APPROXIMATE PREDICTIVE CONTROL OF AC ELECTRIC DRIVES

Ing. Štěpán JANOUŠ

Doctoral thesis

Abstract:

Tato práce se zabývá vývojem prediktivního řízení střídavých elektrických pohonů s uvažováním dlouhého predikčního horizontu a výpočetními nároky, které jsou srovnatelné s konvenčně používanými metodami řízení. Základní myšlenka navrhovaného řízení vychází z aproximace cost to go funkce Dynamického programování pro dlouhý predikční horizont. Pro speciální případy (tj. lineární matematický model a kvadratická ztrátová funkce) je možné problém řízení vyřešit analyticky což vede na dramatické snížení výpočetních nároků. Problém je však dodržet tvrdá omezení. Navržená technika řízení využívá aproximaci dlouhého horizontu v jednokrokovém MPC. Hlavní důraz je přitom kladen na splnění tvrdých stavových a vstupních omezení, která jsou řešena pouze v rámci jednoho kroku MPC. Výsledný algoritmus je velmi jednoduchý a snadno implementovatelný, přesto si ponechává výborné vlastnosti srovnatelné s MPC řešeného na dlouhém predikčním horizontu. Navrhované algoritmy řízení byly implementovány do DSP a testovány na laboratorním prototypu pohonu s PMSM o jmenovitém výkonu 10,7kW, ve třech praktických případech. První případ popisovaný v kapitole 4 se zaměřuje na řízení PMSM s využitím pulsně šířkové modulace. Úkolem je navrhnout řízení pohonu s PMSM a vlastnostmi srovnatelnými s existujícími metodami řízení bez využití kaskádního řazení lineárních regulátorů, s mnohem nižšími výpočetními nároky algoritmu. Druhý případ popisovaný v páté kapitole se zaměřuje na prediktivní řízení PMSM bez PWM s využitím přímého výběru napěťového vektoru (FCS-MPC). Navržené řešení má za úkol minimalizovat zvlnění proudu při nízkých spínacích frekvencích s využitím dlouhého predikčního horizontu a překonat existující jednokroková řešení se srovnatelnými výpočetními nároky. Třetí případ popisovaný v kapitole 6 se zaměřuje na zvýšení stability trakčního pohonu s PMSM napájeného ze stejnosměrné troleje přes vstupní LC filter. Problém je rozdělen na dvě části:, i) stabilita vstupního LC-filteru, která je řešena na dlouhém predikčním horizontu a ii) řízení PMSM, které je řešeno na krátkém horizontu. Obě dvě řešení jsou elegantně zkombinována ve ztrátové funkci jednokrokového FCS-MPC algoritmu.

Abstract:

This thesis deals with the development of model predictive control of ac electric drives with long prediction horizons and yet with computational cost of the algorithm comparable to conventional cascade control approaches. The basic idea is to approximate the cost to go function of dynamic programming taking into account long prediction horizon. For specific cases (linear model and quadratic cost function) the optimization of the control problem can be solved analytically which leads to a dramatic computational cost reduction. However the analytical solution does not consider the hard state and input constraints. Therefore proposed control algorithm combines unconstrained solution with constraint manager. Resulting algorithm is very simple and computationally comparable to conventional control schemes, nonetheless it still preserves excellent control performance of MPC solved on long prediction horizon. Proposed control technique has been implemented in DSP and tested in three practical examples of drive control on laboratory prototype of PMSM drive of rated power 10.7 kW. The first case is described in chapter four and it is focused on cascade free speed control of PMSM using PWM. in this case, we aim to achieve comparable performance to existing PWM-based solutions of cascade free control at much lower computational cost. The second case is focused on speed control of PMSM using finite number of admissible control inputs. Existing one step FCS-MPC suffers from high distortion of the stator current. in this case we aim to enhance the current control performance at computational cost comparable to one-step ahead solution of FCS-MPC. The third Example focused on designing MPC for control of the Traction PMSM drive with input LC filter fed from dc centenary. The control problem is divided in two parts.i) stability of the input LC filter and ii) dynamics of the PMSM drive. Both parts are elegantly combined in the cost function of a simple one step FCS-MPC. The term respecting the Input LC filter is designed analytically taking into account long prediction horizons.

Keywords

Prediktivní řízení, FCS-MPC, predikční horizont, PWM, Dynamické programování, ztrátová funkce, Stavová omezení

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 3. 5. 2017

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

University of West Bohemia

Faculty of Electrical Engineering

Doctoral programme / field:
Electrical Engineering and Informatics / Electronics