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【论文推荐】永磁同步电机直接模型预测控制电压矢量占空比优化策略

已有 305 次阅读 2026-1-14 12:04 |个人分类:论文推荐|系统分类:博客资讯

编辑荐语

本期将给大家分享"永磁同步电机直接模型预测控制电压矢量占空比优化策略(Voltage vector duty cycle optimization strategy for direct model predictive control of PMSM)". 如您对本期相关内容有好的理解与建议, 欢迎评论区留言.

本文针对永磁同步电机直接模型预测转矩控制中, 传统双电压矢量策略存在的电压矢量组合易失效、占空比计算复杂且权重系数整定繁琐等工程难题, 提出了一种创新的电压矢量占空比优化策略. 该方法基于无差拍控制原理, 将转矩与磁链的跟踪控制统一转化为参考电压矢量的合成问题, 从根本上消除了多目标权重系数的整定负担. 通过创新性地划分扇区子区域, 实现了无需成本函数遍历即可直接选取最优电压矢量组合, 显著提升了在线运算效率. 尤为关键的是, 作者深入剖析了电压矢量合成中的时间约束, 提出了作用时间总和与比值的双重约束条件, 确保了合成电压矢量的有效性与占空比分配的合理性, 彻底避免了无效电压矢量组合的产生. 实验结果表明, 该方法在保持直接模型预测控制优异动态性能的同时, 显著降低了转矩与磁链脉动, 提升了系统的稳态性能. 本工作为解决模型预测控制在电机驱动中面临的实用性瓶颈, 提供了一条兼具理论严谨性与工程简洁性的有效路径.

本研究直指永磁同步电机预测控制应用中的核心痛点, 所提方法构思巧妙, 在简化控制结构、保证合成矢量有效性方面具有显著创新, 实验验证充分. 推荐给从事电机驱动、电力电子、模型预测控制及相关应用研究的科研人员与工程师阅读参考, 对推动高性能电机控制系统的实用化发展具有积极意义.

论文介绍

永磁同步电机直接模型预测控制电压矢量占空比优化策略

Voltage vector duty cycle optimization strategy for direct model predictive control of PMSM

许宇豪†, 乔社娟, 肖海峰, 李文真

机构: 西安航空学院电子工程学院

引用: 许宇豪, 乔社娟, 肖海峰, 等. 永磁同步电机直接模型预测控制电压矢量占空比优化策略. 控制理论与应用, 2025, 42(12): 2468 – 2476

DOI: 10.7641/CTA.2025.40587

全文链接:

http://jcta.alljournals.ac.cn/cta_cn/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=CCTA240587&flag=1

摘要

永磁同步电机直接转矩控制和模型预测控制相结合产生的模型预测转矩控制具有控制简单和动态响应能力强的优点. 然而, 在控制周期内作用多个电压矢量消除稳态误差时存在电压矢量组合失效和占空比运算复杂的问题. 本文提出了一种永磁同步电机直接模型预测控制的电压矢量占空比优化策略, 以提高双电压矢量作用时间运算结果的有效性. 基于无差拍控制原理, 推导磁链矢量与电压矢量之间的关系, 将控制变量归一化为参考电压矢量, 解决了权重系数整定问题. 进而, 通过划分扇区子区域, 直接得到最优电压矢量组合. 最后, 基于矢量合成原理, 对电压矢量的作用时间提出了总和与比值约束条件, 保证每种电压矢量作用时间的合理性与合成电压矢量的有效性. 实验结果证明了所提方法具有比传统方法更好的稳态性能和良好的动态性能.

引言

随着数字信号处理器运算能力的不断提高, 模型预测控制以其直观的概念、高动态响应能力和多变量灵活控制的优点较多地应用于永磁同步电机调速中[1–2]. 根据优化方法的不同, 模型预测控制分为有限集模型预测控制和连续集模型预测控制. 有限集模型预测控制是一种基于逆变器离散数学模型的控制算法, 它能够在有限的几个开关状态中通过枚举法选择出一个最优的开关状态或者开关状态序列, 因此它不需要调制器来产生脉冲宽度调制(pulse width modulation, PWM)驱动信号, 同时还能够很好地解决逆变器的非线性问题.

在有限集模型预测控制中, 直接模型预测转矩控制具有高动态响应能力和多变量灵活控制的优点, 是永磁同步电机常用的模型预测控制方法之一. 根据电磁转矩和定子磁链未来状态, 直接模型预测转矩控制在每个控制周期中选择一个最优电压矢量作用于逆变器. 然而, 有限数量的电压矢量导致磁链和电磁转矩纹波较大, 降低永磁同步电机 (permanent magnet synchronous motor, PMSM)的稳态性能[3–4]. 此外, 成本函数中用于平衡电磁转矩和定子磁链的权重系数需要随系统工况而改变[5–9], 降低了直接模型预测转矩控制的实用性.

依据矢量控制思想, 学者们将控制周期内单一的电压矢量扩展为多个电压矢量的组合, 并以不同的占空比作用于交流电机, 构成最优开关序列. 虽然在控制周期内施加更多的电压矢量能够提高直接模型预测转矩控制的控制精度, 然而控制策略的复杂度将随着电压矢量组合的增加而增加[10–11]. 同时, 该方法还存在串行选择电压矢量而导致的控制性能最优化问题. 为此, 文献[12–13]依据定子磁链和定子电流的变化规律, 直接选择最优的电压矢量. 然而, 求解电压矢量的作用时间较为复杂. 因此, 降低选取电压矢量组合的运算量, 简化预选电压矢量流程成为当前研究的热点. 文献[14–15]通过增加虚拟电压矢量, 将候选电压矢量从6个减少到2个. 文献[16]利用电压矢量序列的对称关系, 从而将候选向量的数量从7个减少到1个, 但αβ–坐标系与dq–坐标系之间需要进行坐标变换.

为了避免权重系数整定带来的巨大试验工作量, 文献[17]提出了一种多变量排序算法. 将多变量组成的成本函数分解为几个仅有单个控制变量的成本函数. 基于排序规则依次评估每个成本函数, 以获得最优电压矢量. 然而, 排序的实现流程与通过经验方法整定权重系数一样繁琐. 另一种消除权重系数的方法是对多个控制变量归一化. 文献[18–20]通过分析电磁转矩、定子磁链幅值和定子权重系数之间的关系, 将多个控制变量简化为一个控制变量, 成本函数仅包含定子磁链或参考电压矢量. 然而, 电压矢量的作用时间很可能出现大于控制周期或小于零的不合理情况.

本文提出了一种永磁同步电机直接模型预测控制的电压矢量占空比优化策略, 以提高双电压矢量作用时间的有效性, 同时解决了多变量优化控制的权重系数整定问题. 首先, 根据永磁同步电机数学模型, 采用前向欧拉法推导了静止坐标系下的预测模型并给出成本函数. 然后, 根据变量磁链和电磁转矩, 采用无差拍控制导出参考电压矢量, 实现控制变量归一化. 最后, 分析电压矢量作用时间与控制周期的关系, 提出电压矢量作用时间约束条件, 从而导出每种电压矢量作用时间的表达式. 理论分析和实验结果表明, 所提方法能保证电压矢量作用时间始终在有效范围内, 避免了作用无效的电压矢量组合, 具有较好的稳态和动态性能. 本文所提方法的主要创新点如下:

1) 将系统中的多被控量转化为单一电压矢量控制, 实现控制变量归一化, 并解决了权重系数整定问题;

2) 提出了扇区区域划分方法, 无需成本函数可直接得到最优电压矢量组合, 提高了直接模型预测控制的运算效率;

3) 在电压矢量合成方法基础上, 融入了作用时间总和与比值约束条件, 避免了双矢量模型预测控制作用无效电压矢量组合的问题. 该方法能确保合成电压矢量的有效性, 提高永磁同步电机的稳态性能.

总结

为了避免直接模型预测转矩控制因电压矢量作用时间不合理而导致电压矢量合成失效的问题, 提出了一种永磁同步电机直接模型预测控制的电压矢量占空比优化策略. 本文的主要工作和结论如下:

1) 通过推导磁链矢量与参考电压矢量的关系, 实现了控制变量归一化, 避免了采用成本函数整定权重系数的繁琐流程.

2) 提出了扇区子区域的划分方法, 建立了新的电压矢量筛选机制, 提高了直接模型预测控制的运算效率.

3) 利用扇区相邻的电压矢量合成参考电压矢量, 并附加作用时间的总和与比值约束条件, 压缩或延长电压矢量的作用时间, 使其在控制周期的合理范围内, 确保了合成电压矢量的有效性. 实验结果的对比分析表明了所提方法具有比传统方法更好的稳态性能和动态性能.

作者简介

许宇豪博士, 讲师, 目前研究方向为Z源逆变器和交流电机控制;

乔社娟高级工程师, 目前研究方向为永磁同步电机模型预测控制;

肖海峰教授, 研究生导师, 目前研究方向为永磁同步电机非线性控制;

李文真博士, 讲师, 目前研究方向为电机无位置传感器控制.

期刊介绍

《控制理论与应用》(Control Theory & Applications)是经国家科学技术部批准, 教育部主管, 由华南理工大学和中国科学院数学与系统科学研究院联合主办的全国性一级学术刊物, 1984年创刊, 月刊, 国内外公开发行. 《控制理论与应用》是中国科学引文数据库首批统计源期刊之一，中文核心期刊，入选中国精品科技期刊顶尖学术论文F5000项目，中国科协自动化学科领域高质量科技期刊目录以及中国科协百篇优秀科技论文遴选计划，2021年入选广东省高质量科技期刊建设项目，2022-2024年连续获得基金委资助（科技活动专项）。

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