永磁同步電機(jī)的模型預(yù)測(cè)控制研究

永磁同步電機(jī)的模型預(yù)測(cè)控制研究⑧論文作者簽名:垂丕望盛指導(dǎo)教師簽名:論文評(píng)閱人:評(píng)閱人:評(píng)閱人:評(píng)閱人:評(píng)閱人:答辯委員會(huì)主席:委員:委員:委員:委員:委員:答辯日期:??砬叢墜孚???一’:●●●一:::::浙江大學(xué)研究生學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外,論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果,也不包含為獲得逝姿盤堂或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。學(xué)位論文作者簽名:南融崦簽字日期:為/多年鄉(xiāng)月日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)逝姿盤堂構(gòu)送交本論文的復(fù)印件和磁盤,允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)逝姿盤堂可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索和傳播,可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書學(xué)位論文作者簽名:導(dǎo)師簽名:南孫崦簽字日期:歹私年弓月;『日簽字吼沙一月日浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文致謝致謝值此論文完成之際,謹(jǐn)向我的導(dǎo)師趙光宙教授表示最衷心的感謝。感謝趙老師在我讀研期間為我付出的辛勤汗水。趙老師淵博的學(xué)識(shí)、深厚的學(xué)術(shù)素養(yǎng)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度為我樹立了良好的榜樣。兩年里,趙老師如師、如父亦如友,給了我人生路上諸多有益的指點(diǎn)和幫助。感謝和藹的師母對(duì)我生活上的關(guān)心和幫助。感謝齊冬蓮教授,在學(xué)業(yè)和生活中給我的有益指點(diǎn)和幫助。感謝羅小平教授在讀研期間對(duì)我的幫助和督促。感謝曹毅教授為我開導(dǎo)思路,講明方法。感謝裘君副教授給予我學(xué)術(shù)上的悉心指導(dǎo),為我課題的研究提供了思路和建議。感謝盧達(dá)師兄對(duì)我學(xué)術(shù)研究的指導(dǎo)和幫助。盧達(dá)師兄勤奮踏實(shí)的科研態(tài)度使我受益匪淺。感謝李楠師兄,他踏實(shí)的精神和樂觀向上的生活態(tài)度給了我很大的影響。感謝張虎虎師兄,和你們一起做了許多有意義的事情。感謝張建良師兄,在實(shí)驗(yàn)室給我的幫助。感謝顧弘、王洪波、張俊、孫贊、王喬、李鑒星、張國(guó)月、朱漢未、何海明、鐘皖生、俞利民、閏云鳳、丁冬生等實(shí)驗(yàn)室各位師兄、師弟、師妹,我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室親如一家,是他們一起營(yíng)造了和諧的實(shí)驗(yàn)室氛圍,讓我度過了終生難忘的快樂時(shí)光。感謝摯友李麗娜、田盈和我一起互勉勵(lì)、共成長(zhǎng)。最后,深深感謝呵護(hù)我成長(zhǎng)的父母、哥哥、姐姐,感謝家人對(duì)我年求學(xué)的一路支持與奉獻(xiàn),祝愿他們生活幸福、身體健康。感謝男友給予我的鼓勵(lì)。再次向所有曾經(jīng)關(guān)心和幫助的過我的師長(zhǎng)、朋友、同學(xué)和親人表示最衷心的感謝。高麗媛年月浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要摘要隨著永磁同步電機(jī)的廣泛應(yīng)用,高性能永磁同步電機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)電機(jī)控制精度的要求越來越高。在很多場(chǎng)合,傳統(tǒng)的控制方法已難以滿足較高的控制需要。模型預(yù)測(cè)控制,考慮控制量對(duì)系統(tǒng)未來狀態(tài)的影響,可以得到高性能的控制效果,在過程控制領(lǐng)域已取得成功的應(yīng)用。但是目前為止,國(guó)內(nèi)外將模型預(yù)測(cè)算法應(yīng)用于永磁同步電機(jī)的研究較少。深入研究基于模型預(yù)測(cè)算法的永磁同步電機(jī)控制,可以有效提高電機(jī)能源利用率,具有重要的實(shí)際意義。為此,本文對(duì)永磁同步電機(jī)的模型預(yù)測(cè)控制進(jìn)行了研究,主要研究?jī)?nèi)容有:、以永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理為基礎(chǔ),分析了的數(shù)學(xué)模型,矢量控制方法、電壓空間矢量調(diào)制原理及實(shí)現(xiàn)。在/仿真環(huán)境下對(duì)基于矢量控制的永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真,為模型預(yù)測(cè)控制的研究奠定了基礎(chǔ)。、結(jié)合模型預(yù)測(cè)控制的基本原理和特點(diǎn),給出了永磁同步電機(jī)模型預(yù)測(cè)控制器的設(shè)計(jì)方法。在/仿真環(huán)境下,建立永磁同步電機(jī)模型預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的仿真模型。、利用自動(dòng)微分,理論建立永磁同步電機(jī)電流模型預(yù)測(cè)控制算法。依據(jù)原理,對(duì)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行泰勒級(jí)數(shù)展開,建立了更為精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型。采用方法,給出了永磁同步電機(jī)泰勒級(jí)數(shù)靈敏度的計(jì)算方法,再利用表示為預(yù)測(cè)值靈敏度形式的雅克比矩陣,計(jì)算價(jià)值函數(shù),獲得控制量,提高了預(yù)測(cè)精度。針對(duì)電流環(huán)參數(shù)變化導(dǎo)致預(yù)測(cè)效果變差的問題,提出將所有參數(shù)變化以附加項(xiàng)表示,利用擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器,觀測(cè)這個(gè)附加項(xiàng)并前饋補(bǔ)償。本文通過對(duì)模型預(yù)測(cè)控制的研究,利用算法提高了永磁同步電機(jī)的控制精度,理論分析和仿真結(jié)果驗(yàn)證了提出算法在永磁同步電機(jī)中應(yīng)用的有效性,并給出了下一步的研究方向。關(guān)鍵詞:永磁同步電機(jī),模型預(yù)測(cè)控制,自動(dòng)微分原理,擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文缸,,..,..,.,,:.,,,,./,?...。....,?..浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文:,,目錄浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文目錄致謝.....??...?.摘要??....??......?...??..??..??.?..目錄...?.........?第章緒論...課題背景??.......??....交流調(diào)速系統(tǒng)的控制策略??...模型預(yù)測(cè)控制及其發(fā)展..國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀??...基于線性模型預(yù)測(cè)算法的研究現(xiàn)狀?....基于非線性模型預(yù)測(cè)算法的研究現(xiàn)狀?.本文的研究意義和主要研究?jī)?nèi)容..第章永磁同步電機(jī)仿真建模?.永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型............永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)??...永磁同步電機(jī)的基本方程?.永磁同步電機(jī)的矢量控制??...坐標(biāo)變換??....永磁同步電機(jī)軸數(shù)學(xué)模型...........永磁同步電機(jī)矢量控制方法?...電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù).....?....永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)?...?..本章小結(jié).?.?...??.?第章永磁同步電機(jī)模型預(yù)測(cè)控制?......??...模型預(yù)測(cè)控制??..浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文目錄..預(yù)測(cè)模型??....滾動(dòng)優(yōu)化?.?....?........反饋校正.....?....永磁同步電機(jī)模型預(yù)測(cè)控制原理..仿真分析..........??.??.?....本章小結(jié)?第章應(yīng)用自動(dòng)微分的永磁同步電機(jī)模型預(yù)測(cè)控制?.自動(dòng)微分原理??...利用自動(dòng)微分技術(shù)求泰勒級(jí)數(shù).??.??..永磁同步電機(jī)自動(dòng)微分模型預(yù)測(cè)算法設(shè)計(jì)?....永磁同步電機(jī)預(yù)測(cè)模型的泰勒級(jí)數(shù)展開..滾動(dòng)優(yōu)化??.............應(yīng)用自動(dòng)微分的靈敏度推導(dǎo)...擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器誤差校正.......?...仿真分析........優(yōu)化時(shí)域、控制時(shí)域及泰勒級(jí)數(shù)展開級(jí)數(shù)的選取...仿真模型及仿真結(jié)果??..本章小結(jié)?第章總結(jié)與展望?.....?...主要結(jié)論........?..后續(xù)研究工作展望?.....?..參考文獻(xiàn)?.攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文?...?..?..?...浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第章緒論第章緒論.課題背景能源一直是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)。環(huán)顧當(dāng)今世界,能源短缺引起的一系列經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、政治問題已成為整個(gè)人類社會(huì)面臨的重大挑戰(zhàn)。在現(xiàn)代社會(huì)中,電能是最為廣泛應(yīng)用的一種能源,而在電能的生產(chǎn)和使用中,電機(jī)起到機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵作用?！峨妱?dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)產(chǎn)業(yè)化途徑與對(duì)策的研究報(bào)告》顯示,我國(guó)發(fā)電總量的%消耗在電動(dòng)機(jī)上,各類電機(jī)運(yùn)行效率比國(guó)外先進(jìn)水平低~個(gè)百分點(diǎn)。因此,對(duì)電機(jī)控制技術(shù)的研究直接關(guān)系到電能開發(fā)、利用和節(jié)約。電機(jī)的種類繁多,大致可分為直流電機(jī)和交流電機(jī),交流電機(jī)按照其結(jié)構(gòu)和工作原理又可分為交流同步電機(jī)、交流異步電機(jī)。世紀(jì)~年代,直流電機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。但直流電機(jī)存在很多固有的缺點(diǎn),如換向結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易維護(hù)、產(chǎn)生換向火花使得直流電機(jī)不能在易燃易爆場(chǎng)合應(yīng)用等。到世紀(jì)年代以后,控制理論、芯片制造、電力電子等技術(shù)迅猛發(fā)展,交流電機(jī)逐漸被重視起來。特別隨著矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制的提出,交流電機(jī)的研究和應(yīng)用廣泛起來。交流電機(jī)沒有復(fù)雜的換向機(jī)構(gòu),制造方便、價(jià)格便宜、運(yùn)行可靠,因而在現(xiàn)代工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。但交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)復(fù)雜、效率低、轉(zhuǎn)子散熱困難等固有的缺點(diǎn)限制了其發(fā)展。相對(duì)于異步電機(jī),交流同步電機(jī)因其高功率因數(shù)、高效率的優(yōu)勢(shì),在調(diào)速領(lǐng)域其得到了一定的應(yīng)用。隨著永磁體勵(lì)磁的的出現(xiàn),使傳統(tǒng)的同步電機(jī)省去了轉(zhuǎn)子勵(lì)磁線圈、滑環(huán)、電刷部件等組成的勵(lì)磁系統(tǒng),電機(jī)結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)都大為簡(jiǎn)化。永磁同步電機(jī)因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)矩紋波系數(shù)小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、高功率密度、低損耗等優(yōu)點(diǎn),正取代傳統(tǒng)的直流電機(jī)和交流異步電機(jī),逐步應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸及日常生活當(dāng)中。永磁電機(jī)在世紀(jì)、年代由于永磁體的價(jià)格昂貴,它主要用于航空航天等高端領(lǐng)域。到世紀(jì)年代,永磁電機(jī)開始轉(zhuǎn)入到工業(yè)和民用領(lǐng)域。進(jìn)入世紀(jì)年代,由于永磁材料的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性不斷改善,價(jià)格不斷下降,永磁電機(jī)逐漸應(yīng)用在國(guó)防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、日常生活的各種領(lǐng)域,永磁電機(jī)的發(fā)展浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第章緒論進(jìn)入了一個(gè)全新的階段。因此,研究和發(fā)展高性能永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)來滿足現(xiàn)代工業(yè)迅速發(fā)展的要求具有重要的實(shí)用價(jià)值,本文正是在這一背景下展開的工作。.交流調(diào)速系統(tǒng)的控制策略電機(jī)的調(diào)速控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖.所示,它由控制器、功率驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)裝置三部分構(gòu)成。其中電機(jī)控制器包括速度控制、電流控制雙層結(jié)構(gòu)。圖.電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)奠定交流電機(jī)高性能控制基礎(chǔ)的兩大理論:矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。矢量控制是年由德國(guó)學(xué)者提出。矢量控制‘,借鑒直流電機(jī)電樞電流和勵(lì)磁電流相互垂直、沒有耦合、可以獨(dú)立控制的思路,以坐標(biāo)變換理論為基礎(chǔ),通過對(duì)電機(jī)定子電流在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中大小和方向的控制,達(dá)到對(duì)直軸和交軸分量的解耦,從而實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)矩的解耦控制,使交流電機(jī)具有類似直流電機(jī)的控制性能。矢量控制的出現(xiàn)對(duì)電機(jī)控制的研究重大的意義,使得電機(jī)控制技術(shù)邁進(jìn)了一個(gè)新的發(fā)展時(shí)代。直接轉(zhuǎn)矩控制由德國(guó)教授于年提出【】。矢量控制具有轉(zhuǎn)矩響應(yīng)較慢,易受電機(jī)參數(shù)變化影響等缺點(diǎn)。相較于矢量控制算法,直接轉(zhuǎn)矩控制采用定子磁場(chǎng)定向,不進(jìn)行復(fù)雜的坐標(biāo)變換、直接在靜止坐標(biāo)系中對(duì)電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制,簡(jiǎn)化了算法、提高了轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度。同時(shí),采用滯環(huán)電流控制器,使電機(jī)控制效果對(duì)電機(jī)參數(shù)變化不敏感。因此,它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,對(duì)電機(jī)參數(shù)依賴小、系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快等特點(diǎn),特別適合于需要快速響應(yīng)的電機(jī)控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)矢量控制系統(tǒng)的電流控制、轉(zhuǎn)速控制以及直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制均采用控制器?？刂凭哂薪Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn),但其參數(shù)調(diào)整依賴浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第章緒論于操作者的經(jīng)驗(yàn),性能受系統(tǒng)參數(shù)變化影響較大,實(shí)際中的控制效果一直不盡如人意。近年來,國(guó)內(nèi)外學(xué)者將不少先進(jìn)的控制策略相繼引入了電機(jī)控制系統(tǒng)以進(jìn)一步提高和改善的控制控制效果性能。這些控制策略大多以矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制為基礎(chǔ),如自適應(yīng)控制、無傳感器控制【】、反推控制【】、滑模變結(jié)構(gòu)控制‘、模型預(yù)測(cè)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制滑模變結(jié)構(gòu)控制是世紀(jì)年代初,前蘇聯(lián)學(xué)者依特克斯.等人提出的一種控制策略?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制具有開關(guān)控制的非線性特征。依據(jù)被調(diào)量的偏差及導(dǎo)數(shù),以開關(guān)的形式調(diào)整控制量,使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以階躍方式有目的地變化,使系統(tǒng)軌跡沿著設(shè)計(jì)的開關(guān)面滑動(dòng)。滑模變結(jié)構(gòu)控制以其無需在線參數(shù)辨識(shí)、易實(shí)現(xiàn)、強(qiáng)魯棒性等優(yōu)點(diǎn),在實(shí)際工程中得到了一定的應(yīng)用。但滑模變結(jié)構(gòu)控制存在固有抖振,主要原因是:在實(shí)際控制中,控制力是有限的,從而使系統(tǒng)的加速度有限;系統(tǒng)慣性等導(dǎo)致切換開關(guān)時(shí)間滯后,特別是對(duì)于計(jì)算機(jī)采樣系統(tǒng),總存在一個(gè)采樣周期的開關(guān)時(shí)間滯后,由此會(huì)造成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化不及時(shí)。在實(shí)際系統(tǒng)中抖振問題的無法消除,使得滑模變結(jié)構(gòu)的應(yīng)用受到了限制。自適應(yīng)控制自適應(yīng)控制能夠依據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部和外部干擾造成的輸出誤差不斷調(diào)節(jié)控制器參數(shù),使控制器逐漸完善、滿足實(shí)際控制的需要。自適應(yīng)控制對(duì)控制對(duì)象參數(shù)的依賴性小,不需要太多的關(guān)于模型和擾動(dòng)先驗(yàn)知識(shí),具有較強(qiáng)的實(shí)用性。在交流調(diào)速控制系統(tǒng)中常用的自適應(yīng)控制方法有模型參考自適應(yīng)控制、參數(shù)辨識(shí)自校正控制‘以及非線性自適應(yīng)控制。在自適應(yīng)控制存在的主要缺點(diǎn)是:第一、自適應(yīng)控制算法通常較為繁瑣,難以在快速的時(shí)變系統(tǒng)中應(yīng)用。第二、在初始階段自適應(yīng)控制的效果較差,難以滿足需要,有時(shí)甚至?xí)茐南到y(tǒng)的穩(wěn)定性。反推控制反推控制思想出現(xiàn)較早,但到世紀(jì)年代才被等人首先提出。其基本思想是將復(fù)雜的非線性系統(tǒng)分解為若干個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的子系統(tǒng),并為其設(shè)計(jì)系統(tǒng)函數(shù)和中間虛擬信號(hào),這樣,整個(gè)系統(tǒng)的控制信號(hào)由虛擬信號(hào)遞歸得到。它每一步只處理一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)且保證虛擬誤差收斂到零,因此反推控制能使浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第章緒論整個(gè)系統(tǒng)漸近穩(wěn)定。智能控制】智能控制理論的基本思想是模擬人腦思維等自然界存在的行為,它一改傳統(tǒng)的控制觀念,在控制中引入邏輯、推理等因素,擺脫了對(duì)控制對(duì)象數(shù)學(xué)模型的依賴,對(duì)處理難以建模、或復(fù)雜非線性難于控制的問題具有明顯優(yōu)勢(shì)。智能控制常用的控制方法有模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家系統(tǒng)等。在交流伺服系統(tǒng)中模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用較多,其研究已經(jīng)取得了一些成果。但是智能控制在電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用發(fā)展尚不成熟,還有許多問題需要解決。其中最顯著的缺點(diǎn)是,大多數(shù)智能控制策略的控制器設(shè)計(jì)方法還沒有形成完整的理論,主要通過經(jīng)驗(yàn)來設(shè)計(jì),控制結(jié)果難以保證。這些條件限制了智能控制的發(fā)展。無傳感器控制在傳統(tǒng)調(diào)速控制中,無論是矢量控制還是其他控制策略系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速信息都需要通過光電編碼器等位置或速度傳感器來獲得,以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。但是傳感器增加了電機(jī)的體積和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,使系統(tǒng)的可靠性降低,而且傳感器的靈敏度和分辨率易受應(yīng)用環(huán)境中溫度、電磁噪音的干擾,這使得電機(jī)控制精度降低。加之,傳感器使電機(jī)成本增加,限制了電機(jī)的低成本發(fā)展,因此無傳感器的控制也成為了一個(gè)研究的熱點(diǎn)。無傳感器運(yùn)行控制系統(tǒng)是通過直接計(jì)算、狀態(tài)估計(jì)等方法,從電機(jī)繞組電壓、電流等電信號(hào)中提取轉(zhuǎn)子的位置和速度信號(hào),并將其應(yīng)用到閉環(huán)控制系統(tǒng)中,從而取代傳感器。對(duì)于永磁同步電機(jī)無傳感器控制策略可分為三大類‘:適用于中、高速的控制方法;適用于低速的無傳感器控制方法;適合于轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)的方法。但是,到目前為止,還沒有能夠在電機(jī)低速和高速運(yùn)行范圍內(nèi)都能滿足控制精度要求的方法。雖然在一些實(shí)際產(chǎn)品中出現(xiàn)了無傳感器控制的功能,但總體而言無傳感器控制技術(shù)還未達(dá)到可實(shí)用水平。.模型預(yù)測(cè)控制及其發(fā)展模型預(yù)測(cè)控制是于世紀(jì)年代產(chǎn)生的一種計(jì)算機(jī)控制算法。最初由美國(guó)和法國(guó)的幾家公司提出,它不是理論上的衍化,而是在工程應(yīng)用中發(fā)展起來的,具有很強(qiáng)的工業(yè)應(yīng)用背景和廣泛的實(shí)用性。自世界年代起,模型預(yù)測(cè)控制在石油、化工、航天和能源等多個(gè)過程控制領(lǐng)域都被成功應(yīng)用。模型第章緒論浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文預(yù)測(cè)控制與其他控制方法的區(qū)別主要在于它考慮了控制量對(duì)未來狀態(tài)的影響。它的實(shí)現(xiàn)方法是,在采樣時(shí)刻依據(jù)預(yù)測(cè)模型和假設(shè)的控制輸入序列預(yù)測(cè)未來一段時(shí)域內(nèi)的狀態(tài),再在給定時(shí)域內(nèi)在線求解一個(gè)優(yōu)化問題來獲得控制輸入序列,但只將得到的控制序列的第一項(xiàng)應(yīng)用到控制系統(tǒng)中,在采樣時(shí)刻,重復(fù)相同的過程,向前滾動(dòng)優(yōu)化。模型預(yù)測(cè)控制憑借其自有的優(yōu)點(diǎn)從產(chǎn)生之初就不斷發(fā)展、應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。從模型預(yù)測(cè)控制的發(fā)展歷程來看,其經(jīng)歷了以下三個(gè)發(fā)展階段。第一個(gè)階段是在上世紀(jì)年代,以等人于年最早提出的模型預(yù)測(cè)啟發(fā)控制,;等人【提出,;等人【提出的模型算的動(dòng)態(tài)矩陣控制,為典型。這些算法是以控制對(duì)象的階躍法控制響應(yīng)或脈沖響應(yīng)為模型,在模型選擇和控制思路方面很適合復(fù)雜的工業(yè)過程應(yīng)用的要求。這類基于非參數(shù)模型的預(yù)測(cè)算法在化工、石油、汽車等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但階躍或脈沖響應(yīng)模型包含項(xiàng)數(shù)較多,需要求解很多參數(shù),模型結(jié)構(gòu)往往過于龐大。第二個(gè)階段是世紀(jì)年代初期,等人于年提出的廣義預(yù)測(cè)控制,為典型,將自適應(yīng)控制與預(yù)測(cè)控制相結(jié)合,使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能得到了改善。這類基于參數(shù)模型的模型預(yù)測(cè)控制算法在航天、機(jī)器人等精密領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用,極大地促進(jìn)了的進(jìn)一步發(fā)展。但如何在中包含狀態(tài)量和控制量的約束條件仍是一個(gè)懸而未解的難題。第三個(gè)階段是世紀(jì)年代隨著預(yù)測(cè)控制理論的初步形成,多種新型的算法、設(shè)計(jì)方法以及設(shè)計(jì)思路不斷提出,在此基礎(chǔ)上發(fā)展成為了預(yù)測(cè)控制定性綜合理論‘。在這個(gè)時(shí)期,學(xué)者們開始轉(zhuǎn)向了基于最優(yōu)控制的預(yù)測(cè)控制研究。這一階段的研究取得了豐碩的研究成果。.國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀自世界年代起,模型預(yù)測(cè)控制在化工、石油、航天和能源等多個(gè)過程控制領(lǐng)域都被成功應(yīng)用,然而其較大的計(jì)算量阻礙了其在運(yùn)動(dòng)控制中的應(yīng)用。進(jìn)浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第章緒論入世紀(jì),隨著材料學(xué)和芯片制造業(yè)的迅猛發(fā)展,芯片集成度不斷提高,計(jì)算能力迅速提高,這使得模型預(yù)測(cè)控制在運(yùn)動(dòng)控制中的研究和應(yīng)用逐漸成為可能。,年前后,國(guó)際權(quán)威雜志等發(fā)表了多篇模型預(yù)測(cè)控制應(yīng)用于永磁同步電機(jī)、異步電機(jī)以及其它逆變器控制等快時(shí)變系統(tǒng)的論文,標(biāo)志著相關(guān)研究工作取得一定進(jìn)展。其中國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)模型預(yù)測(cè)控制在永磁同步電機(jī)控制中應(yīng)用的研究提出了很多很好的思路,但總體而言,研究仍遠(yuǎn)未成熟。..基于線性模型預(yù)測(cè)算法的研究現(xiàn)狀由于永磁同步電機(jī)的非線性模型復(fù)雜,較難在永磁同步電機(jī)電流環(huán)的采樣周期內(nèi)完成。研究者大多偏向于采用線性模型預(yù)測(cè)算法控制永磁同步電機(jī)?；诰€性模型預(yù)測(cè)的這種思路可以分以下幾種方法?；谥苯愚D(zhuǎn)矩控制基于直接轉(zhuǎn)矩的控制方法是對(duì)每一組可能的逆變器開關(guān)計(jì)算其作用下狀態(tài)量的值,將其價(jià)值函數(shù)最優(yōu)的一組逆變器開關(guān)作為實(shí)際的輸出量。年,等提出了一種基于內(nèi)?？刂破?將模型預(yù)測(cè)與數(shù)學(xué)差值相結(jié)合的多步預(yù)測(cè)算法】。年,等提出了利用模型預(yù)測(cè)電流控制方法來解決多電平逆變器電壓選擇中計(jì)算量大的問題,給出了基于離散時(shí)間模型的單步預(yù)測(cè)算法。這種方法的基本控制結(jié)構(gòu)如圖.所示峨骶高轉(zhuǎn)矩磁鏈估計(jì)卜.?圖.永磁同步電機(jī)模型預(yù)測(cè)直接轉(zhuǎn)矩控制基本結(jié)構(gòu)圖基于矢量控制文獻(xiàn)中,等提出了基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的多變量模型預(yù)測(cè)控制算法。文獻(xiàn)】中,等提出了通過兩個(gè)線性模型預(yù)測(cè)控制器級(jí)聯(lián)的永磁同步電機(jī)模型預(yù)測(cè)算法。這些方法均基于矢量控制,在電流環(huán)中使用模型預(yù)測(cè)控制算法,即用線性的模型預(yù)測(cè)控制器取代永磁同步電機(jī)電流環(huán)中的控制浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第章緒論器,在線優(yōu)化得到使性能指標(biāo)函數(shù)最小值的輸入信號(hào),再給到模塊生成逆變器驅(qū)動(dòng)。這類方法的基本控制結(jié)構(gòu)如圖.所示:幣∑二爭(zhēng)?！鰣D.基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的永磁同步電機(jī)線性模型預(yù)測(cè)控制基本結(jié)構(gòu)圖模型預(yù)測(cè)直接電流控制將旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)控制與固定坐標(biāo)控制融合,先利用坐標(biāo)變換得到定子電流直流量后,再分別對(duì)每一組可能的逆變器開關(guān)計(jì)算其作用下狀態(tài)量的值,將其價(jià)值函數(shù)最優(yōu)的一組逆變器開關(guān)作為逆變器的驅(qū)動(dòng)。年等提出的方法是這類思路的代表。這類方法的基本控制結(jié)構(gòu)如圖.所示:?∑◆????■卜圖.永磁同步電機(jī)模型預(yù)測(cè)直接電流控制基本結(jié)構(gòu)圖模型預(yù)測(cè)混合控制這種控制方法通過設(shè)置一個(gè)同時(shí)包含電流和轉(zhuǎn)速控制的模型預(yù)測(cè)控制器來取代電機(jī)控制的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu),達(dá)到控制轉(zhuǎn)速和電流的目的。年,等基于這種思路提出了離線計(jì)算控制量參數(shù)、在線查表獲得控制量的方法。此方法的基本控制結(jié)構(gòu)如圖.所示:圖.永磁同步電機(jī)模型預(yù)測(cè)混合控制基本結(jié)構(gòu)圖近幾年,國(guó)內(nèi)學(xué)者也開始了對(duì)基于線性模型的永磁同步電機(jī)預(yù)測(cè)控制的研究,如年王宏佳等提出了基于矢量控制技術(shù)的無差拍永磁同步電機(jī)電流預(yù)浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第章緒論測(cè)控制算法,可以看做一類特殊的模型預(yù)測(cè)控制方法。目前國(guó)內(nèi)學(xué)者的研究主要集中于轉(zhuǎn)速環(huán),以電流環(huán)為控制目標(biāo)的研究成果較少,但還有一些針對(duì)相同時(shí)間尺度、其它控制對(duì)象的研究結(jié)果。年的研究成果表明,基于線性預(yù)測(cè)模型采用單步預(yù)測(cè)時(shí),對(duì)的控制效果和傳統(tǒng)采用空間矢量調(diào)制的算法相當(dāng),但采用多步預(yù)測(cè)時(shí),其控制效果要比空間矢量調(diào)制算法好的多【。但多步線性模型預(yù)測(cè)需要更長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間,產(chǎn)生的預(yù)測(cè)時(shí)滯問題導(dǎo)致了實(shí)際逆變器驅(qū)動(dòng)的滯后,難以達(dá)到理想的控制效果。年,總結(jié)了模型預(yù)測(cè)時(shí)滯問題,提出了提前一步的補(bǔ)償方法,可以減少預(yù)測(cè)時(shí)滯對(duì)永磁同步電機(jī)預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的影響‘。..基于非線性模型預(yù)測(cè)算法的研究現(xiàn)狀線性模型預(yù)測(cè)算法雖然相對(duì)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn),但忽略了模型非線性部分,不能完全反映控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)性能,難以實(shí)現(xiàn)高性能控制。而非線性模型預(yù)測(cè)算法在這方面有顯著優(yōu)勢(shì)。近年來,隨著和技術(shù)的不斷成熟,在線完成永磁同步電機(jī)的非線性模型預(yù)測(cè)控制逐漸成為可能,出現(xiàn)了少量基于非線性模型的永磁同步電機(jī)預(yù)測(cè)控制的研究成果。等在年提出了基于永磁同步電機(jī)的非線性連續(xù)模型,求出使二次型價(jià)值函數(shù)在一段固定時(shí)間后達(dá)到最小的系統(tǒng)輸入作為實(shí)際輸入,再經(jīng)電壓調(diào)制成為逆變器驅(qū)動(dòng)的方法。它包含兩個(gè)非線性模型預(yù)測(cè)控制器,分別控制永磁同步電機(jī)的電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán),并采用了具有抑制超調(diào)功能的誤差觀測(cè)器以增強(qiáng)系統(tǒng)魯棒性四。雖然基于模型預(yù)測(cè)算法的永磁同步電機(jī)控制研究已有如上所述的初步成果,各國(guó)專家學(xué)者提出了一些值得借鑒的思路,但是總體而言,將模型預(yù)測(cè)算法應(yīng)用于永磁同步電機(jī)的研究仍處于初級(jí)階段,距離實(shí)用化還有相當(dāng)距離,對(duì)其研究也具有較大的意義。隨著永磁同步電機(jī)的迅速發(fā)展,尤其芯片技術(shù)的迅猛發(fā)展,對(duì)于永磁同步電機(jī)模型預(yù)測(cè)算法的研究是一個(gè)有價(jià)值、值得嘗試的研究方向。.本文的研究意義和主要研究?jī)?nèi)容如上所述,在現(xiàn)在工業(yè)應(yīng)用中,永磁同步電機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、動(dòng)態(tài)浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第章緒論響應(yīng)快、損耗小、功率高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛采用。加之,我國(guó)是稀土大國(guó),稀土資源豐富,稀土永磁產(chǎn)量居世界首位,進(jìn)入世紀(jì),“全球永磁體產(chǎn)業(yè)中心”已轉(zhuǎn)移到我國(guó),這為永磁同步電機(jī)的發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。目前為止,永磁同步電機(jī)被廣泛應(yīng)用的高性能要求的控制場(chǎng)合,應(yīng)用中對(duì)控制精度的要求也越來越高。深入研究基于模型預(yù)測(cè)算法的永磁同步電機(jī)控制,不僅可以促進(jìn)數(shù)學(xué)、控制、計(jì)算機(jī)等相關(guān)領(lǐng)域的研究,而且可以有效提高電機(jī)能源利用率。因此,對(duì)永磁同步電機(jī)模型預(yù)測(cè)控制的研究有很大的實(shí)際意義。本文以永磁同步電機(jī)為研究對(duì)象,首先在分析了傳統(tǒng)控制方法不足的基礎(chǔ)上,以模型預(yù)測(cè)為控制算法,對(duì)永磁同步電機(jī)控制進(jìn)行了研究。其次,針對(duì)傳統(tǒng)模型預(yù)測(cè)中差分方法精度不夠的缺點(diǎn),本文采用了自動(dòng)微分的方法,進(jìn)行了基于自動(dòng)微分的永磁同步電機(jī)研究。最后,通過/仿真,說明采用模型預(yù)測(cè)算法以后,控制系統(tǒng)具有更好的性能和效果。全文共分為五章:第一章給出課題研究背景,簡(jiǎn)單介紹了交流調(diào)速系統(tǒng)的控制策略、模型預(yù)測(cè)控制的發(fā)展歷程,并對(duì)永磁同步電機(jī)模型預(yù)測(cè)控制的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述,最后闡明了課題的意義和本文主要研究的內(nèi)容。第二章介紹了永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和分類,推導(dǎo)給出了永磁同步電機(jī)靜止三相坐標(biāo)系軸系、軸系下的數(shù)學(xué)模型,給出了變換和變換兩種坐標(biāo)變換,分析了的基本原理。介紹了永磁同步電機(jī)電流矢量控制方法,分析各種方法的特點(diǎn),并建立利用控制的系統(tǒng)/仿真模型。第三章詳述了模型預(yù)測(cè)控制的原理、算法。采用/環(huán)境對(duì)永磁同步電機(jī)模型預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明,模型預(yù)測(cè)控制的方法可以應(yīng)用在傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制中,達(dá)到理想的控制效果。第四章詳述了采用自動(dòng)微分算法的模型預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)模型預(yù)測(cè)控制算法采用差分方法或側(cè)預(yù)測(cè)值,造成一定的預(yù)測(cè)誤差,影響控制精度。本文提出將高階項(xiàng)包含到預(yù)測(cè)模型中,并利用自動(dòng)微分的方法簡(jiǎn)化了泰勒級(jí)數(shù)的展開過程,從而彌補(bǔ)了傳統(tǒng)差分方法的不足,提高了模型精度?？紤]到預(yù)測(cè)模型易受內(nèi)部和外部干擾的影響,在系統(tǒng)中加入擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器以提高系統(tǒng)的魯棒性。在浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第章緒論/仿真環(huán)境下對(duì)提出的算法進(jìn)行了仿真研究。仿真結(jié)果表明,本文提出的基于自動(dòng)微分方法的模型預(yù)測(cè)控制,可以有效提高控制精度,并對(duì)控制對(duì)象參數(shù)變化具有較好的魯棒性。第五章是總結(jié)了本文的主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn),并指出今后研究工作的主要方向。浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第章永磁同步電機(jī)仿真建模第章永磁同步電機(jī)仿真建模.永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型..永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)從電勵(lì)磁三相同步電動(dòng)機(jī)發(fā)展而來。它與電勵(lì)磁三相同步電動(dòng)機(jī)的區(qū)別就是的勵(lì)磁系統(tǒng)用的是永磁體,省去了集電環(huán)、電刷和勵(lì)磁繞組部分,而定子和電勵(lì)磁的三相同步電動(dòng)機(jī)基本相同。常見的永磁同步電機(jī)可以分為正弦波驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)和方波驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)。本論文以三相正弦波驅(qū)動(dòng)交流永磁同步電機(jī)為研究對(duì)象。永磁同步電動(dòng)機(jī)和普通同步電動(dòng)機(jī)一樣由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。永磁同步電機(jī)按照永磁體在轉(zhuǎn)子上的位置不同分類,有面裝式、插入式和內(nèi)裝式種【,如圖.所示。面裝式插入式內(nèi)裝式圖.水磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)面裝式結(jié)構(gòu)相當(dāng)于隱極同步電機(jī),插入式和內(nèi)裝式相當(dāng)于凸極同步電機(jī)。面裝式結(jié)構(gòu)可以使電機(jī)轉(zhuǎn)子直徑變得較小,導(dǎo)致電機(jī)慣量變小,適合于調(diào)速系統(tǒng)。根據(jù)轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)的不同,永磁同步電機(jī)分為單極和多極。與電勵(lì)磁機(jī)相比,永磁電機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)】:永磁體代替了勵(lì)磁系統(tǒng),減少消耗,提高了效率。勵(lì)磁繞組和勵(lì)磁電源的取消使永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠。浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第章永磁同步電機(jī)仿真建模七,,訃七渤式中,臼為定子繞組與轉(zhuǎn)子永磁體夾角,一,%,為三相繞組的全磁鏈,。圖.二極面裝式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖在圖.中,三相繞組的電壓方程表示為“彳‘百..“占足‘百鏟七等式中,“口,“為三相繞組相電壓,,為三相繞組相電流,尺。為每相繞組拍,囂薹蘭篆睡囊式中,上朋,,分別為定子各相自感,三舳氣一們
翻,
口為兩相繞組互感,%,歸,分別為勵(lì)磁磁場(chǎng)在各項(xiàng)繞組產(chǎn)生的互感磁鏈。因假定氣隙均勻、各項(xiàng)對(duì)稱,因此繞組的互感以及自感與轉(zhuǎn)子的位置都沒有關(guān)系,均為常值。令為繞組自感,則有匕。。.式中,。,厶。分別為相繞組的漏電感和勵(lì)磁電感。令為繞組互感,因相繞組彼此在空間間隔電角度,且因定子繞組產(chǎn).肌匕咆厶咆等扛另外,永磁磁通對(duì)定子側(cè)產(chǎn)生的磁鏈為歸吩一.弦/,孚浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第章永磁同步電機(jī)仿真建模電機(jī)型接法,三相電流滿足如。關(guān)系式.‘‘將式.、.、.代.,得』?少口/,.口?‘一??其中三?要,。代入式.,得到如下方程%足‘
瓦?廠哆.足‘哮一,縱臼一詈萬¨警;州叩爭(zhēng).永磁同步電機(jī)的矢量控制由永磁同步電機(jī)在坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型可以看出它是一個(gè)多變量、非線性、時(shí)變、強(qiáng)耦合系統(tǒng),要分析和求解它的微分方程組十分困難,要想像直流電機(jī)那樣方便地控制其轉(zhuǎn)矩進(jìn)而調(diào)速就更困難。交流電機(jī)的矢量控制思想的出現(xiàn),在理論上解決了這一問題。矢量控制的理論基礎(chǔ)是空間矢量理論【,空間矢量、矢量變換和矢量方程是構(gòu)成矢量控制的重要基礎(chǔ)。矢量控制的基本原理】就是將電流矢量分解為產(chǎn)生磁通的勵(lì)磁電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量,兩個(gè)分量相互垂直,然后分別對(duì)其進(jìn)行控制,其控制框圖】如圖.所示。給圖.矢量控制原理框圖由圖可知,以軸表示的矢量方程是分析矢量控制的基礎(chǔ)方程,但這些浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第章永磁同步電機(jī)仿真建模方程不能直接被用來實(shí)現(xiàn)控制。為此,需要通過坐標(biāo)變換或矢量變換來滿足控制的需要。..坐標(biāo)變換為了不影響機(jī)電能量轉(zhuǎn)換和電磁轉(zhuǎn)矩的生成,坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后要保證電動(dòng)機(jī)內(nèi)的磁場(chǎng)分布不變。因此,磁動(dòng)勢(shì)等效是坐標(biāo)變換的基礎(chǔ)和原則。變換/圖.給出了、、和口、‖兩個(gè)坐標(biāo)系,設(shè)定軸與軸重合。圖./坐標(biāo)變換的軸系和軸系設(shè)三相系統(tǒng)的每相繞組匝數(shù)為Ⅳ,兩相系統(tǒng)的有效匝數(shù)為Ⅳ,磁動(dòng)勢(shì)的大小為有效匝數(shù)與線圈內(nèi)瞬時(shí)電流的乘口、盧積。滿足坐標(biāo)變換的原則,三相定子繞組和兩相定子繞組可以相互等效,那么,二者各自的合成磁動(dòng)勢(shì)相等均為。則有.、式中,口/。,、局為、坐標(biāo)軸系各自產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì),、、疋為坐標(biāo)軸系各自方向上產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)令等式兩邊虛部、實(shí)部相等可得:浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第章永磁同步電機(jī)仿真建模Ⅳ屯‘.。Ⅳ‘。等。竺?一三‘.Ⅳ縐。Ⅳ‘等Ⅳ了孚Ⅳ‘一如由控制框圖可知控制過程中需用到坐標(biāo)逆變換。為了方便求解逆變換,需要將變換陣表示為可逆方陣。為此,在以上兩相系統(tǒng)上添加一項(xiàng)零軸磁動(dòng)勢(shì):。,并定義:Ⅳ乇哦‘,對(duì)于永磁同步電機(jī),一般有乇。將以上三式合在一起,寫成矩陣形式,得一一二‘,魚一笪.‘凇阱廠廠√√、一式中,是三相坐標(biāo)系到二相坐標(biāo)系的變換陣。/一?』.由于正交變換它不改變矢量的長(zhǎng)度,因此當(dāng)滿足功率不變條件時(shí),中間變量應(yīng)具有這一性質(zhì),變換陣滿足壓一、.:/?:/?百』壓由%:,日礦嗽Ⅳ信,且擊即~浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第章永磁同步電機(jī)仿真建模一三一。忑斤,/,一嚴(yán)魚一魚/一、『/、/壓壓壓壓變換變換是美國(guó)人派克最早提出的三相變二相的變換。圖.給出了靜止叩軸系和旋轉(zhuǎn)軸系兩個(gè)坐標(biāo)系。旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的兩個(gè)直流電流、。和靜止坐標(biāo)系的兩相交流電流。、‘產(chǎn)生同樣的以轉(zhuǎn)速國(guó)旋轉(zhuǎn)的合成磁動(dòng)勢(shì)。圖./坐標(biāo)變換的【軸系和旋轉(zhuǎn)軸系由圖中關(guān)系可得口口一。盧為了湊成方測(cè):。。則有.拌瓣三通過式.和.,可得從靜止的三相坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)的二相坐浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第章永磁同步電機(jī)仿真建模標(biāo)系的變換式。脅為剛?cè)者藕?剛?一/一.口坩.口”./一、.爭(zhēng)堡刪臼等.一.一壓上壓壓其反變換式為臼壓廳./吲脅√量臼一等刪臼一等壓臼等,刪口爭(zhēng)壓..水磁同步電機(jī)軸數(shù)學(xué)模型分析永磁同步電機(jī)最常用的是軸數(shù)學(xué)模型。在坐標(biāo)系下描述的的數(shù)學(xué)模型使永磁同步電機(jī)的物理意義更加明確‘:以旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子為參照物,軸是相互呈度夾角、軸中流過的電流為直流且兩軸保持靜止,即軸系是隨著轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系。假設(shè)軸旋轉(zhuǎn)到主磁鏈軸線的位置,此時(shí)永磁同步電機(jī)的分析相當(dāng)于直流電機(jī),軸為勵(lì)磁繞組,軸繞組為相對(duì)靜止的電樞繞組。這樣就使得的問題分析變得簡(jiǎn)單了。從式.、.可以得到‘√;‘臼√三乇,.?,“一√詈“。。臼一“。臼√圭“。,一√詈。。?。口√三。,將式.代入式.中“』‘垡絲等式中,得到浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第章永磁同步電機(jī)仿真建模“?屯一皇考筍。一“口一足二/。一足如一警,:。.?,?一尼%.咄%乙一肛州%,%.盟以盟出其中少,厶‘,三三,,‘氣.厶乞,,吾。屯.廠∞永磁同步電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩方程為。..’”?！?。吼鵠。:孚/‘厶一厶‘‘二孚‖/‘厶一厶‘‘對(duì)于隱極,‘,因此其輸出轉(zhuǎn)矩不包括由凸極結(jié)構(gòu)引起的磁阻轉(zhuǎn)矩;而凸極的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)厶≠‘。由.、.、.得到永磁同步電機(jī)的軸下數(shù)學(xué)模型為厶魯一厶一。.∞厶‘國(guó),心厶魯一,知厶一知礦肛吒式中,,‘,,“。分別是坐標(biāo)下的電流、電壓,厶,‘為?坐標(biāo)下的定子電感,國(guó)為角速度,‰為極對(duì)數(shù),磁鏈。了/浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第章永磁同步電機(jī)仿真建模..永磁同步電機(jī)矢量控制方法交流調(diào)速系統(tǒng)控制的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)高性能控制電機(jī)的瞬時(shí)力矩。對(duì)來講,其瞬時(shí)力矩控制的要求為響應(yīng)快、脈動(dòng)小、功率因數(shù)高、精度高等。從給出軸數(shù)學(xué)模型來看,對(duì)永磁同步電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的控制可以轉(zhuǎn)換為對(duì)軸電流的控制。永磁同步電動(dòng)矢量控制的方法有:控制法,最大轉(zhuǎn)矩/電流比控制,恒磁鏈控制,控制法等?，F(xiàn)在常用的控制方法為最大轉(zhuǎn)矩/電流比控制法和控制法。,控制方法是充分利用逆變的容量使電機(jī)的功率因數(shù)恒為,這一控制方法最大輸出力矩小、控制相對(duì)復(fù)雜,一般適用于大功率交流同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng);恒磁鏈控制方法,可以得到比較高的功率因數(shù),從而提高電機(jī)的最大輸出力矩,在輸出轉(zhuǎn)矩相同時(shí),所需要的逆變器容量相對(duì)比較小,但是去磁分量大,當(dāng)電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)輸出力矩滿足電機(jī)要求時(shí),力矩電流比最大控制的優(yōu)點(diǎn)是定子電流幅值達(dá)到最小,提高穩(wěn)態(tài)運(yùn)行效率?！目刂品椒ㄗ詈?jiǎn)單?！畷r(shí),從電機(jī)角度看,永磁電機(jī)相當(dāng)于一臺(tái)他勵(lì)的直流電機(jī),其定子電流沒有直軸分量,且永磁體空間矢量和磁動(dòng)勢(shì)空間矢量正交,電磁力矩和電樞電流成線性關(guān)系,無去磁效應(yīng)。在隱極式中,屯控制算法等價(jià)于力矩電流比最大的方法,即可以保證用最小的電流幅值得到最大的輸出轉(zhuǎn)矩。由于‘的控制方法轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小、控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單,可以獲得較寬的調(diào)速范圍,所以這種轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向方式對(duì)于小容量交流調(diào)速系統(tǒng)特別是永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)非常適合。在‘時(shí),永磁同步電機(jī)的軸模型式.變?yōu)?.磅一刪一,,。三胛,,‘一∞一上當(dāng)屯時(shí),電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與交軸電流成線性關(guān)系。時(shí)的永磁同步電動(dòng)機(jī)空間矢量圖如圖.所示浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第章永磁同步電機(jī)仿真建模。。\∞‘厶“\\乒分‖掣圖.時(shí)的電機(jī)相量圖..電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)【在交流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)中,電動(dòng)機(jī)電流正弦化的目的是電動(dòng)機(jī)的磁鏈成為圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),從而使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。按照磁鏈軌跡為圓的目的形成控制信號(hào),因?yàn)殡妷嚎臻g矢量可以得到磁鏈的軌跡,所以稱為電壓空間矢量控制。如.所示的是典型的三相電壓源逆變器。圖中、和屹是逆變器的輸出電壓,六個(gè)由,’,,’,和’控制開關(guān)通斷。逆變器為了滿足電機(jī)正常工作,需要、、三相供電,也就是在任一時(shí)刻都有.’、.’和.’每個(gè)橋臂上有一個(gè)器件導(dǎo)通,即有三個(gè)器件同時(shí)導(dǎo)通,而另三個(gè)器件關(guān)斷。規(guī)定當(dāng)晶閘管、、處于開通時(shí)用狀態(tài)“”表示,晶閘管、、處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)用狀態(tài)“”表示。圖.三相電壓型逆變電路因此三個(gè)橋臂?’,一’,?’產(chǎn)生種狀態(tài)組合,由逆變器輸出電壓直接的浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第章永磁同步電機(jī)仿真建模關(guān)系以及開關(guān)狀態(tài)可以得到六個(gè)有效電壓矢量,,,,,和兩個(gè)零電壓矢量和。其中六個(gè)有效電壓矢量相鄰向量相差、電壓幅值為必圪。開關(guān)狀態(tài)和電壓關(guān)系如圖.所示。技術(shù)就是通過這個(gè)電壓的不用組合來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電壓,常用的就是相鄰的兩個(gè)非零矢量和一個(gè)零矢量合成所需電壓耐。任意的時(shí)間周期內(nèi),保證逆變器輸出均值與叱,均值相等。.?‘?’%屹圖.電壓空間矢量關(guān)系圖以圖.中第扇區(qū)為例分析以第一個(gè)扇區(qū)舉例,用其兩個(gè)相鄰有效矢量,、:和零矢量來合成參考矢量%,可以得到一圖.第一扇區(qū)電壓空間矢量關(guān)系圖’‘%’,%?,‘浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第章永磁同步電機(jī)仿真建模由圖.中關(guān)系可知:%巧?爭(zhēng)%圪/;?等%‖因此,一√圪圪一√..圪%??、,口、軸分量圪一Ⅳ%%一Ⅳ%可得到,一圪一一丁一,巧三圪.\?。,一。一??一圪同理,可得到參考電壓矢量在其他扇區(qū)時(shí)的作用時(shí)間值。令竿卜芻也一九瓦盧礦‰可得到每個(gè)扇區(qū)作用時(shí)間,如表.所示。表.相鄰非零矢量作用時(shí)間要實(shí)現(xiàn)算法,還需要做如下工作:扇區(qū)判斷定義變量如下浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第章永磁同步電機(jī)仿真建模?口一?則與空間電壓矢量所處的扇區(qū)關(guān)系如表.所示。表.值與扇區(qū)對(duì)應(yīng)關(guān)系開關(guān)切換時(shí)間的計(jì)算定義
;三丟三丟麓在不同的扇區(qū)中,根據(jù)表.對(duì)乏。,、乙:、乙,進(jìn)行賦值。..永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)通過坐標(biāo)變換、空間矢量調(diào)制算法,在中可根據(jù)圖.中永磁同步電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)框圖進(jìn)行仿真模塊的搭建。控制采用包括速度環(huán)和電流環(huán)的雙閉環(huán)控制,由控制器模塊、/、/坐標(biāo)變換模塊、空間矢量脈寬調(diào)制模塊等組成如圖.所示。浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第章永磁同步電機(jī)仿真建模.永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)框圖圖.永磁同步電機(jī)矢量控制/仿真圖.本章小結(jié)本章介紹了永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)、分類以及其數(shù)學(xué)模型,并介紹了坐標(biāo)變換過程中的變換和變換。推導(dǎo)給出了永磁同步電機(jī)靜止三相坐標(biāo)系、軸系下的數(shù)學(xué)模型,分析了的基本原理,為后面章節(jié)提供理論基礎(chǔ)。給出了的矢量控制方法,分析了采用轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的控制,可大大簡(jiǎn)化交流電機(jī)的控制方法,提高電機(jī)的控制性能。最后給出了/仿真環(huán)境下基于矢量控制的永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的仿真圖。浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第章永磁同步電機(jī)基本模型預(yù)測(cè)控制第章永磁同步電機(jī)模型預(yù)測(cè)控制.模型預(yù)測(cè)控制模型預(yù)測(cè)控制,是世紀(jì)年代產(chǎn)生于工業(yè)過程控制領(lǐng)域的一類計(jì)算機(jī)控制算法【,。是以預(yù)測(cè)模型為基礎(chǔ)的一種利用預(yù)測(cè)變化的趨勢(shì)進(jìn)行調(diào)節(jié)的控制算法。實(shí)用過程中,的形式多種多樣,但無論采用何種形式,各類幾乎都能歸納為預(yù)測(cè)模型、滾動(dòng)優(yōu)化、誤差校正三個(gè)基本特征【。針對(duì)這三個(gè)基本特征,本章給出永磁同步電機(jī)的基本模型預(yù)測(cè)控制方法。..預(yù)測(cè)模型模型預(yù)測(cè)控制是基于預(yù)測(cè)模型一種控制算法。這一預(yù)測(cè)模型側(cè)重模型的功能,它可以是微分方程、狀態(tài)方程等參數(shù)模型也可以是模糊模型、智能模型等非參數(shù)模型。預(yù)測(cè)模型作用是對(duì)未來一段時(shí)間的輸出進(jìn)行預(yù)測(cè),具體來說就是利用對(duì)