永磁同步电机显式模型预测控制技术研究.pdf

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1、硕士学位论文永磁同步电机显式模型预测控制技术研究RESEARCHONEXPLICITMODELPREDICTIVECONTROLTECHNOLOGYOFPMSM李鑫哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TM301.2学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工学硕士学位论文永磁同步电机显式模型预测控制技术研究硕士研究生：李鑫导师：杨贵杰教授申请学位：工学硕士学科：电气工程所在单位：电气工程及自动化学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TM301.2U.D.C:621.3Dissertat

2、ionfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONEXPLICITMODELPREDICTIVECONTROLTECHNOLOGYOFPMSMCandidate：LiXinSupervisor：Prof.YangGuijieAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：ElectricalEngineeringAffiliation：Dept.ofElectricalEngineeringDateofDefence：June,2018Degree-Conf

3、erring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要模型预测控制（MPC）具有比经典PID控制更优秀的动态性能，但长期以来由于计算量问题无法应用到快速系统中。显式模型预测控制（EMPC）的提出为解决计算量问题提供了思路，其成功应用对提升PMSM动态性能具有重要意义。本文主要针对PMSM的EMPC进行以下方面的研究：首先，建立PMSM数学模型，给出PMSM矢量控制策略，重点对传统级联型PI控制器进行分析，通过理论分析得出对于小惯量系统级联结构无法实现系统高动态响应。为进一步提高系统动态

4、响应，提出采用非级联型结构预测控制器实现电机转速控制，并详细推导给出PMSM预测模型。其次，电机驱动控制系统存在最大工作电流和最大电压两种约束，对MPC和PI两种控制方法的处理过程进行对比分析，得出PI限幅方式处理并非最优。为进一步解决MPC约束问题，提出采用EMPC将系统约束转换为线下二次规划问题，并详细推导其求解方法。根据系统控制目标和预测模型，给出包含转速误差、q轴电流、控制增量等变量的EMPC代价函数形式。得出闭环系统的极点分布规律，并以此进行EMPC稳定性分析，确定控制器三个关键参数的整定方法。通过MATLAB进行仿真分析，对上述推导结果进行验证

5、。然后，给出针对测量噪声和电机参数的EMPC鲁棒性分析，重点分析定子电阻偏差、定子电感偏差和转动惯量偏差对系统动态性能和稳定裕度所产生的影响，给出该影响在不同控制器参数情况下的变化规律，提出兼顾系统快速性和鲁棒性时的控制器参数整定方法。为进一步提高负载变化时转速控制抗扰能力，建立包含有负载转矩状态的预测控制模型，采用卡尔曼滤波器（KF）对负载转矩进行观测，并在预测PMSM转速响应时提前进行补偿，以提高在负载转矩存在波动时的转速动态响应能力。最后，搭建以XMC4500为控制核心的硬件平台，并通过降复杂度措施减小C语言程序体积完成了EMPC算法的实用化。实验结

6、果表明，相对于PI控制，EMPC控制的PMSM有动态响应更快且无超调的优点，对三角波、正弦波表现出更优秀的跟踪能力，在突加负载时能更快的恢复给定转速。证明了通过本文的EMPC设计方法可以获得动态性优良且具有一定鲁棒性的PMSM系统，为设计PMSM的EMPC控制器提供了指导，拓展了EMPC的应用范围。关键词：永磁同步电机；模型预测控制；参数整定；鲁棒性；卡尔曼滤波器-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractModelpredictivecontrol(MPC)hasbetterdynamicperformancethanclassicalPIDco

7、ntrol,butforalongtime,itcannotbeappliedtothefastsystembecauseofthecomputationalcomplexity.Thepresentationofexplicitmodelpredictivecontrol(EMPC)providesasolutiontotheproblemofcomputationalcomplexity.ItssuccessfulapplicationisofgreatsignificancetotheimprovementofPMSMdynamicperforman

8、ce.Thispapermainlyfocusesonthefol