基于永磁同步電動(dòng)機(jī)預(yù)測(cè)控制的有限控制集模型研究

蔣煒華 趙斌

摘要：本文提出了一種變頻PWM的PMSM（永磁同步電機(jī)）預(yù)測(cè)控制。FCS-MPC高性能可以結(jié)合傳統(tǒng)調(diào)制技術(shù)優(yōu)化其他變量，主要是電流的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和總諧波失真（THD）。如果轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)可以預(yù)測(cè)和控制，找到開關(guān)損耗和最大轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)之間的折中通過FPGA實(shí)現(xiàn)，結(jié)合并行流水線算法。

關(guān)鍵詞：MPC；控制策略；FPGA

中圖分類號(hào)：TM301.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）08-0006-02

1 引言

模型預(yù)測(cè)控制（MPC）是當(dāng)今的一個(gè)行之有效的控制技術(shù)[1]，可以很容易地應(yīng)用于多變量系統(tǒng)。應(yīng)用到電力電子技術(shù)的MPC技術(shù)被分為兩大類：連續(xù)控制（CCS）和有限控制集（FCS-MPC）。由于電力電子轉(zhuǎn)換器、開關(guān)狀態(tài)的數(shù)量實(shí)際上是限制在一個(gè)有限集中，F(xiàn)CS-MPC方法易于實(shí)現(xiàn)。然而，這種方法需要很高的采樣頻率來達(dá)到良好的性能。MPC的最大缺點(diǎn)是計(jì)算量大，特別是在線實(shí)現(xiàn)時(shí)的計(jì)算必須實(shí)時(shí)完成?，F(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）包含基本單元和互連，讓他們建立量身定制的硬件架構(gòu)[2]。

2 控制策略

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和控制的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是由三相兩電平逆變器供電的三相永磁同步電機(jī)（PMSM）組成的。PMSM的動(dòng)態(tài)行為由已知的電壓方程描述，即d-q參考坐標(biāo)。通過測(cè)量相電流和轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)得到電流空間相量。施加的速度控制器提供了的參考。逆變器的開關(guān)命令通過使用在線自適應(yīng)性SVM得到，能夠改變每個(gè)周期的采樣時(shí)間?？刂撇呗匀鐖D1所示。

控制方案如圖2所示，其成本函數(shù)通過減少和誤差減少下個(gè)采樣的電磁轉(zhuǎn)矩誤差。此外，成本函數(shù)擴(kuò)展的方式是通過向電機(jī)施加最合適的電壓優(yōu)化轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

2.1 電流紋波預(yù)測(cè)

對(duì)于所提出的控制方案，實(shí)施了已知的空間矢量調(diào)制（SVM）技術(shù)[3]。傳統(tǒng)上每臂的每個(gè)晶體管在每逆變器的每個(gè)開關(guān)周期將切換兩次。電流的預(yù)期行為來自調(diào)制器的開關(guān)信號(hào)。通過計(jì)算每個(gè)矢量的電流偏差，計(jì)算紋波電流預(yù)測(cè)。

2.2 成本函數(shù)

優(yōu)化過程是通過評(píng)估不同的替代品，即不同的采樣時(shí)間和不同的開關(guān)頻率的預(yù)測(cè)值來實(shí)現(xiàn)的。在每一種情況下，成本函數(shù)被評(píng)估和最小化。成本函數(shù)包含電流、的絕對(duì)誤差，權(quán)重和是用于設(shè)置控制的動(dòng)態(tài)；為轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)權(quán)重，是開關(guān)頻率值，假設(shè)開關(guān)損耗正比于逆變器開關(guān)頻率，則減小開關(guān)頻率可減少開關(guān)損耗。歸一化到額定電流，歸一化到最大開關(guān)頻率，和中定義不利于電流和的絕對(duì)誤差。最終的成本函數(shù)由下式給出：

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中，參考速度設(shè)置為1500min-1和設(shè)為0.25A（的6.1%）。正如圖4所示，控制器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)是預(yù)期的，得到了理想的開關(guān)頻率響應(yīng)；當(dāng)發(fā)生變化時(shí)，選擇最高開關(guān)頻率，可以在圖3右側(cè)看到；在一些瞬間切換期間，Ts為最低（50 us），在大約200us或四倍時(shí)間內(nèi)，使等于。一旦和之間的誤差減少，整套解決方案被認(rèn)為是最小過程。這將減少開關(guān)頻率，直到它穩(wěn)定到最佳值，這將取決于轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)允許的最大值，以這種方式減少開關(guān)損耗。

圖4可以看出，電流紋波保持在所需的水平。這里可以更清楚地看到穩(wěn)態(tài)誤差，約為的1.5%。對(duì)成本函數(shù)的g1和g2的形式進(jìn)行測(cè)試，但整體成本函數(shù)g2沒有產(chǎn)生不同的結(jié)果。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了具有可變開關(guān)調(diào)制器頻率的FCS-MPC在永磁同步電機(jī)控制的FPGA平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，可以獲得期望高性能動(dòng)態(tài)控制以及開關(guān)頻率響應(yīng)。參考轉(zhuǎn)矩變化時(shí)，控制器工作在最大頻率時(shí)，然后將減少和固定于某個(gè)值，這取決于期望的最大轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。為了減少逆變器上的開關(guān)損耗將開關(guān)損耗與開關(guān)頻率直接相關(guān)。

參考文獻(xiàn)

[1]沈坤.一種多步預(yù)測(cè)的變流器有限控制集模型預(yù)測(cè)控制算法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32（33）：37-44.

[2]賈達(dá).基于FPGA的電機(jī)控制模塊[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2010，31（14）：3237-3240.

[3]高鍵.基于SVM的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的仿真研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2013，13（1）：63-69.