模型预测控制在永磁同步电机中的应用_熊海东.pdf

Application 创新应用270 电子技术 第 52 卷 第 2 期（总第 555 期）2023 年 2 月生产起着推进作用，也可以精准控制电能的使用，进一步增加电能的利用率。本文对PMSM的MPC进行建模，通过仿真和参数的调整比较，分析出MPC在PMSM的控制应用优势，并通过对化工企业未来节能降碳的展望，对MPC控制的PMSM在化工企业应用的前景。2 永磁同步电机预测控制模型建立在研究PMSM的预测控制时需要建立PMSM预测模型3，将PMSM预测模型建立在 坐标下可以得出的动态方程为式（1）。（1）由PMSM的强耦合和非线性的特点，并且为了简化分析过程，就采用隐极式PMSM，即Ld=Lq，电流控制策略采用id=0的形式，所以PMSM电磁转矩方程可以化为式（2）（2）所以得到PMSM的运动方程为式（3）。（3）逆变器的直流电压源Ud可以限制输入电压，由SVPWM原理可成电压Ur是由6个电压和2个零矢量电压在平行六边形上面组合起来产生的，在dq平面，0 引言由于输电线路工程具有比较高的复杂性，因此在模型预测控制（Model PredictiveControl,MPC）称作滚动时域控制，为一个闭环优化控制方法1。MPC有下面几个优点：控制效果稳定，鲁棒性强。这些优点可以让它有效地避免系统的不确定性，能处理非线性系统等。MPC预测的是模型在输入变化之下过程输出时的未来2。1 研究背景通常将调节控制回路的设定值作为控制输入，而与约束有关的变量为输出变量。MPC使用的模型和正在执行的过程的测量值来操控未来的变量值，让它保证满足所有的输入输出约束条件，随后MPC会将计算好的控制量输入到调节器控制的回路，再由调节器完成最基本的控制。目前，使用的电机大部分为三相异步电机，PMSM与异步电机比较，缺少了励磁电流的存在，所以在使用过程中，功率因数得到提高，且存在启动力矩大，转子参数可测易控制，体积小等优势，在电机负载高的企业有着广阔的运用前景。在节约电能的同时，也为企业增加了效益，同时降低电网负荷，一度电约等于320g标煤，电能节约同时也是在降低煤耗量和二氧化碳的排放。在节能背景下PMSM的应用在节能降碳有着很大的应用空间。通过MPC控制PMSM，可以精确控制电机，不仅对化工企业的作者简介：熊海东，青海盐湖镁业有限公司；研究方向：控制技术。收稿日期：2022-05-16；修回日期：2023-02-12。摘要：阐述预测控制是一种智能控制算法，具有滚动优化、在线反馈校正的特性，将预测控制利用到永磁同步电机的控制中，可以进一步起到精准控制电能的利用，从而增加电能利用率。关键词：模型预测控制，永磁同步电机，反馈校正。中图分类号：TP13，TM341文章编号：1000-0755(2023)02-0270-02文献引用格式：熊海东，张晓龙，李生鸿，邹娟.模型预测控制在永磁同步电机中的应用J.电子技术,2023,52(02):270-271.模型预测控制在永磁同步电机中的应用熊海东，张晓龙，李生鸿，邹娟（青海盐湖镁业有限公司，青海 816000）Abstract This paper expounds that predictive control is an intelligent control algorithm with the characteristics of rolling optimization and online feedback correction.Applying predictive control to the control of permanent magnet synchronous motor can further control the use of electric energy accurately,thus increasing the utilization of electric energy.Index Terms model predictive control,permanent magnet synchronous motor,feedback correction.Application of Model Predictive Control in Permanent Magnet Synchronous MotorXIONG Haidong,ZHANG Xiaolong,LI Shenghong,ZOU Juan(Qinghai Salt Lake Magnesium Co.,Ltd.,Qinghai 816000,China.)Application 创新应用电子技术 第 52 卷 第 2 期（总第 555 期）2023 年 2 月 271旋转电压以角速度np旋转。它在旋转坐标系到静止坐标系的转换中不会改变。因为MPC在线性的并且带约束的问题中建模中很适合，此时，用离线计算得出最优解3。而PMSM耦合了转速和电流为非线性系统。MPC算法中，我们假定每次预测时，转速、电流不变，因此，对PMSM模型离散化是最好的选择。为了准确地反映出其动态性能，我们可以用足够小的步长来逼近最小时间间隔的电流量和转速量。由于步长太小会导致数据难以计算，产生错误，则考虑取时间步长h=10-4s。利用向前差分对状态方程离散化。原理为较小的两个相邻时间间隔，可用一阶差商代替一阶导数。因为设计系统的转速期望轨道，是由实际向设定值趋近，这样对闭环的鲁棒性和动态性能得到了关键作用。3 永磁同步电机预测控制仿真PMSM系统仿真参数如下：共用仿真0.4s，极对数取3，负载转矩20Nm，定子直轴电感0.01H，定子电阻0.1，定子交轴电感0.03H，永磁体磁通1.23Wb，摩擦系数0.00048Nm-1，转动惯量0.0008kgm2，转速设定为300r/min，采用id=0的控制方式，通过仿真得到结果。通过仿真得到：图1图5分别为PMSM定子三相电流曲线图、电机转速曲线图、交直轴电流图、电磁转矩曲线图以及电磁转矩部分放大曲线图。由图1可以看出，在改变转矩的时候，电机电流在0.01s内做出了转变，由图2可以看出达到稳定转速300rpm电机使用时间t=0.015s，可以看出预测控制响应迅速，转速更加稳定。从图3可以看出，励磁电流和转矩电流在经过t=0.0155s时进入稳定状态，其中一直保持为0，在0.2s改变转矩时交轴电流由2A提升到3.5A。由图4可知，轴电流变化与电磁转矩变化响应一致，这符合q轴电流与电磁转矩成线性的关系。由图5可以看出，预测控制的电磁转矩波动范围在-0.08，0.08之间，相比其他控制电磁转矩波动范围来说小许多4。4 结语本文详细介绍了永磁同步电机预测控制的数学模型的建立，通过仿真得出预期的结果。结果表明，预测控制对系统参数的鲁棒性强，具有稳定性好，控制参数变化快等特点。在国家倡导的节能降碳的背景下，化工企业使用永磁同步电机驱动设备，可以降低电能消耗，提高电能利用率，通过永磁同步电机的预测控制，精准调配电能的使用，以及控制时电流变化的使用时间短的特性，可以使工艺的更好的精细化操作，减少不必要的电能消耗，同时也为节能目标的实现做出应有的贡献。参考文献1 席裕庚,李德伟,林姝.模型预测控制现状与挑战J.自动化学报,2013,39(03):222-236.2 刘向杰,孔小兵.电力工业复杂系统模型预测控制现状与发展J.中国电机工程学报,2013,33(05):79-85+14.3 陈虹,刘志远,解小华.非线性模型预测控制的现状与问题J.控制与决策,2001(04):385-391.4 董艮滔.永磁同步电机直接转矩控制方法研究D.江苏：南京师范大学,2020.图1 三相电流曲线图图2 电机转速曲线图图3 交直轴电流曲线图图4 电磁转矩曲线图图5 电磁转矩部分放大曲线图