高速永磁同步电机模型预测控制系统模型失配影响因素与对策

Traditional motor control strategy is difficult to solve the problems of internal coupling and torque ripple of permanent magnet synchronous motor in high-speed domain due to the limitation of the linear control theory and modulation technology. Based on the discrete characteristics of the voltage vector of the converter, this project adopts the integral digital control concept and applies the finite control set model predictive control to the permanent magnet synchronous motor system. Through the detailed analysis of the dynamic characteristics of the control system, a mathematical model of the control system covering the non-ideal back-EMF, motor parameter error, converter nonlinearity and time delay effect is proposed. With in-depth study of the impact of model mismatch on system performance, the evaluation mechanism based on value function is established. A multi-observer parallel estimation structure and a converter nonlinear characteristic compensation algorithm are proposed for the model mismatch factors. On the basis of the above, the model mismatch compensation algorithm of permanent magnet synchronous motor in high-speed domain is established, and the optimization method for dynamic-steady performance and multi-constraint cooperative control performance is discussed. The research of this project not only helps to improve the comprehensive control performance of permanent magnet synchronous motor in high-speed domain, but also has practical significance for expanding the application range of model predictive control technology in motor control field.

传统电机控制方法受限于线性控制理论和调制技术，难以解决高速域下永磁同步电机内部耦合、转矩波动等问题。本项目从变流器电压矢量的离散特性出发，采用整体数字化控制思想，将有限集模型预测控制应用于永磁同步电机系统中。基于对控制系统动态特性的细化分析，提出涵盖高速域下反电动势非理想因素、电机参数误差、变流器非线性、时间延迟效应的控制系统数学模型；深入研究模型失配对系统综合控制性能的影响，建立基于价值函数的评估机制；提出针对模型失配因素的多观测器并行估计结构和变流器非线性特性补偿算法；在此基础上，建立高速域下永磁同步电机模型失配因素补偿算法，探讨动-稳态性能和多约束协同控制性能的优化方法。本项目的研究不仅有利于提高永磁同步电机高速域下的综合控制性能，对扩大模型预测控制技术在电机控制领域的适用范围也具有实际意义。

本项目以高速永磁同步电机模型预测控制策略为研究对象，围绕着模型失配因素的分析评估、并行观测器设计与模型失配补偿、动-稳态性能与多约束协同控制性能优化问题为研究重点，逐级展开，层层深入。通过构建高速域下的永磁同步电机数学模型，使其涵盖反电动势非理想因素、电机参数误差、变流器非线性、时间延迟效应多种模型失配因素，将模型预测控制算法应用于电机驱动系统中。.首先，通过研究电机参数、反电动势等模型失配因素对电流、转矩、磁链控制误差的影响机理，根据价值函数结构，分别设计了基于电流误差与转矩-磁链误差的模型失配的评估机制；提出了基于径向基神经网络的价值函数最优权值设定方法，以及基于模型等效变换的模型失配评估机制与价值函数权值设定方法，并基于此提出了基于等效变换与近似变换的简化算法；所提控制策略深入分析了模型失配对系统综合控制性能的影响，并设计了基于价值函数的评估机制。.其次，针对模型失配因素，设计了基于多观测器并行估计方法的模型预测控制策略。针对永磁同步电机在高速域下的无位置控制以及旋转重启动问题，分别提出了角度-速度-反电动势的统一观测架构，以及基于滑模观测器-参数观测器的并行观测器架构，实现并行观测器的在线估计，建立了多观测器的相互作用机制和变量交换原则。.最后，对模型预测控制策略的动-稳态性能、多约束协同控制性能进行评估与优化。基于多核心微控制器与可编程逻辑门阵列技术，提出了基于可变控制周期的有限集-连续集可切换式模型预测控制策略，以及基于双核、四核并行计算的高速永磁同步电机模型预测控制策略，实现了动-稳态性能、开关频率约束和计算耗时的优化。针对双电机系统在宽速域下转矩动态性能以及协同控制方面所存在的问题，提出了基于交叉耦合补偿算法的双电机混合控制策略，并针对有限集模型预测控制提出了统一价值函数模型以及寻优算法，实现动-稳态性能、协同性能的直接控制和综合优化。