一种新型的永磁同步电机电流预测控制方法

基于多核并行计算的永磁同步电机模型及其
预测控制方法
永磁同步电机是一种高效率、高功率密度、高精度的电机，广泛
应用于各种工业和交通领域。

在永磁同步电机控制中，预测控制方法
越来越流行。

同时，多核并行计算技术的应用已在永磁同步电机控制
领域得到了广泛研究。

在基于多核并行计算的永磁同步电机模型中，采用了高阶模型来
描述永磁同步电机的运动方程。

通过矢量控制算法，可以将永磁同步
电机的速度和电磁转矩与电流进行解耦，从而减少计算量和响应时间。

在多核并行计算方面，可以使用GPU来加速计算，从而提高计算效率。

预测控制方法是一种基于模型预测的控制方法，可以避免系统出
现过大的响应延迟和控制误差。

在永磁同步电机的预测控制中，通常
采用模型预测控制和逆模型预测控制两种方式。

模型预测控制是根据
永磁同步电机的状态方程和动态约束条件建立预测模型，然后在每个
采样周期内利用该模型进行预测和控制。

逆模型预测控制是通过逆转
永磁同步电机的模型，来预测下一个采样周期内所需的控制电流，然后将这些电流输入到永磁同步电机中进行实时控制。

总体而言，基于多核并行计算的永磁同步电机模型及其预测控制方法可以提高永磁同步电机系统的控制效率和精度，降低计算时间和误差，并具有广泛的应用前景。

永磁同步电机的预测电流控制算法研究【摘要】为提高永磁同步电机（PMSM）的调速性能，本文在分析PMSM 的数学模型和预测电流控制原理的基础上，建立了采用预测电流控制的三相电压型逆变器驱动PMSM的系统仿真模型，结果表明，系统开关频率恒定，电流变化比较平稳，鲁棒性强，且具有良好的动静态性能，验证了所提方案的有效性。

【关键词】永磁同步电机;预测电流控制;鲁棒性1.引言永磁同步电机以其运行效率高、转矩体积比高以及控制灵活等优点而广受关注，近年来国内外学者们永磁同步电机的控制策略研究，取得了一定的进展。

目前对永磁同步电机的研究方法主要有：直接转矩控制、滑模变结构控制、解耦控制、矢量控制等。

[1]提出了电流反馈电压解耦控制方法，取得的效果明显，但系统鲁棒性较差。

[2]阐述了一种基于新型指数趋近律的滑模变结构控制策略，有效的改善了滑模控制的固有抖振情况，使趋近速度上升，但只是对表贴式永磁同步电机进行了相关的验证。

预测控制算法是目前的一种新型研究方法，与已有控制策略相比，可以使电流的谐波含量更低、系统动态响应性能更高。

当建立好准确的系统模型后，对系统各状态变量进行实时，检测，能够基本上实现系统无差拍控制，提高系统控制性能[3-5]。

本文对基于三相电压型逆变器的永磁同步电机电流预测控制方法进行了研究，推导了永磁同步电机的系统数学模型，阐述了电流预测控制方法的原理，并对最优控制电压进行了计算，最后建立了系统的仿真模型，通过仿真验证了所提方案的可行性。

2.逆变器的矢量模型逆变器主电路如图1所示[6]。

图1 逆变器主电路逆变器的开关状态取决于门控信号Sa、Sb、和Sc，如下：（1）（2）（3）表示为向量形式：（4）其中。

逆变器生成的输出电压空间矢量定义：（5）是对逆变器（图1）各相对中性点（N）的电压，然后，负载电压矢量V与开关状态矢量S的关系为：（6）式（6）中是直流母线电压。

考虑到所有可能的组合的门控信号，以及8个开关状态，因此，得到8个电压矢量。

永磁同步电机调速的预测电流控制方法作者：周左晗李腾飞施伟锋来源：《上海海事大学学报》2014年第03期摘要：为解决永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor， PMSM）的非线性和强耦合性，根据PMSM的特性，在MATLAB/Simulink环境下建立数学模型并进行离散化，设计预测控制与矢量控制相结合的PMSM电流控制方法.仿真结果表明，该方法对于PMSM调速系统具有良好的控制性能.关键词：永磁同步电机（PMSM）；预测电流控制；矢量控制；电机调速中图分类号： TM341文献标志码： A30基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金（20123121110003）；上海市教育委员会科研创新重点项目（12ZZ155）作者简介：周左晗（1984—），女，湖南长沙人，博士研究生，研究方向为船舶电力系统故障诊断和容错控制，（E-mail）zhouzuohan@0引言永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor， PMSM）以其结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高等特点，广泛应用于国防、工农业生产和日常生活等各个方面，目前正向大功率、高功能和微型化的方向发展.PMSM大多采用直接转矩控制方法调速，仅根据已知矢量表进行控制，一般不对系统未来采样时间内可能产生的负载电流进行预测.[1-6]此外，直接转矩控制中的滞环控制器导致开关频率变化，当测量值与参考值的误差大于限定阈值时进行一次控制以减小误差，但在后续控制中误差可能再次超出阈值.长时间的控制计算会导致转矩和磁通超出滞环限制.[7]采用预测电流控制方法对PMSM进行调速可解决上述问题.电机调速系统中三相脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation， PWM）逆变器对电流的控制有一个周期延迟，预测电流控制的思想是在一个PWM周期内实现实际电流趋近并最终等于参考电流，具体方法是在每个周期内选取与参考电流误差最小的电流控制电压矢量，预测性地控制电流矢量.[8-12]预测电流控制实时优化开关配置，每次选择配置可以控制电流矢量轨迹相对于参考电流矢量轨迹保持最小的空间误差，并在未来的每个采样计算周期内重新选择配置状态，实时减小电流矢量误差.[13]预测电流控制能在尽可能短的时间内高精度地控制定子电流，这使得PMSM调速系统的动态性能更佳、谐波影响更低.4结论在分析和建立PMSM模型的基础上，利用MATLAB/Simulink实现PMSM的预测电流控制.仿真结果表明：波形符合理论要求，系统可以平稳运行，具有较好的动态性能.采用预测电流控制方法不仅可省去整定参数的复杂过程，而且可实时预测电流，具有一定优越性.通过仿真可有效地分析PMSM的特性，也可为实际电机控制提供可行策略和思路.参考文献：[1]杨建飞，胡育文. 永磁同步电机最优直接转矩控制[J]. 中国电机工程学报， 2011， 31（27）： 109-115.[2]邱鑫，黄文新，杨建飞，等. 一种基于转矩角的永磁同步电机直接转矩控制[J]. 电工技术学报， 2013， 28（3）： 56-62.[3]杨鸣，施伟锋. 基于多种群遗传神经网络的船舶发电机故障诊断[J]. 上海海事大学学报， 2013， 34（4）： 18-22.[4]周志斌，谢卫， LORON L. 正弦永磁同步电机转矩脉动抑制[J]. 上海海事大学学报，2009， 30（2）： 65-71.[5]李耀华，郭巧娟，吴俊，等. 永磁同步电机直接转矩控制系统开关表分析[J]. 电气传动， 2012， 42（11）： 15-17，22.[6]李耀华，马建，刘晶郁，等. 永磁同步电机直接转矩控制电压矢量选择区域[J]. 长安大学学报：自然科学版， 2012， 32（1）： 95-100.[7]RODRIGUEZ J， PONTT J， SILVA C A， et al. Predictive current control of a voltage source inverter[J]. IEEE Trans Ind Electron， 2007， 54（1）： 495-503.[8]于蓉蓉，魏学业，吴小进，等. 一种改进型预测电流控制算法[J]. 电工技术学报，2010， 25（7）： 100-107.[9]刘春海，梁晖. 风力发电并网逆变器预测电流控制方法研究[J]. 电力电子技术， 2010，44（10）： 6-8.[10]年珩，於妮飒，曾嵘. 不平衡电压下并网逆变器的预测电流控制技术[J]. 电网技术，2013， 37（5）： 1223-1229.[11]宋文祥，阮智勇，朱洪志，等. 异步电机低开关频率的模型预测直接电流控制[J]. 上海大学学报：自然科学版， 2013， 19（6）： 647-653.[12]LIU H， LI S. Speed control for PMSM servo system using predictive functional control and extended state observer[J]. IEEE Trans Ind Electron， 2012， 59（2）： 1171-1183.[13]MOREL F， LIN-SHI X， RETIF J M， et al. A comparative study of predictive current control schemes for a permanent magnet synchronous machine drive[J]. IEEE Trans Ind Electron，2009， 56（7）： 2715-2728.[14]屈鲁，谢卫，卢颖娟，等. 六相感应电动机调速系统的建模与仿真[J]. 上海海事大学学报， 2012， 33（2）： 94-99.[15]MOON H T， KIM H S， YOUN M J. A discrete-time predictive current control for PMSM[J]. IEEE Trans Power Electron， 2003， 18（1）： 464-472.（编辑贾裙平）。

永磁同步电机模型预测控制随着科技的不断发展，电机控制技术也在不断提高。

永磁同步电机作为一种新型的电机，具有高效、低噪音、低能耗等优点，逐渐成为电机控制的研究热点之一。

而永磁同步电机模型预测控制技术则是目前较为先进的控制方法之一，本文将对其进行详细介绍。

一、永磁同步电机模型永磁同步电机是一种通过磁场作用实现转动的电机。

在控制永磁同步电机之前，首先需要建立其数学模型。

永磁同步电机模型可以分为两种，即基于dq轴和基于αβ轴。

其中，基于dq轴的模型更为常用。

基于dq轴的永磁同步电机模型可以表示为：$V_d=R_s I_d+L_s frac{dI_d}{dt}+omega_e L_s I_q +omega_e lambda_m$$V_q=R_s I_q+L_s frac{dI_q}{dt}-omega_e L_s I_d$ 其中，$V_d$和$V_q$分别为永磁同步电机的dq轴电压，$I_d$和$I_q$分别为dq轴电流，$R_s$为电机电阻，$L_s$为电机自感，$omega_e$为电机转速，$lambda_m$为永磁体磁通链。

二、模型预测控制模型预测控制是一种基于数学模型的控制方法。

它通过对电机数学模型进行分析和预测，得到最优的控制策略，从而实现对电机的高精度控制。

在永磁同步电机控制中，模型预测控制可分为两种，即基于模型的预测控制和基于数据的预测控制。

其中，基于模型的预测控制是一种通过建立电机的数学模型，预测电机下一时刻的状态，从而得到最优的控制策略的控制方法。

而基于数据的预测控制则是一种通过采集电机实时数据，分析数据，得到最优的控制策略的控制方法。

三、永磁同步电机模型预测控制方法永磁同步电机模型预测控制方法主要包括以下几个步骤：1. 建立永磁同步电机数学模型，并对模型进行分析和预测，得到最优的控制策略。

2. 根据预测结果，计算出电机的控制信号，包括电机的电压、电流等。

3. 将计算出的控制信号送入电机，实现对电机的控制。

论永磁同步发电机电流预测控制摘要于同步的旋转轴系之下将永磁同步发电机的离散化的一种电流预测的控制方法提出来，该方法是基于无差的拍算法，可将发电机的电流环性能有效提高。

电流的控制器在基于电机的数学模型后依据电流的给定值以及反馈值的计算将电压矢量计算出来，再通过利用空间矢量的脉宽调制的模块把电压矢量往开关信号方向转换。

将鲁棒电流的预测算法引入来将预测模型的参数误差在系统的稳定性方面影响减小。

据仿真以及实验的结果显示在永磁同步的发电机电流预测的控制方法较传统矢量的控制更有效。

关键词永磁同步发电机；电流；预测；控制1 前言永磁同步电机因其效率较高、功率密度较高以及无碳刷等特点被广泛应用于高性能的伺服场合中。

通常情况下，快速电磁转矩的响应对于确保系统管理高动态的性能具有重要意义，而和电磁转矩有直接联系的电流内环特性是衡量伺服性能最为重要的一个指标。

永磁同步电机电流环包括PT调节器及滑膜变结构等控制方法，PT调节器的结构较为简单，且可靠、稳定，其应用较为广泛；而滞环控制的响应较为快速，但该种控制方法的纹波较大，开关的频率不稳定；预测控制能够实现无超调快速跟踪指令信号。

2 永磁同步发电机电流预测控制的概况分析环嵌套的控制结构是交流伺服的系统本身所具有的，而制约整个伺服系统的动态品质最为核心的因素是其内环中电流环的带宽。

伺服系统的电流控制，其目的在于确保电机的电流能够严格的跟随其既定的变化而改变，并兼顾稳定性以及快速性[1]。

当前，磁场定向的控制是近些年交流伺服的系统中绝大多数采用的方法，于同步的旋转轴系之下对PI调节器进行使用，使其分别控制电机交直轴的电流，而这样可以把控制对象从交流量往直流量方向转变，进而将控制过程简化且将控制精度提高。

集成电子的技术不断发展的同时，相关数字控制的系统因为其具有抗干扰的能力较强、成本低以及体积小等强大优势，因此在交流伺服的领域广泛运用。

然而因为数字控制的系统具有保持以及量化等固定环节存在，所以控制器对于系统的周期性控制规律较强，且将诸多的数字延时引入控制系统当中，例如各种的滤波延时、死区、逆变器输出、脉宽调制的占空比与更新、电流采样。

永磁同步电机电流预测控制算法随着电力电子技术、微处理器技术和控制理论的发展，永磁同步电机（PMSM）因其高效、节能、环保等优点，在工业电机、电动汽车、航空航天等领域得到了广泛应用。

为了实现永磁同步电机的精确控制，提高系统的动态性能和稳定性，电流预测控制算法成为一个重要的研究领域。

本文将详细介绍永磁同步电机电流预测控制算法的原理、研究方法及实验结果，并进行分析和讨论。

永磁同步电机电流预测控制算法主要分为直接电流控制和间接电流控制。

直接电流控制通过直接调节电机的电流实现控制目标，具有控制精度高、响应速度快等优点，但算法复杂度较高，对硬件要求较高。

间接电流控制通过控制电机的电压和频率来实现电流控制，具有算法简单、易于实现等优点，但电流控制精度相对较低。

近年来，许多学者对永磁同步电机电流预测控制算法进行了研究。

其中，基于模型预测控制（MPC）的电流预测控制算法备受。

MPC是一种基于优化理论的控制方法，能够在约束条件下对未来一段时间内的系统进行优化控制。

在永磁同步电机电流控制中，MPC能够实现对未来一段时间内的电流进行预测和控制，提高系统的动态性能和稳定性。

然而，MPC算法的计算量大，对硬件要求较高，实时性较差。

本文提出了一种基于模型预测控制的永磁同步电机电流预测控制算法。

建立永磁同步电机的数学模型，包括电机电磁场、转子运动方程等。

然后，利用MPC算法对未来一段时间内的电流进行预测和控制。

具体实现过程如下：数据采集：通过电流传感器采集电机的实际电流，并将其反馈至控制系统。

模型建立：根据永磁同步电机的电磁场和转子运动方程，建立电机的数学模型。

电流预测：利用MPC算法对未来一段时间内的电流进行预测，考虑电流的约束条件（如最大电流、最小电流等）。

控制策略：根据电流预测结果和实际电流反馈，制定相应的控制策略，包括电压控制、频率控制等。

实时控制：通过微处理器实现对电机的实时控制，保证电流的稳定性和准确性。

为了验证本文提出的永磁同步电机电流预测控制算法的有效性，搭建了一个实验平台进行实验测试。

永磁同步电机的自适应预测电流控制技术Yilmaz Sozer David A. Torrey Erkan Mese Member Member Member University of Akron Advanced Energy Conversion, LLC. Yildiz Technical UniversityAkron, OH 44329 Schenectady, NY 12305 Istanbul, TURKEYys@ davidtorrey@ emese@.tr译者：史建昇学号：3008203248摘要在电机控制应用中为了实现精确的转矩控制必须生成幅值和波形都所需的参考电流。

无振荡的预测电流控制器提供了非常好的动态性能。

为了得到非常准确的参考电流，电机和逆变器应当用准确的参数适当建模。

各种参数，特别是反电动势电压和逆变器延迟参数的变化，会导致无差拍电流调节器性能的显着恶化。

本文旨在实时准确测定永磁同步电机的动态参数，使用DSP计算控制算法的时序，相应的更新当前调节，并且考虑类如变频器输出滤波器的延迟参数。

新算法是经过模拟和实验验证的。

这种新的电流调节技术得到的仿真和实验结果具有很好的动态和稳态特性，验证了调节器的性能。

关键词：电流调节器；永磁同步电机，预测控制，反电动势估算，转矩脉动消除。

I.引言本文将介绍由电压源逆变器驱动的永磁同步电动机的预测自适应无差电流控制是如何发展和实时实现的。

最终目标是通过合理的控制尽量减小电机相绕组的电流脉动使电机输出转矩脉动最小化。

针对此，有许多类似的的报告。

文献[1]中说到，在消除转矩脉动时要考虑不平衡绕组和极对极反电动势形状的变化。

在[2]中说，压电式传感器是用来测量转矩脉动产生的扭转振动的。

为了使测量帧扭转振动最小化，控制器会合成定子电流谐波。

该算法计算电流谐波的振幅和相位是基于成本函数最小化得到的。

在[3]中，用负载转矩观测器估测转矩脉动。

检测到的转矩脉动是由增加的前馈谐波电流补偿的。

专利名称：简化的永磁同步电机模型预测电流控制方法专利类型：发明专利
发明人：赵文祥,王晨,吉敬华,和阳,陶涛
申请号：CN202111164269.X
申请日：20210930
公开号：CN113972877A
公开日：
20220125
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了简化的永磁同步电机模型预测电流控制方法。

传统模型预测电流控制需要用价值函数评估逆变器每一个开关状态对应的电压矢量，导致系统计算复杂。

此外，在一个控制周期只作用一个矢量，使得系统的稳态性能较差。

为解决上述问题，本发明只需要使用价值函数评估三个不相邻的非零矢量，根据三个不相邻非零矢量对应价值函数的大小关系，在完整控制集中的确定两个非零矢量。

将两个非零矢量通过两次电流无差拍原则计算可以得到最终作用矢量，最终作用矢量的范围覆盖整个六边形。

本发明相比传统的模型预测电流控制，有效的减轻了计算负担，并且系统稳态性能得到提高。

申请人：江苏大学
地址：212013 江苏省镇江市京口区学府路301号
国籍：CN
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