高速永磁同步電機(jī)預(yù)測控制研究摘要：高速永磁同步電機(jī)被廣泛應(yīng)用于航空航天、電動(dòng)車、高速列車等領(lǐng)域。然而，在高速運(yùn)行時(shí)，高速永磁同步電機(jī)存在轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡問題、勵(lì)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(jī)控制方法。該方法采用了廣義預(yù)測控制算法，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡控制和減小勵(lì)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(lì)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(jī)預(yù)測控制方法具有很高的工程應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：高速永磁同步電機(jī)；預(yù)測控制；廣義預(yù)測控制算法；轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡控制；勵(lì)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(jī)具有高效率、高功率密度、無需機(jī)械傳動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、電動(dòng)車、高速列車等領(lǐng)域。然而，高速永磁同步電機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)，存在轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡問題、勵(lì)磁電流大、電磁噪聲等問題，會(huì)嚴(yán)重影響電機(jī)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(jī)在高速運(yùn)行時(shí)存在的問題。預(yù)測控制是一種先進(jìn)的非線性控制方法，適用于多變量、時(shí)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(jī)控制方法，實(shí)現(xiàn)了對轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡、勵(lì)磁電流和電磁噪聲的控制。

2.高速永磁同步電機(jī)模型

高速永磁同步電機(jī)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}\\

&\fracfbj5pld{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}

\\

&\fractntx5r1{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(jī)的d軸和q軸電感，$i_d$和$i_q$為電機(jī)的d軸和q軸電流，$\psi_d$和$\psi_q$為永磁同步電機(jī)的d軸和q軸磁鏈，$f$為電機(jī)的扭矩，$p_m$為電磁轉(zhuǎn)矩，$k_w$為電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，$\omega_m$為電機(jī)的角速度，$f_r$為轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡的力矩，$k_r$為轉(zhuǎn)子動(dòng)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(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和摩擦阻尼系數(shù)。

3.高速永磁同步電機(jī)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(jī)進(jìn)行預(yù)測控制。廣義預(yù)測控制算法是一種針對時(shí)變系統(tǒng)的控制方法。該算法將未來$k+1$時(shí)刻的狀態(tài)$x_{k+1}$表示為當(dāng)前時(shí)刻$k$到$k+N$時(shí)刻的控制量$U(k),U(k+1),...,U(k+N-1)$和當(dāng)前時(shí)刻$k$到$k+N-1$時(shí)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(shí)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(shí)變性。

本文采用廣義預(yù)測控制算法，實(shí)現(xiàn)了對高速永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡控制、勵(lì)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(dòng)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(jìn)行控制。勵(lì)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(shí)對勵(lì)磁電流進(jìn)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(lì)磁電流波形實(shí)現(xiàn)電磁噪聲的控制。

4.仿真結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文提出的高速永磁同步電機(jī)預(yù)測控制方法的有效性，本文進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。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(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)$k_T$|1.277Nm/A|

|負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量$J_l$|4.4e-4kg·m^2|

|負(fù)載阻尼系數(shù)$D_l$|0.0001N·m|

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

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

|預(yù)測時(shí)域$N$|6|

|控制樣本時(shí)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(jī)預(yù)測控制方法可以顯著減小勵(lì)磁電流、改善電磁噪聲性能、提高轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡控制的性能。因此，本文提出的高速永磁同步電機(jī)預(yù)測控制方法具有很高的工程應(yīng)用價(jià)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(jī)控制方法，該方法實(shí)現(xiàn)了對轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡、勵(lì)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(lì)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(jī)預(yù)測控制方法具有很高的工程應(yīng)用價(jià)值6.展望

本文提出的高速永磁同步電機(jī)預(yù)測控制方法雖然可以有效地控制轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡、勵(lì)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(shí)中永磁同步電機(jī)往往面臨更為復(fù)雜的工況和環(huán)境，如急劇變化的負(fù)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(jī)控制方法需要在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)一步驗(yàn)證，例如在機(jī)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(jī)控制方法；（2）探討開環(huán)控制在特定場景下的應(yīng)用；（3）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和應(yīng)用推廣另外，除了控制策略的改進(jìn)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等方面，還可以從以下幾個(gè)方面對高速永磁同步電機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步研究。

首先，研究高速永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。目前，高速永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)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(jī)器學(xué)習(xí)等方法，對高速永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化進(jìn)行研究，探究新的設(shè)計(jì)思路和方法，提升電機(jī)的性能和效率。

其次，研究高速永磁同步電機(jī)的故障診斷和健康管理。目前，針對高速永磁同步電機(jī)的故障診斷和健康管理主要基于信號(hào)處理和機(jī)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(jī)的故障機(jī)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(jī)的可靠性和安全性。

最后，研究高速永磁同步電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。高速永磁同步電機(jī)具有高效能、高可靠性和高精度等優(yōu)點(diǎn)，在各個(gè)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(jìn)一步探討高速永磁同步電機(jī)在機(jī)械制造、航空航天、軌道交通、能源等領(lǐng)域的應(yīng)用，推動(dòng)其實(shí)際應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

綜上所述，高速永磁同步電機(jī)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(diǎn)和問題，以推動(dòng)其進(jìn)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(jī)進(jìn)行進(jìn)一步研究。

首先，研究高速永磁同步電機(jī)的材料和制造工藝。高速永磁同步電機(jī)的性能和效率主要受到電機(jī)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(jī)材料和工藝，以提高電機(jī)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(jī)的熱管理。高速永磁同步電機(jī)的運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量，如果熱量不能及時(shí)散發(fā)，就會(huì)導(dǎo)致電機(jī)溫度升高，進(jìn)而降低電機(jī)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(jī)的熱管理技術(shù)，如散熱設(shè)計(jì)、液冷技術(shù)等，以提高電機(jī)的可靠性和性能。

最后，研究高速永磁同步電機(jī)與其他技術(shù)的集成應(yīng)用。高速永磁同步電機(jī)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(jī)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