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五相永磁同步电机模型预测转矩控制

薛诚  
【摘要】:目前我国高速铁路正在迎来快速发展的黄金时期,城轨列车的不断提速还面临着众多挑战和关键技术的突破,轻量化便是高速列车发展与进一步提速亟待解决的重要环节。多相永磁同步电机(Permanent magnet synchronous motor,PMSM)驱动系统因具有体积小、噪声低、功率密度高等诸多优点在低压、大功率输出以及可靠性要求高的场合,已得到了广泛的关注和应用。本文以解决城轨列车牵引传动系统的基础理论、学科前沿与应用技术等问题为研究目标,开展基于城轨混合动力机车的五相永磁同步电机直接转矩控制(Direct torque control,DTC)和模型预测转矩控制(Model predictive torque control,MPTC)理论的研究工作,全文主要内容有:首先,论文引入了五相PMSM的数学模型中需要的推广派克变换矩阵。结合五相静止坐标系下电机的数学模型推导出两相旋转坐标系以及静止坐标系下的五相PMSM的数学模型,然后基于多维子空间理论,详细分析了两电平五相逆变器的空间电压矢量特征以及空间分布状态,总结出了五相系统的独特性。其次,论文在传统单开关表(Single switching table,SST-DTC)算法的基础上,对开关表中的电压矢量集进行了重构来达到消除五相PMSM定子电流中低次谐波的目的,接着深入研究了电机中低速运转时由于定子电阻造成的去磁效应,并且重新设计了离线开关表用以克服该问题,保证了电机磁链的控制需求,还根据电机的转矩脉动规律采用多阶非对称结构的滞环比较器,来进一步优化转矩纹波。除此之外,还研究了应用于五相系统的两种空间矢量脉宽调制方式,并提出了开关频率恒定的DTC算法。然后,论文在研究适用于五相PMSM系统的传统有限集模型预测转矩控制(Finitecontrol-set model predictive torque control,FCS-MPTC)算法的基础上,为了消除低次电流谐波,构造了包含谐波项的目标函数。然后,为了减小FCS-MPTC算法实现时带来的巨大计算量,提出了一种通过转矩、磁链无差拍估算电压矢量的方法对单控制周期内的电压矢量控制集进行优化。所提算法不仅保持了传统FCS-MPTC算法优越的稳态性能以及快速的动态响应,同时显著减少了数字化实现的运算量。最后,编写了基于TMS320F28335数字信号处理器的五相永磁同步电机优化后的DTC和FCS-MPTC控制程序,并通过与多种传统相关算法进行半实物实验对比分析,验证了本文理论分析及所提出的控制调制算法的正确性和有效性。


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