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基于幅相动力学的异步电动机模型预测转矩控制研究

张瑞林  
【摘要】:从高速运行能力、效率、可控性、可靠性和成本五个方面考虑,异步电机综合评分最高,在高性能牵引、传动领域得到了广泛应用。模型预测控制(Model predictive control,MPC)具有概念简单,易包含多个控制变量,易处理各种非线性约束等优点。在高性能交流电机驱动方案中,MPC被认为是矢量控制和直接转矩控制的强大替代品。首先,分析了 MPC基本原理,给出常规模型预测转矩控制具体方案以及模型建立方法。通过对建立的异步电动机静止坐标系下的数学模型进行离散化,推导转矩和磁链的预测方程,设计代表着系统控制性能的价值函数,分析延迟补偿原理,给出具体模型建立与MATLAB仿真实现方法。为后文改进异步电动机模型预测转矩控制方法奠定理论基础。其次,为了解决常规模型预测转矩控制中繁琐的加权因子调整问题,基于ghost operator理论和幅相动力学基本原理,推导转矩的对偶变量——无功转矩,研究异步电动机幅相动力方程。构建了无加权因子的新价值函数,给出了基于异步电机幅相动力学改进的模型预测转矩控制方案的具体设计方法,并分析了改进策略的优越性。在理论分析基础上搭建仿真模型,与常规模型预测转矩控制进行对比。分析改进模型预测转矩控制在加权因子调整方面的优势。然后,针对模型预测转矩控制稳态性能有待提高的问题,对增加矢量数量的方法进行了研究,提出一种简单有效的三矢量控制策略。在一个控制周期中施加三个相邻基本电压矢量,包括两个有效电压矢量和一个零电压矢量,根据转矩和磁链同时无差拍控制目标推导基本电压矢量各自的作用时间。三矢量策略实现了电压矢量幅值和方向同时调节,有效拓展了MPC的可行域覆盖范围。基于三矢量策略搭建仿真模型,并与传统单矢量方法进行了对比分析,验证了所提策略的有效性与优越性。最后,搭建以dSPACE快速控制原型控制器及其控制软件ControlDesk为核心的异步电动机系统实验平台,通过系统性实验进一步验证了基于幅相动力学改进的模型预测转矩控制方法和所提三矢量策略的有效性与可行性。


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