[论文解读] Predictive Control of a Permanent Magnet Synchronous Machine based on Real-Time Dynamic Optimization

Jean-François Stumper, Alexander Doetlinger+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2012

Multilevel Inverters and Converters被引用 11

一句话总结

本文提出一种基于连续多项式参数化与线性规划的次优轨迹生成方法，实现永磁同步电机（PMSMs）的实时模型预测控制（MPC）方案。该方法在8 kHz采样频率下实现2 ms预测时域，完整处理电压与电流约束，支持快速、平稳的转矩动态响应，并通过最优弱磁控制提升效率。

ABSTRACT

A predictive control scheme for a permanent-magnet synchronous machine (PMSM) is presented. It is based on a suboptimal method for computationally efficient trajectory generation based on continuous parameterization and linear programming. The torque controller optimizes a quadratic cost consisting of control error and machine losses in real-time respecting voltage and current limitations. The multivariable controller decouples the two current components and exploits cross-coupling effects in the long-range constrained predictive control strategy. The optimization results in fast and smooth torque dynamics while inherently using field-weakening to improve the power efficiency and the current dynamics in high speed operation. The performance of the scheme is demonstrated by experimental results.

研究动机与目标

• 解决高速电气驱动中实时模型预测控制（MPC）的计算负担问题。
• 通过实现多输入多输出（MIMO）控制，克服传统级联PI控制器在转矩与电流控制中的局限性。
• 通过利用交叉耦合效应，改善解耦性能、约束处理与功率效率，从而提升系统性能。
• 在不依赖预计算查找表的前提下，实现在高速采样系统（8 kHz）上的长时域预测控制。
• 通过可调的二次型代价函数，实现转矩跟踪误差与电机损耗之间的最优权衡。

提出的方法

• 在磁场定向参考系中建立PMSM控制问题，基于恒定转子转速假设，在短时间时域内对电机模型进行线性化。
• 采用控制变量（电流与电压）的连续多项式参数化方法，通过未定系数降低计算复杂度。
• 通过代价函数的线性化，将非线性最优控制问题转化为具有线性约束的线性-二次优化问题。
• 采用快速线性规划（LP）求解器实时计算最优轨迹，避免计算量较大的二次规划（QP）算法。
• 将电压与电流限制作为线性约束引入，确保所有工作点下的安全与可行运行。
• 通过优化框架自然集成弱磁控制，调整直轴电流以扩展速度范围，同时最小化损耗。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否开发一种计算高效的预测控制方案，实现实时电压与电流约束下的PMSM控制？
• RQ2 与传统基于QP的方法相比，连续参数化与线性规划在提升在线MPC可行性与速度方面有何优势？
• RQ3 在预测控制框架内，弱磁控制的优化程度如何，能否显著提升效率与动态性能？
• RQ4 能否在不使用预计算查找表或过高计算负载的前提下，实现在8 kHz采样频率下的2 ms长时域预测控制？
• RQ5 与经典级联PI控制相比，所提出的MIMO控制器在解耦与交叉耦合处理方面有何改进？

主要发现

• 所提方法在8 kHz采样率下实现2 ms预测时域，支持在实时驱动系统中实现长时域约束预测控制。
• 采用线性规划替代二次规划显著降低计算负载，使该方案可在标准数字信号处理器上实现实时运行。
• 实验结果表明，在0 rpm、2000 rpm与2400 rpm下，转矩动态响应快速且平稳，超调极小。
• 控制器在所有工况下，包括高速弱磁运行，均能有效遵守电流与电压限制。
• 通过代价函数自然优化弱磁控制，显著提升功率效率，并扩展恒功率运行范围。
• 与经典级联PI控制相比，该方案在解耦性能与约束处理方面表现更优，电流与电压轨迹跟踪性能有明显提升。