摘要:

针对传统级联多电平逆变器的有限控制集模型预测控制(FCS-MPC)计算量随电平数增加而指数增长的缺点,本文提出了改进的级联多电平逆变器FCS-MPC控制算法.首先,分析级联多电平逆变器的数学模型,探讨了FCS-MPC控制策略在级联多电平上的应用原理,在传统FCS-MPC控制的基础上,对电流进行延时补偿、反馈补偿及参考电流校正,提高了系统的跟踪特性和减少了电流谐波畸变率;其次,将复杂分区内电压矢量的追踪计算简化至在单一分区内进行,优化开关冗余状态,减少计算量.最后搭建了MATLAB仿真实验,与传统FCS-MPC算法对比分析,证明了此方法的正确性和优越性.

摘要:

针对三相八开关容错逆变器的永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)驱动系统,基于分数阶滑模变结构技术,提出了一种新颖的无速度传感器有限控制集模型预测控制(finite-control-set model pre-dictive control,FCS–MPC)策略.通过驱动系统的运行模式建立三相八开关逆变器和永磁同步电机的数学模型;采用分数阶滑模变结构方法构造PMSM系统转速和反电动势的观测器,以实现对系统转速和反电动势快速准确地实时估计;利用改进型的FCS–MPC策略,以达到减少控制系统计算量和电磁转矩脉动的目的,与此同时,本文中的电流反馈特性的容错控制可有效抑制直流侧母线电容分压不均衡对系统运行产生的不利影响.仿真结果表明,该方法能够保证八开关容错逆变器驱动PMSM系统可靠稳定运行、具有良好的动态性能,并能降低定子电流总谐波失真值.

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近年来,模型预测控制(MPC)的理论和技术得到了长足发展,应用前景广阔.介绍了MPC的基本原理;简要对比分析了国内外电机系统MPC技术的研究概况.研究了有限控制集模型预测控制(FCS-MPC)应用于电机驱动系统的控制方案.总结了FCS-MPC关于价值函数设计、计算量降低、矢量作用个数以及鲁棒性提高等方面的研究思路.展望了未来FCS-MPC技术需要进一步深入和拓展的研究方向.

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逆变电路传统开关函数模型只能描述电路的控制变迁而忽略了电路的条件变迁，为此，建立了三相逆变电路混合逻辑动态(mixed logical dynamical，MLD)模型。在此基础上，将其作为预测模型，提出了电路的有限控制集模型预测控制(finite control set model predictive control，FCS-MPC)策略。FCS-MPC充分考虑了电路的离散特性，选择有限控制集中使目标函数值最小的开关状态作为电路开关管的控制信号，从而控制电路的输出电压，无需任何调制器，可简化 MPC的优化问题。此外，基于全维状态观测器设计了电路负载电流观测器，增强了控制器的鲁棒性。仿真和实验结果验证了所提方法的有效性。

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针对传统有限控制集模型预测控制(FCS-MPC)的电流振荡与延时问题,提出一种改进FCS-MPC.用2个相邻电压矢量和零电压矢量在1个采样周期内共同作用电路,消除电流振荡.为了减小开关频率,将电压矢量的作用先后排序得到最优电压矢量序列(OVVS).此外,采用2个采样周期预测值对计算和采样带来的延时进行补偿.最后,仿真结果验证了提出的改进FCS-MPC的有效性.

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针对五相感应电机驱动系统在开路故障时的容错运行问题,设计了一种基于有限控制集模型预测控制器的故障容错运行方案.首先,以正常状态下的五相感应电机模型为基础,针对性地推导了系统开路故障后的电机模型,并采用合理的故障前、后变换矩阵,保证了故障前、后控制器结构的一致性.然后在传统的有限控制集模型预测控制器基础上融入了容错策略,即仅通过改变故障后的模型预测模块即可实现新型容错控制方案.最后,通过试验验证了新型容错控制策略的有效性.

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随着数字技术的发展,模型预测控制(MPC)已经广泛应用于交流传动系统.首先介绍了经典MPC策略——有限控制集MPC和连续控制集MPC的原理.其次综述了多步预测控制、多矢量预测控制、具有参数鲁棒性的预测控制、广义模型预测、显式模型预测这些常见的改进MPC的研究现状,并提出相关研究思路.最后,根据MPC的应用需求和研究现状,展望了未来需要进一步深入和拓展的研究方向.

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针对传统级联多电平逆变器的有限控制集模型预测控制(FCS-MPC)计算量随电平数增加而指数增长的缺点,本文提出了改进的级联多电平逆变器FCS-MPC控制算法.首先,分析级联多电平逆变器的数学模型,探讨了FCS-MPC控制策略在级联多电平上的应用原理,在传统FCS-MPC控制的基础上,对电流进行延时补偿、反馈补偿及参考电流校正,提高了系统的跟踪特性和减少了电流谐波畸变率;其次,将复杂分区内电压矢量的追踪计算简化至在单一分区内进行,优化开关冗余状态,减少计算量.最后搭建了MATLAB仿真实验,与传统FCS-MPC算法对比分析,证明了此方法的正确性和优越性.

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三相四开关AC-DC变换器由于开关数量的减少,容易导致直流侧电容电压不平衡,系统的稳定性降低等.为了解决这些问题,提出了三相四开关AC-DC变换器直流侧电容电压平衡的有限控制集模型预测控制(Finite-control-set model predictive control,FCS-MPC).在该策略中,为了方便计算,建立了坐标系下的系统模型,再通过建立代价函数对所有电压矢量进行评估,整个过程不需要锁相环,也不需要复杂的调制策略.在建立的新的代价函数中,加入了抑制电容电压波动的目标项,消除了电容中性点电压的偏移,提高了系统的可靠性.仿真结果表明,所提策略能使电容电压保持平衡,且具有良好的动、静态性能.

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为了提高三相四开关容错逆变器驱动的永磁同步电机调速系统的性能,提出了调速系统双闭环预测控制策略.在转速环中设计了带扰动补偿的模型预测控制方法,通过离散扰动观测器估计负载扰动并进行前馈补偿,与模型预测速度控制相结合得到q轴电流环的期望给定值.在电流环中设计了基于离散滑模的有限控制集模型预测控制方法.通过与传统PI、FCS-MPC方法进行仿真对比,验证了该方法在空载启动、给定转速突变以及存在负载扰动、参数变化时,可使容错逆变器驱动的永磁同步电机调速系统具有更好的动态响应能力和鲁棒性.