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基于电压矢量快速筛选的永磁同步电机改进预测转矩控制

殷芳博  
【摘要】:永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Machine,PMSM)具有体积小、功率密度大、效率高、可靠性高等优点,广泛应用于交流调速系统中,具有良好的应用前景。但在不同的应用场合,对电机的控制要求完全不同。汽车驱动系统,要求主驱电机大转矩、宽调速、高功率密度等。在智能机器人伺服领域,高精度、高可靠性、快响应性则是衡量机器人伺服系统性能的重要标准。随着对电机控制性能更高更苛刻的要求,传统的PI控制有时已无法完全满足控制需求。模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)作为一种先进的控制策略,具有原理简单、多变量约束处理方便等优点,近年来受到了广大学者的关注。然而,到目前为止模型预测控制只是在过程控制领域取得了广泛应用,在电机控制中的研究还比较少。因此,深入研究永磁同步电机的模型预测控制具有重要的意义与工程实用价值。本文以一台三相永磁同步电机为研究对象,详细介绍了模型预测控制方法,并针对模型预测控制目前存在的缺点进行了详细分析,并提出了改进,主要研究内容如下:(1)阐述了三相永磁同步电机的基本结构和工作原理。详细推导了永磁同步电机在定子坐标系、转子坐标系下的数学模型,并基于Matlab/Simulink搭建了三相永磁同步电机本体仿真模型,为分析比较不同控制策略奠定基础。(2)详细介绍了模型预测控制策略原理,并对MPC三大要素,即预测模型、滚动优化和反馈校正进行了详细分析。按照控制变量的不同,分别研究了模型预测电流控制(Model Predictive Current Control,MPCC)、模型预测转矩控制(Model Predictive Torque Control,MPTC)和模型预测磁链控制(Model Predictive Flux Control,MPFC)三种具体实现方法。在Matlab/Simulink中分别对这三种控制方法进行了仿真分析,并进行了实验验证。(3)针对传统模型预测控制存在的显著缺点,分别提出了相应的改进方法。预测转矩控制中存在权值系数整定问题,通过模型预测磁链控制可将磁链和转矩两个标量变成磁链矢量进行控制,从而避免了权重系数;模型预测控制存在计算负担过重的问题,通过矢量快速选择,剔除不可能被选择到的电压矢量,从而减少计算量;模型预测控制属于有差控制,其存在转矩脉动过大的问题,通过占空比控制,有效降低转矩脉动。通过仿真与试验,验证了上述改进方法的有效性。(4)搭建了永磁同步电机试验平台的软硬件系统。详细介绍了两种硬件控制平台:基于d SPACE的实时半实物仿真系统和基于DSP的全数字实时控制系统,设计了相应硬件电路,编制了软件控制算法,实验验证了所提方法的有效性。


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