算法提高了永磁同步电机的控制精度,理论分析和仿真结果验证了提出算法在永磁同步电机中应用的有效性,并给出了下一步的研究方向。
关键词:
永磁同步电机,模型预测控制,自动微分原理,扩张状态观测器TT浙江大学硕士学位论文Abs缸actAbstractAstheapplicationofpermanentmagnetsynchronousmotor(PMSM)becomesextensive,thedemandforhigh-performanceandcontrolaccuracyofPMSMdrivesystemisgettingincreasinglyhighInmanyoccasions,traditionalcontrolmethodscomeintotroubletosatisfyhighercontrolneedsthanbeforeModelPredictiveControl(MPC)doesnotdependonthecontroloferror,SOitisabletoobtainhighcontrolprecision,andhasalreadyachievedSuccessintheapplicationsofprocesscontr01ButSOfar,thealgorithmofMPCappliedtothestudyofPMSMisstillinitsinfancyathomeandabroadDepthstudyofMPCalgorithminPMSMCandramaticallyimproveenergyefficiencyofmotors,andalsohasgreatpracticalsignificanceForthis,researchesaremadeonMPCalgorithminPMSM,themaincontentsareasfollows:
1StartfromPMSMmechanism,analyzethemathematicalmodelofPMSM,thecurrentvectorcontrolmethod,thecoordinatetransformationprinciple,theprincipleandimplementationofvoltagespacevectormodulationSimulatethePIdoubleclosedloopcontrolofPMSMusingMatlabSimulink,thesimulationpreparesfortheresearchofpredictivecontr012CombinedwiththebasicprinciplesandcharacteristicsofModelPredictiveControltechnology,thedesignmethodofMPCcontrollerisgivenS-functionmoduleinSimulinkhasbeenusedtocreateasimulationmodelofMPCinPMSM。
3Anautomaticdifferentiation(AD)basedmodelpredictivecontrol(MPC)algorithmforPermanentMagnetSynchronousMotors(PMSM)isproposedADisusedtoexpandtheTaylorseriesThentheobtainedtermsareadoptedtocalculatesensitivitytosolvetheproblemToreducepredictionerrorcausedbyparametervariationduringoperations,theextendedstateobserver(ESO)isadoptedtoestimatealumpeddisturbancetermthatisfeedforwardthenSimulationresultsarepresentedtodemonstratetheeffectivenessoftheproposedcontrolschemeIII浙江大学硕士学位论文AbstractKeywords:
PermanentManetSynchronousMotor,ModelPredictiveControl,AutomaticDifferentiation,ExtendedStateObserverIV浙江大学硕士学位论文目录目录致谢I摘要IIhbstractIII目录I第1章绪论111课题背景112交流调速系统的控制策略213模型预测控制及其发展414国内外研究现状5141基于线性模型预测算法的研究现状6142基于非线性模型预测算法的研究现状815本文的研究意义和主要研究内容8第2章永磁同步电机仿真建模1121永磁同步电机的数学模型11211永磁同步电机的结构11212永磁同步电机的基本方程1222永磁同步电机的矢量控制14221坐标变换15222永磁同步电机d-q轴数学模型18223永磁同步电机矢量控制方法20224电压空间矢量脉宽调制技术21225永磁同步电机矢量控制系统2423本章小结25第3章永磁同步电机模型预测控制2631模型预测控制26T浙江大学硕士学位论文目录311预测模型26312滚动优化27313反馈校正3032永磁同步电机模型预测控制原理3133仿真分析3334本章小结34第4章应用自动微分的永磁同步电机模型预测控制3541自动微分原理3542利用自动微分技术求泰勒级数3743永磁同步电机自动微分模型预测算法设计38431永磁同步电机预测模型的泰勒级数展开38432滚动优化40433应用自动微分的灵敏度推导41434扩张状态观测器误差校正4444仿真分析46441优化时域、控制时域及泰勒级数展开级数的选取47442仿真模型及仿真结果4845本章小结50第5章总结与展望5251主要结论5252后续研究工作展望52参考文献54攻读硕士学位期间发表的论文58浙江大学硕士学位论文第1章绪论11课题背景第1章绪论能源一直是人类赖以生存的物质基础。
环顾当今世界,能源短缺引起的一系列经济、环境、政治问题已成为整个人类社会面临的重大挑战。
在现代社会中,电能是最为广泛应用的一种能源,而在电能的生产和使用中,电机起到机电能量转换的关键作用。
电动机调速技术产业化途径与对策的研究报告显示,我国发电总量的66消耗在电动机上,各类电机运行效率比国外先进水平低1020个百分点。
因此,对电机控制技术的研究直接关系到电能开发、利用和节约。
电机的种类繁多,大致可分为直流电机和交流电机,交流电机按照其结构和工作原理又可分为交流同步电机、交流异步电机。
20世纪6070年代,直流电机在各个领域应用广泛。
但直流电机存在很多固有的缺点,如换向结构复杂、不易维护、产生换向火花使得直流电机不能在易燃易爆场合应用等。
到20世纪80年代以后,控制理论、芯片制造、电力电子等技术迅猛发展,交流电机逐渐被重视起来。
特别随着矢量控制和直接转矩控制的提出,交流电机的研究和应用广泛起来。
交流电机没有复杂的换向机构,制造方便、价格便宜、运行可靠,因而在现代工业中得到了广泛的应用。
但交流异步电机驱动复杂、效率低、转子散热困难等固有的缺点限制了其发展。
相对于异步电机,交流同步电机因其高功率因数、高效率的优势,在调速领域其得到了一定的应用。
随着永磁体励磁的PMSM的出现,使传统的同步电机省去了转子励磁线圈、滑环、电刷部件等组成的励磁系统,电机结构和控制系统都大为简化。
永磁同步电机因具有结构简单、转矩纹波系数小、动态响应快、高功率密度、低损耗等优点,正取代传统的直流电机和交流异步电机,逐步应用于工农业生产、交通运输及日常生活当中11。
永磁电机在20世纪60、70年代由于永磁体的价格昂贵,它主要用于航空航天等高端领域。
到20世纪80年代,永磁电机开始转入到工业和民用领域。
进入20世纪90年代,由于永磁材料的热稳定性和耐腐蚀性不断改善,价格不断下降,永磁电机逐渐应用在国防、工农业生产、日常生活的各种领域,永磁电机的发展1浙江大学硕士学位论文第1章绪论进入了一个全新的阶段。
因此,研究和发展高性能永磁同步电机控制系统来满足现代工业迅速发展的要求具有重要的实用价值,本文正是在这一背景下展开的工作。
12交流调速系统的控制策略电机的调速控制系统结构如图11所示,它由控制器、功率驱动及检测装置三部分构成。
其中电机控制器包括速度控制、电流控制双层结构。
图11电机调速控制系统结构奠定交流电机高性能控制基础的两大理论:
矢量控制和直接转矩控制。
矢量控制是1971年由德国学者Blaschke提出。
矢量控制2,31借鉴直流电机电枢电流和励磁电流相互垂直、没有耦合、可以独立控制的思路,以坐标变换理论为基础,通过对电机定子电流在旋转坐标系中大小和方向的控制,达到对直轴和交轴分量的解耦,从而实现磁场和转矩的解耦控制,使交流电机具有类似直流电机的控制性能。
矢量控制的出现对电机控制的研究重大的意义,使得电机控制技术迈进了一个新的发展时代。
直接转矩控制由德国教授Depenbrock于1985年提出【4】。
矢量控制具有转矩响应较慢,易受电机参数变化影响等缺点。
相较于矢量控制算法,直接转矩控制采用定子磁场定向,不进行复杂的坐标变换、直接在静止坐标系中对电机的磁链和转矩进行控制,简化了算法、提高了转矩响应速度。
同时,采用滞环电流控制器,使电机控制效果对电机参数变化不敏感。
因此,它具有结构简单,对电机参数依赖小、系统转矩响应快等特点,特别适合于需要快速响应的电机控制系统。
传统矢量控制系统的电流控制、转速控制以及直接转矩控制系统的转速控制均采用PI控制器。
PI控制具有结构简单、容易实现的优点,但其参数调整依赖浙江大学硕士学位论文第1章绪论于操作者的经验,性能受系统参数变化影响较大,实际中的控制效果一直不尽如人意。
近年来,国内外学者将不少先进的控制策略相继引入了电机控制系统以进一步提高和改善的控制控制效果性能。
这些控制策略大多以矢量控制或直接转矩控制为基础,如自适应控制5、无传感器控制【6】、反推控制【7】、滑模变结构控制81、模型预测控制、模糊控制、神经网络控制等。
(1)滑模变结构控制滑模变结构控制是20世纪60年代初,前苏联学者依特克斯(UL)等人提出的一种控制策略。
滑模变结构控制具有开关控制的非线性特征。
依据被调量的偏差及导数,以开关的形式调整控制量,使系统结构以阶跃方式有目的地变化,使系统轨迹沿着设计的开关面滑动。
滑模变结构控制以其无需在线参数辨识、易实现、强鲁棒性等优点,在实际工程中得到了一定的应用。
但滑模变结构控制存在固有抖振,主要原因是:
在实际控制中,控制力是有限的,从而使系统的加速度有限;系统惯性等导致切换开关时间滞后,特别是对于计算机采样系统,总存在一个采样周期的开关时间滞后,由此会造成系统结构变化不及时。
在实际系统中抖振问题的无法消除,使得滑模变结构的应用受到了限制。
(2)自适应控制自适应控制能够依据系统内部和外部干扰造成的输出误差不断调节控制器参数,使控制器逐渐完善、满足实际控制的需要。
自适应控制对控制对象参数的依赖性小,不需要太多的关于模型和扰动先验知识,具有较强的实用性。
在交流调速控制系统中常用的自适应控制方法有模型参考自适应控制、参数辨识自校正控制91以及非线性自适应控制。
在自适应控制存在的主要缺点是:
第一、自适应控制算法通常较为繁琐,难以在快速的时变系统中应用。
第二、在初始阶段自适应控制的效果较差,难以满足需要,有时甚至会破坏系统的稳定性。
(3)反推控制反推控制思想出现较早,但到20世纪90年代才被Kokotovic等人首先提出。
其基本思想是将复杂的非线性系统分解为若干个相对简单的子系统,并为其设计系统函数和中间虚拟信号,这样,整个系统的控制信号由虚拟信号递归得到。
它每一步只处理一个相对简单的系统且保证虚拟误差收敛到零,因此反推控制能使1浙江大学硕士学位论文第1章绪论整个系统渐近稳定。
(4)智能控制1l】智能控制理论的基本思想是模拟人脑思维等自然界存在的行为,它一改传统的控制观念,在控制中引入逻辑、推理等因素,摆脱了对控制对象数学模型的依赖,对处理难以建模、或复杂非线性难于控制的问题具有明显优势。
智能控制常用的控制方法有模糊控制、神经网络控制、专家系统等。
在交流伺服系统中模糊控制、神经网络应用较多,其研究已经取得了一些成果。
但是智能控制在电机控制系统中的应用发展尚不成熟,还有许多问题需要解决。
其中最显著的缺点是,大多数智能控制策略的控制器设计方法还没有形成完整的理论,主要通过经验来设计,控制结果难以保证。
这些条件限制了智能控制的发展。
(5)无传感器控制在传统调速控制中,无论是矢量控制还是其他控制策略系统的转速信息都需要通过光电编码器等位置或速度传感器来获得,以实现闭环控制。
但是传感器增加了电机的体积和转动惯量,使系统的可靠性降低,而且传感器的灵敏度和分辨率易受应用环境中温度、电磁噪音的干扰,这使得电机控制精度降低。
加之,传感器使电机成本增加,限制了电机的低成本发展,因此无传感器的控制也成为了一个研究的热点。
无传感器运行控制系统是通过直接计算、状态估计等方法,从电机绕组电压、电流等电信号中提取转子的位置和速度信号,并将其应用到闭环控制系统中,从而取代传感器。
对于永磁同步电机无传感器控制策略可分为三大类101:
适用于中、高速的控制方法;适用于低速的无传感器控制方法;适合于转子初始位置检测的方法。
但是,到目前为止,还没有能够在电机低速和高速运行范围内都能满足控制精度要求的方法。
虽然在一些实际产品中出现了无传感器控制的功能,但总体而言无传感器控制技术还未达到可实用水平。
13模型预测控制及其发展模型预测控制(MPC)是于20世纪70年代产生的一种计算机控制算法。
最初由美国和法国的几家公司提出,它不是理论上的衍化,而是在工程应用中发展起来的,具有很强的工业应用背景和广泛的实用性。
自20世界80年代起,模型预测控制在石油、化工、航天和能源等多个过程控制领域都被成功应用12。
模型4浙江大学硕士学位论文第1章绪论预测控制与其他控制方法的区别主要在于它考虑了控制量对未来状态的影响。
它的实现方法是,在采样时刻t依据预测模型和假设的控制输入序列预测未来一段时域内的状态,再在给定时域内在线求解一个优化问题
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