永磁同步电动机广义预测控制的研究
摘要
永磁同步电动机(Permanent Magnet Synchronous Motor，以下简写PMSM)，与普通交流电机相比，具有效率高，功率密度高、启动转矩大、响应速度快、开环转速精度高、等诸多优点。但是由于PMSM本身固有的强耦合、非线性等特点，使得传统的控制方法不能实现系统的最优。本文以PMSM为研究对象，以广义预测(Generalized Predictive Control)这一基于对象参数模型的算法为控制算法，进行了仿真与试验研究。
在全面系统地分析和总结了PMSM的数学模型的基础上，推导总结了永磁同步电动机的微分方程组、线性化和非线性状态方程。同时，详细阐述了标准的广义预测控制的基本原理，并推导了其中的矩阵计算和优化策略。在前两章的基础上，对永磁同步电动机的广义预测控制的方法进行了推导和分析。并在PMSM转子坐标系中进行了电流解耦。在分析了PMSM系统单变量CARIMA模型后，进行了PMSM线性状态方程的多变量预测控制的研究，分析PMSM的微分方程组，在此基础上，推导出给定性能指标下，基于线性状态方程的多变量预测控制律。本文利用仿真工具MATLAB6.5对系统进行了建模及仿真，在MATLAB环境下，对广义预测控制器的预测时域及加权序列的特性进行了仿真分析。
最后介绍了PMSM预测控制系统的硬件构成及软件流程。并给出了试验波形。
Compared with normal Synchronous Motors, the Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM) is effective, high pull-in torque, fast speed response and well speed precision in open loop. But it is hard to get the optimum of the system by the inherent coupling and non-linearity of the PMSM. So, based on the Transvector Control, the scheme of Generalized Predictive Control (GPC) is studied for PMSM. And the result of simulation and experiment are given.
The system models of PMSM are analized and the standard Gerneralized predictive control are expressed. Based on the analysis of the math models of PMSM, the Single Inpute and Single Output (SISO) Controlled auto-regressive intergrated moving average (CARIMA) model is setup in the rotor's reference frame, and it is used to implement the GPC scheme of the PMSM. And in the design of current predictive controller, a decoupling method of current and voltage with a state feedback in the rotor's reference frame is proposed. Based on the state equations, the optimal control law is obtained. Then the predictive controller based on nonlinear state equations is discussed. In chapter 6, Fast algorithm of predictive control and the analyse of the simulation system, and the parameters of the GPC controller is discussed in the MATLAB.
At last, the implementation of predictive control of PMSM is presentation.
在全面系统地分析和总结了PMSM的数学模型的基础上，推导总结了永磁同步电动机的微分方程组、线性化和非线性状态方程。同时，详细阐述了标准的广义预测控制的基本原理，并推导了其中的矩阵计算和优化策略。在前两章的基础上，对永磁同步电动机的广义预测控制的方法进行了推导和分析。并在PMSM转子坐标系中进行了电流解耦。在分析了PMSM系统单变量CARIMA模型后，进行了PMSM线性状态方程的多变量预测控制的研究，分析PMSM的微分方程组，在此基础上，推导出给定性能指标下，基于线性状态方程的多变量预测控制律。本文利用仿真工具MATLAB6.5对系统进行了建模及仿真，在MATLAB环境下，对广义预测控制器的预测时域及加权序列的特性进行了仿真分析。
最后介绍了PMSM预测控制系统的硬件构成及软件流程。并给出了试验波形。
Compared with normal Synchronous Motors, the Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM) is effective, high pull-in torque, fast speed response and well speed precision in open loop. But it is hard to get the optimum of the system by the inherent coupling and non-linearity of the PMSM. So, based on the Transvector Control, the scheme of Generalized Predictive Control (GPC) is studied for PMSM. And the result of simulation and experiment are given.
The system models of PMSM are analized and the standard Gerneralized predictive control are expressed. Based on the analysis of the math models of PMSM, the Single Inpute and Single Output (SISO) Controlled auto-regressive intergrated moving average (CARIMA) model is setup in the rotor's reference frame, and it is used to implement the GPC scheme of the PMSM. And in the design of current predictive controller, a decoupling method of current and voltage with a state feedback in the rotor's reference frame is proposed. Based on the state equations, the optimal control law is obtained. Then the predictive controller based on nonlinear state equations is discussed. In chapter 6, Fast algorithm of predictive control and the analyse of the simulation system, and the parameters of the GPC controller is discussed in the MATLAB.
At last, the implementation of predictive control of PMSM is presentation.
引文
[1] 张崇巍，运动控制系统．武汉理工大学出版社，2002
[2] 陈瑜，电力电子与运动控制技术．中国电力出版社，2003
[3] 徐殿国，运动控制技术中的自动控制理论．控制理论与应用．1992，9(3)．322-324
[4] 尔桂花，运动控制系统，清华大学出版社，2002
[5] 李志民，张遇杰，同步电动机调速系统．机械工业出版社，1996
[6] 马小亮，大功率交—交变频调速及矢量控制技术．机械工业出版社，1999
[7] 李夙，异步电动机直接转矩控制．机械工业出版社，1994
[8] R. Wu,G.R. Slemon, A Permanent Magnet Motor Drive without a Shaft Sensor. ISA, 1990, pp553-558
[9] 潘月斗，交流伺服系统智能控制研究：天津大学博士学位论文 2001．12
[10] P. Pillay and R. Krishnam, Modeling, Analysis and Simulation of a High Performance Synchronous Motor Drive. IEEE IAS Annual Meeting, Atlanta, Georgia, 1987
[11] 陈坚，交流电机数学模型及调速系统．北京，国防工业出版社，1989
[12] 高景德，交流电机及其系统的分析．北京，清华大学出版社，1992
[13] 陈伯时，陈敏逊，交流调速系统．北京，机械工业出版社，1998
[14] 李练兵，永磁同步电动机多模态预测控制的研究：河北工业大学博士学位论文，2003．3
[15] 葛宝明，蒋静坪，孙鹤旭，同步电动机位置模态L~∞预测控制的研究．控制理论与应用，1999, vol．16,No 1．pp．67～70
[16] 王晓军，交流步进传动及离散控制的研究：河北工业大学硕士论文，2003．3
[17] R. Monajemy, R. Krishnan, Implementation Strategies for Concurrent Flux Weakening and Torque Control of the PM Synchronous Motor. in IEEE Ind. Application, Society Annu. Meet. 1995, pp.238-245
[18] 诸静，智能预测控制及其应用．杭州：浙江大学出版社，2000
[19] Clarke D W, Mohtadic,Tuffs P S. Generalised Predictive Control (Part 1 & Part 2). Automatica,1987
[20] 席裕庚，预测控制．国防工业出版社，1993
[21] 许敏，典型过程控制系统的快速预测控制算法研究：河北工业大学硕士论文，2001．3
[22] 李农庄，多变量广义预测控制在单元机组协调控制系统中的应用研究：华北电力大学硕士学位论文，1999．12
[23] 王伟，广义预测控制理论．北京：兵器工业出版社，1998
[24] 舒迪前，预测控制系统及其应用．北京：机械工业出版社，1996
[25] 葛宝明．孙鹤旭．同步电动机速度模态L~∞预测控制的研究．电工技术学报，1998，vol．13，No4，pp．10～14
[26] 葛宝明，蒋静坪．永磁同步电动机传动系统的模型算法控制，中国电机工程学报，1999，vol．19，No10,pp．27～32
[27] 许强，贾正春，永磁同步电机的自适应预测电流控制．电气传动，1997年第4期，PP．19～24
[28] Hyung-Tae Moon, Myung-Joong Youn. A Modified Predictive Current Controller for PMSM. PEDS'01 Indonesia, 2001
[29] Hyung-Tae Moon, Myung-Joong Youn. Predictive Current Control of PMSM with Consideration of Calculation Delay. Electronics Letters Vol.37 No.24 22nd November 2001
[30] 邵惠鹤，工业过程高级控制．上海交通大学出版社，1997
[31] 胡耀华，贾欣乐，广义预测控制的直接算法．控制与决策，第15卷第2期，2000．3
[32] 杜晓宁，席裕庚，李少远．约束预测控制的一种快速算法．上海交通大学学报 Vol．35No．11，Nov．2001
[33] 王一晶．左志强。基于改进BP网络的广义预测控制快速算法。基础自动化，第9卷第2期．2002年4月
[34] 清源计算机工作室，MATLAB 6.0基础及应用．机械工业出版社，2001．5
[35] 张志涌．许彦琴，MATLAB教程．北京航空航天大学出版社，2001．3
[36] Rahul S. Chokhawala. Gate Drive Consideration for IGBT Module. IEEE Trans. on Ind. Appl.,1996, 31(3): 603～611
[37] S. Bejerke. Digital Signal Processing Solutions for Motor Control Using the TMS320F240 DSP-Controller. Texas Instruments. September 1996
[38] Longya Xu, Minghua Fu, and Li Zhen. A DSP Based Servo System Using Permanent Magnet Synchronous Motors (PMSM). The Ohio State University Department of Electrical Engineering
[39] 韩安荣，通用变频器及其应用．机械工业出版社，2000
[40] 张雄伟，曹铁勇，DSP芯片的原理与开发应用．电子工业出版社，2000
[41] Texas Instruments, TMS320C24X DSP Controller, Reference Set. 1997
[42] Texas Instruments, TMS320C2XX User's Guide. 1997
[43] 王宏华，开关型磁阻电动机调速控制技术．北京，机械工业出版社，1994：118～120
[44] Mitsubishi Semiconductors Power Modules MOD. Using Intelligent Power Modules, MITSUBISHI ELECTRIC, Sep. 1998
[2] 陈瑜，电力电子与运动控制技术．中国电力出版社，2003
[3] 徐殿国，运动控制技术中的自动控制理论．控制理论与应用．1992，9(3)．322-324
[4] 尔桂花，运动控制系统，清华大学出版社，2002
[5] 李志民，张遇杰，同步电动机调速系统．机械工业出版社，1996
[6] 马小亮，大功率交—交变频调速及矢量控制技术．机械工业出版社，1999
[7] 李夙，异步电动机直接转矩控制．机械工业出版社，1994
[8] R. Wu,G.R. Slemon, A Permanent Magnet Motor Drive without a Shaft Sensor. ISA, 1990, pp553-558
[9] 潘月斗，交流伺服系统智能控制研究：天津大学博士学位论文 2001．12
[10] P. Pillay and R. Krishnam, Modeling, Analysis and Simulation of a High Performance Synchronous Motor Drive. IEEE IAS Annual Meeting, Atlanta, Georgia, 1987
[11] 陈坚，交流电机数学模型及调速系统．北京，国防工业出版社，1989
[12] 高景德，交流电机及其系统的分析．北京，清华大学出版社，1992
[13] 陈伯时，陈敏逊，交流调速系统．北京，机械工业出版社，1998
[14] 李练兵，永磁同步电动机多模态预测控制的研究：河北工业大学博士学位论文，2003．3
[15] 葛宝明，蒋静坪，孙鹤旭，同步电动机位置模态L~∞预测控制的研究．控制理论与应用，1999, vol．16,No 1．pp．67～70
[16] 王晓军，交流步进传动及离散控制的研究：河北工业大学硕士论文，2003．3
[17] R. Monajemy, R. Krishnan, Implementation Strategies for Concurrent Flux Weakening and Torque Control of the PM Synchronous Motor. in IEEE Ind. Application, Society Annu. Meet. 1995, pp.238-245
[18] 诸静，智能预测控制及其应用．杭州：浙江大学出版社，2000
[19] Clarke D W, Mohtadic,Tuffs P S. Generalised Predictive Control (Part 1 & Part 2). Automatica,1987
[20] 席裕庚，预测控制．国防工业出版社，1993
[21] 许敏，典型过程控制系统的快速预测控制算法研究：河北工业大学硕士论文，2001．3
[22] 李农庄，多变量广义预测控制在单元机组协调控制系统中的应用研究：华北电力大学硕士学位论文，1999．12
[23] 王伟，广义预测控制理论．北京：兵器工业出版社，1998
[24] 舒迪前，预测控制系统及其应用．北京：机械工业出版社，1996
[25] 葛宝明．孙鹤旭．同步电动机速度模态L~∞预测控制的研究．电工技术学报，1998，vol．13，No4，pp．10～14
[26] 葛宝明，蒋静坪．永磁同步电动机传动系统的模型算法控制，中国电机工程学报，1999，vol．19，No10,pp．27～32
[27] 许强，贾正春，永磁同步电机的自适应预测电流控制．电气传动，1997年第4期，PP．19～24
[28] Hyung-Tae Moon, Myung-Joong Youn. A Modified Predictive Current Controller for PMSM. PEDS'01 Indonesia, 2001
[29] Hyung-Tae Moon, Myung-Joong Youn. Predictive Current Control of PMSM with Consideration of Calculation Delay. Electronics Letters Vol.37 No.24 22nd November 2001
[30] 邵惠鹤，工业过程高级控制．上海交通大学出版社，1997
[31] 胡耀华，贾欣乐，广义预测控制的直接算法．控制与决策，第15卷第2期，2000．3
[32] 杜晓宁，席裕庚，李少远．约束预测控制的一种快速算法．上海交通大学学报 Vol．35No．11，Nov．2001
[33] 王一晶．左志强。基于改进BP网络的广义预测控制快速算法。基础自动化，第9卷第2期．2002年4月
[34] 清源计算机工作室，MATLAB 6.0基础及应用．机械工业出版社，2001．5
[35] 张志涌．许彦琴，MATLAB教程．北京航空航天大学出版社，2001．3
[36] Rahul S. Chokhawala. Gate Drive Consideration for IGBT Module. IEEE Trans. on Ind. Appl.,1996, 31(3): 603～611
[37] S. Bejerke. Digital Signal Processing Solutions for Motor Control Using the TMS320F240 DSP-Controller. Texas Instruments. September 1996
[38] Longya Xu, Minghua Fu, and Li Zhen. A DSP Based Servo System Using Permanent Magnet Synchronous Motors (PMSM). The Ohio State University Department of Electrical Engineering
[39] 韩安荣，通用变频器及其应用．机械工业出版社，2000
[40] 张雄伟，曹铁勇，DSP芯片的原理与开发应用．电子工业出版社，2000
[41] Texas Instruments, TMS320C24X DSP Controller, Reference Set. 1997
[42] Texas Instruments, TMS320C2XX User's Guide. 1997
[43] 王宏华，开关型磁阻电动机调速控制技术．北京，机械工业出版社，1994：118～120
[44] Mitsubishi Semiconductors Power Modules MOD. Using Intelligent Power Modules, MITSUBISHI ELECTRIC, Sep. 1998