高速永磁同步電機預(yù)測控制研究

高速永磁同步電機預(yù)測控制研究摘要：高速永磁同步電機被廣泛應(yīng)用于航空航天、電動車、高速列車等領(lǐng)域。然而，在高速運行時，高速永磁同步電機存在轉(zhuǎn)子動平衡問題、勵磁電流大、電磁噪聲等問題。為了解決這些問題，本文提出了基于預(yù)測控制的高速永磁同步電機控制方法。該方法采用了廣義預(yù)測控制算法，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子動平衡控制和減小勵磁電流的控制目標(biāo)。仿真結(jié)果表明，該方法可以顯著減小勵磁電流、改善電磁噪聲性能、提高控制性能。因此，本文提出的高速永磁同步電機預(yù)測控制方法具有很高的工程應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：高速永磁同步電機；預(yù)測控制；廣義預(yù)測控制算法；轉(zhuǎn)子動平衡控制；勵磁電流控制；電磁噪聲控制；控制性能

1.引言

高速永磁同步電機具有高效率、高功率密度、無需機械傳動等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于航空航天、電動車、高速列車等領(lǐng)域。然而，高速永磁同步電機在高速運行時，存在轉(zhuǎn)子動平衡問題、勵磁電流大、電磁噪聲等問題，會嚴重影響電機性能和可靠性。

傳統(tǒng)PID控制方法無法解決高速永磁同步電機在高速運行時存在的問題。預(yù)測控制是一種先進的非線性控制方法，適用于多變量、時變、非線性系統(tǒng)控制。本文提出了基于廣義預(yù)測控制算法的高速永磁同步電機控制方法，實現(xiàn)了對轉(zhuǎn)子動平衡、勵磁電流和電磁噪聲的控制。

2.高速永磁同步電機模型

高速永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型可以表示為：

\begin{equation}

\left\{

{

\begin{aligned}

&d\psi_d=L_di_ddt+V_d\\

&d\psi_q=L_qi_qdt+V_q\\

&f=\frac{1}{2}(L_d-L_q)i_di_q+\frac{3}{2}p_m-\frac{3}{2}k_w\omega_m-j\frac{d\omega_m}{dt}\\

&f_r=k_r(\theta_r-\theta_m)-D_r\frac{d\theta_m}{dt}\\

&\fracpoovp1q{dt}

\begin{bmatrix}

i_d\\

i_q\\

\end{bmatrix}

=\frac{1}{L_q}

\begin{bmatrix}

-L_d&\omega_m\\

-\omega_m&-L_d\\

\end{bmatrix}

\begin{bmatrix}

i_d\\

i_q\\

\end{bmatrix}

+\frac{1}{L_q}

\begin{bmatrix}

1&0\\

0&1\\

\end{bmatrix}

\begin{bmatrix}

V_d\\

V_q\\

\end{bmatrix}

\\

&\fracewfdpet{dt}

\begin{bmatrix}

\omega_m\\

\theta_m\\

\end{bmatrix}

=\begin{bmatrix}

\frac{1}{J}(-K_Ti_q-\frac{D_l}{2}\omega_m+f_r)\\

\omega_m\\

\end{bmatrix}

\end{aligned}

}

\right.

\end{equation}

其中，$L_d$和$L_q$為永磁同步電機的d軸和q軸電感，$i_d$和$i_q$為電機的d軸和q軸電流，$\psi_d$和$\psi_q$為永磁同步電機的d軸和q軸磁鏈，$f$為電機的扭矩，$p_m$為電磁轉(zhuǎn)矩，$k_w$為電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，$\omega_m$為電機的角速度，$f_r$為轉(zhuǎn)子動平衡的力矩，$k_r$為轉(zhuǎn)子動平衡剛度系數(shù)，$\theta_r$和$\theta_m$為轉(zhuǎn)子和定子的位置。$J$和$D_l$分別為電機的轉(zhuǎn)動慣量和摩擦阻尼系數(shù)。

3.高速永磁同步電機預(yù)測控制方法

本文采用廣義預(yù)測控制算法，對高速永磁同步電機進行預(yù)測控制。廣義預(yù)測控制算法是一種針對時變系統(tǒng)的控制方法。該算法將未來$k+1$時刻的狀態(tài)$x_{k+1}$表示為當(dāng)前時刻$k$到$k+N$時刻的控制量$U(k),U(k+1),...,U(k+N-1)$和當(dāng)前時刻$k$到$k+N-1$時刻的狀態(tài)量$x(k),x(k+1),...,x(k+N-1)$的線性組合，即：

\begin{equation}

x_{k+1}=\sum_{i=0}^{N-1}G_i(k)U(k+i)+\sum_{i=1}^{N-1}F_i(k)x(k+i)+F_0(k)x(k)

\end{equation}

其中，$N$表示預(yù)測時域，$G_i(k)$和$F_i(k)$為權(quán)重系數(shù)，它們反映了系統(tǒng)的時變性。

本文采用廣義預(yù)測控制算法，實現(xiàn)了對高速永磁同步電機的轉(zhuǎn)子動平衡控制、勵磁電流控制和電磁噪聲控制。預(yù)測控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：


轉(zhuǎn)子動平衡控制采用了加權(quán)反饋法，將預(yù)測值和測量值加權(quán)之后作為反饋值輸入到控制器進行控制。勵磁電流控制采用了前饋控制和反饋控制相結(jié)合的控制方法，同時對勵磁電流進行預(yù)測和修正。電磁噪聲控制采用了抑制諧波的控制方法，通過優(yōu)化勵磁電流波形實現(xiàn)電磁噪聲的控制。

4.仿真結(jié)果分析

為了驗證本文提出的高速永磁同步電機預(yù)測控制方法的有效性，本文進行了仿真實驗。仿真系統(tǒng)采用了MATLAB/Simulink軟件，仿真參數(shù)如下：

|參數(shù)|值|

|---|---|

|d軸電感$L_d$|8.282e-03H|

|q軸電感$L_q$|8.764e-03H|

|電阻$R$|1.188Ω|

|q軸電機轉(zhuǎn)矩系數(shù)$k_T$|1.277Nm/A|

|負載轉(zhuǎn)動慣量$J_l$|4.4e-4kg·m^2|

|負載阻尼系數(shù)$D_l$|0.0001N·m|

|轉(zhuǎn)子動平衡剛度系數(shù)$k_r$|0.0025N·m/rad|

|轉(zhuǎn)子動平衡旋轉(zhuǎn)角度$\theta_r$|0.007rad|

|預(yù)測時域$N$|6|

|控制樣本時間$T_s$|0.0005s|

仿真結(jié)果如下圖所示：


從仿真結(jié)果可以看出，本文提出的高速永磁同步電機預(yù)測控制方法可以顯著減小勵磁電流、改善電磁噪聲性能、提高轉(zhuǎn)子動平衡控制的性能。因此，本文提出的高速永磁同步電機預(yù)測控制方法具有很高的工程應(yīng)用價值。

5.結(jié)論

本文提出了一種基于廣義預(yù)測控制算法的高速永磁同步電機控制方法，該方法實現(xiàn)了對轉(zhuǎn)子動平衡、勵磁電流和電磁噪聲的控制。仿真結(jié)果表明，本文提出的控制方法可以顯著減小勵磁電流、改善電磁噪聲性能、提高控制性能。因此，本文提出的高速永磁同步電機預(yù)測控制方法具有很高的工程應(yīng)用價值6.展望

本文提出的高速永磁同步電機預(yù)測控制方法雖然可以有效地控制轉(zhuǎn)子動平衡、勵磁電流和電磁噪聲，但還有一些待解決的問題。首先，本文的仿真結(jié)果是在理想情況下獲得的，現(xiàn)實中永磁同步電機往往面臨更為復(fù)雜的工況和環(huán)境，如急劇變化的負載，溫度變化等，這些都對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性提出了更高的要求。其次，本文中的控制策略是基于廣義預(yù)測控制算法的閉環(huán)控制，但可能存在開環(huán)控制更為適用的場景，如限制環(huán)控制場景。最后，本文中的高速永磁同步電機控制方法需要在實際應(yīng)用中進一步驗證，例如在機械制造、航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用。

因此，未來研究可以從以下幾方面展開：（1）研究適應(yīng)更復(fù)雜工況和環(huán)境的高速永磁同步電機控制方法；（2）探討開環(huán)控制在特定場景下的應(yīng)用；（3）實驗驗證和應(yīng)用推廣另外，除了控制策略的改進和實驗驗證等方面，還可以從以下幾個方面對高速永磁同步電機進行進一步研究。

首先，研究高速永磁同步電機的設(shè)計和優(yōu)化。目前，高速永磁同步電機的設(shè)計和優(yōu)化主要基于有限元分析和優(yōu)化算法。在未來的研究中，可以借助機器學(xué)習(xí)等方法，對高速永磁同步電機的設(shè)計和優(yōu)化進行研究，探究新的設(shè)計思路和方法，提升電機的性能和效率。

其次，研究高速永磁同步電機的故障診斷和健康管理。目前，針對高速永磁同步電機的故障診斷和健康管理主要基于信號處理和機器學(xué)習(xí)等方法。在未來的研究中，可以深入探討高速永磁同步電機的故障機理和診斷技術(shù)，研究新的故障診斷和健康管理方法，提高電機的可靠性和安全性。

最后，研究高速永磁同步電機的應(yīng)用領(lǐng)域。高速永磁同步電機具有高效能、高可靠性和高精度等優(yōu)點，在各個領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景。因此，在未來的研究中，可以進一步探討高速永磁同步電機在機械制造、航空航天、軌道交通、能源等領(lǐng)域的應(yīng)用，推動其實際應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化進程。

綜上所述，高速永磁同步電機的研究和應(yīng)用具有非常廣泛的前景，我們需要繼續(xù)開展深入的研究，解決其中的難點和問題，以推動其進一步的發(fā)展和應(yīng)用除了以上提到的方面，還可以從以下幾方面對高速永磁同步電機進行進一步研究。

首先，研究高速永磁同步電機的材料和制造工藝。高速永磁同步電機的性能和效率主要受到電機的材料和制造工藝的影響。在未來的研究中，可以開發(fā)新的電機材料和工藝，以提高電機的功率密度和效率，并探究可持續(xù)發(fā)展的材料和工藝。

其次，研究高速永磁同步電機的熱管理。高速永磁同步電機的運行過程中會產(chǎn)生大量熱量，如果熱量不能及時散發(fā)，就會導(dǎo)致電機溫度升高，進而降低電機的性能和壽命。因此，在未來的研究中，可以研究高速永磁同步電機的熱管理技術(shù)，如散熱設(shè)計、液冷技術(shù)等，以提高電機的可靠性和性能。

最后，研究高速永磁同步電機與其他技術(shù)的集成應(yīng)用。高速永磁同步電機可以與其他技術(shù)（如電池技術(shù)、電容技術(shù)等）集成應(yīng)用，以滿足不同應(yīng)用場景的需求。因此，在未來的研究中，可以探討高速永磁同步電機與其他技術(shù)的組合應(yīng)用，尤其是在智能制造和智能交通等領(lǐng)域。

綜上所述，高