《永磁同步电机模型预测控制》张晓光著 机械工业出版社 2022/1/1

内容简介：

本书综合介绍了模型预测控制的原理与新进展及其在永磁同步电机控制中的应用。主要包括永磁同步电机模型及基础、常规模型预测控制技术，以及多种永磁同步电机模型预测控制方案。本书打破了常规交流电机模型预测控制的默认规则与理论局限，提出基于死区电压矢量的模型预测控制、多级串联模型预测控制等系统思想，在继承常规模型预测控制优点的同时有效提升了系统整体控制表现，丰富了模型预测控制的理论体系。

目录：

第pan>章概述


1.pan>研究背景及意义


2pan>世纪工业发展的新阶段，为了适应世界工业新的发展趋势，我国部署了全面制造强国的战略计划——《中国制造2025》，这是我国工业发展转型为制造强国的个十年行动纲领[1-3]。因此，为了实现工业制造与现代科技的深度融合发展，使工业发展更具创新性、互联化和智能化，高端设备制造领域将成为工业发展新阶段的之一。而电机作为将电能转换为机械能的载体，被广泛应用于制造业中，在机电能量转换中发挥着至关重要的作用[4]。


若对电行宏观分类，根据供电电源种类的不同可分类为交流电机和直流电机[5，6]。在20世纪中期，直流电机由于其简单的调速方式被广泛应用于各类工业领域，然而由于含换向器和电刷，使得直流电机维护难度较高，可靠性差，这成为制约直流电机发展的主要因素[7]。相对比而言，交流电机在20世纪80年始被学者们逐渐重视。与直流电机相比，交流电机不需要换向器和电刷等复杂结构，并且制造简单、价格低廉，系统具有更强的可靠性，随之得到了快速发展并在现代工业领域中应用得越来越广泛。


随着高性能汝铁硼等永磁材料的发展，以永磁体作为转子的永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM）问世并在20世纪末期得到了长足发展[8]。对比而言，永磁同步电机不需要换向器和电刷，并且利用永磁体代替了交流电机中的转子励磁绕组，具有可靠性高、结构简单、体积小、调速范围率密度大、效率高等诸多优点[9-11]。因此，与永磁同步电机本体一样，其驱动控制方法也受到了国内外广大学者的高度关注。此外，电力电子技术的迅速发展更是了永磁同步电机控制系统的普及，使得永磁同步电机能够被广泛地应用于、车床、交通运输等各个领域[12]。


我国稀土永磁材料资源储量丰富，作为永磁同步电机制造的关键材料，在高性能永磁同步电机的研发与应用方面具有得天独厚的条件。然而，在高性能应用领域，国内电机控制技术的发展相对于国外仍然存在一定的差距，因此有必要深入研究PMSM的高性能电机控制技术，提升我国在高性能电机控制领域的技术以及核心竞争力。


1.2永磁同步电机控制技术概述


电力电子技术与电机控制技术互相使二者都得到了长足的发展，作为该领域的研究热点，多种适用于永磁同步电机的控制方式已经被广泛应用到工业领域，例如矢量控制(也称为磁场定向控制）（Field Oriented Control,FOC)[13]和直接转矩控制（Direct Torque Control,DTC)[14]。


在19世纪70年代，FOC被提出并用于交流电机调速控制，该控制方式参照直流电机的控制模式，将定子电流分解到直轴和交轴上，对行解耦，等效于直流电机中的励磁电流和电枢电流；然后对交直轴上的电流分行控制而达到控制电机磁通和转矩的效果，实现磁场定向控制[15]。FOC一般分别对交直轴上的电流和电机转行控制，构成双闭环的控制结构，控制度高，稳态性能好，但动态响应稍慢。随后FOC被引入到PMSM的调速控制中，对PMSM控制技术的发展具有重要的意义，目前已经成为工业领域应用广泛的控制技术之一[16]。


在FOC被提出的十几年后，DTC这一项新的电机控制技术出现在研究者的视野中[17]。不同于FOC，DTC通过磁链与转矩之间的关系，采用滞环比较器直接对电机转行控制。因为DTC不涉及坐标变换和动态解耦的过程，结构和算法更为简单，并且能够获得良好的动态性能，但控制过程中转矩脉动较大，稳态性能不如FOC[18,19]。


由于PMSM控制系统是一个强耦合的非线性系统，以上方法并不能满足一些高性能特殊场合的控制要求。因此在FOC和DTC的基础上，一些控制策略被提出并应用于高性能PMSM驱动系统，例如滑模控制、自抗扰控制、自适应控制、模糊控制、模型预测控制（Model Predictive Control,MPC）等。


1.3模型预测控制研究现状


模型预测控制（MPC）技术是一种针对优控制理论应用问题提出的控制技术，其主要特点是使用系统模型来预测控制变量未来的变化，根据预先设定的优准则选择优的操作。因此，通过设定合适的优准则，MPC可以灵活控制多个重要参数（如电机转矩脉动、开关频率损耗、大输出电流等），实现多目标优化控制。相比于传统电机控制方法，MPC概念直观且易于理解，可针对具领域和控制目标修改方案。


交流电机MPC的核心思想是根据逆变器和电机的离散模型，以及电机当前时刻的状态，预测性地计算出电机未来时刻的状态而通过预先设计的评价指……