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永磁同步电机系统模型预测控制

周湛清  
【摘要】:永磁同步电机凭借其结构简单、功率密度大、效率高等显著优点,广泛应用于国防工业、生产制造、交通运输和家用电器等诸多领域。模型预测控制因其优良的动态控制性能在交流电机传动领域得到了广泛重视,但现有永磁同步电机模型预测控制策略在稳态性能、参数鲁棒性和抗外部扰动性能等方面仍存在一些问题。为此,本文以两电平电压型逆变器-永磁同步电机系统为研究对象,围绕永磁同步电机系统模型预测控制策略开展了一系列研究。本文首先详述了模型预测控制的基本原理,并对永磁同步电机系统的两种经典模型预测控制策略——有限集和连续集模型预测控制策略的建模方法、价值函数求解和结构设计进行了探讨。在此基础上,通过理论推导,从算法复杂度、参数鲁棒性和抗外部扰动能力三个方面讨论了经典策略存在的主要问题和局限性。针对有限集多步模型预测控制策略算法复杂度高、实现难度大的问题,通过对传统多步预测模型进行合理简化,建立简化多步预测模型;通过将传统穷举寻优过程拆分为多阶段规划问题,设计新型价值函数快速寻优方法。以简化多步预测模型和价值函数快速寻优方法为核心框架,提出一种适用于永磁同步电机驱动系统的有限集简化多步预测转矩控制策略。结果表明:简化多步预测控制策略可在较短控制周期内实现,并具有良好动、静态性能,同时可降低逆变器的开关频率,提升驱动系统运行效率。为提升连续集模型预测控制策略对外部扰动的抑制能力,根据内模原理,将由谐振和积分环节组成的内模加入到经典连续集模型预测控制策略中,形成预测-积分-谐振控制。此外,将预测-积分-谐振控制应用于永磁同步电机驱动系统,提出一种基于级联预测-积分-谐振控制的永磁同步电机系统控制策略。结果表明,通过将策略中谐振内模的频率设置为系统中周期性扰动的主要频率分量,可有效抑制周期性扰动对电机稳态性能的影响,实现更加平稳的转速和转矩输出。针对有限集和连续集两种控制策略各自的固有问题,本文构建全新的扩张控制集,并对所建立控制集的具体数学定义与其中电压矢量的合成关系进行深入讨论。在扩张控制集的基础上,建立和设计与之对应的预测转矩模型和优化问题,提出适用于永磁同步电机驱动系统的扩张控制集预测转矩控制策略。实验结果表明,相比于有限集和连续集控制策略,扩张控制集策略不仅可实现高精度转矩、磁链调节,且鲁棒性与执行效率更优。


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