异步电机电流预测控制与直接转矩预测控制的研究

摘要

模型预测控制充分利用变流器的离散性和非线性，不进行脉宽调制，且直接利用控制变量构成目标函数进行优化选择开关矢量，其控制手段灵活、简单且易处理非线性约束，具有很强的可移植性。因而模型预测控制方法对于处理非线性强耦合的异步电机控制对象具有独到优势。本文首先介绍了模型预测控制的基本原理及其在电力电子领域的应用范围，根据预测控制的三个要素，主要归纳总结了其目标函数的表达形式。进而从一般到特殊，对异步电机和两电平逆变器的矢量数学模型进行了构建，为其仿真和实验奠定基础。
　　其次，对异步电机转子磁场定向控制策略进行了简单的介绍，主要以此作为参考与预测电流控制进行对比。通过对两种控制策略进行仿真验证，证实基础的预测电流控制具有更好的稳态性能，然而其动态性能仍不如转子磁场定向。更进一步地，对基础预测电流控制进行改进，通过将6个离散电压矢量合成虚拟电压矢量的方式，使得电压矢量在方向和幅值两个维度具有更广的选择范围。因而在矢量的选择上更为精确，其电流纹波也更小。仿真表明其改进的预测电流控制具有更优的动态性能和稳态性能。
　　再进一步地，对异步电机直接转矩预测控制进行了改进。采用DTC开关表对开关矢量进行筛选，采用快速排序法对目标函数进行优化，避免权值因素的求解。通过对两者的结合，极大地减小了算法的执行时间。通过对算法复杂度和仿真结果的分析，改进的直接转矩预测控制不仅算法执行时间更少且电流波形更好，转矩纹波更小。说明其改进算法具有更好的动态性能和稳态性能。且从实用性看，改进算法具有更强的可移植性，同样适用于多电平逆变器平台。
　　最后，通过实验平台对所论述的控制方法进行了实验验证，实验结果证实了虚拟电压矢量预测电流控制具有更好的动态和稳态性能，改进的直接转矩预测控制其算法执行时间极大地缩减，动态和稳态性能得到提升。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 预测控制应用现状研究

1．2．1 异步电机预测电流控制的研究

1．2．2 异步电机直接转矩预测控制的研究

1．3 本文主要研究内容

第二章 模型预测控制基本原理及模型

2．1 引言

2．2 模型预测控制基本原理

2．2．1 预测模型

2．2．2 逆变器预测模型

2．2．3 异步电机复矢量预测模型

2．2．4 目标函数的选择

2．3 本章总结

第三章 异步电机虚拟电压矢量预测电流控制

3．1 引言

3．2 异步电机模型预测电流控制策略

3．2．1 转子磁场定向控制策略

3．2．2 基础模型预测控制原理

3．2．3 基础模型预测控制仿真

3．3 虚拟电压矢量预测电流控制

3．3．1 基本原理

3．3．2 虚拟电压矢量的构成

3．3．3 程序流程及最优电压矢量的选择

3．3．4 多电压矢量下的预测电流分析

3．4 虚拟电压矢量电流预测控制仿真

3．5 本章小结

第四章 异步电机直接转矩预测控制

4．1 引言

4．2 直接转矩预测控制的基本原理

4．2．1 基础直接转矩预测控制算法流程

4．3 改进的直接转矩预测控制基本原理

4．3．1 一种改进的无权值因素直接转矩预测控制算法

4．3．2 算法流程分析

4．3．3 算法复杂度分析

4．4 两种直接转矩预测控制仿真分析

4．5 本章小结

第五章 异步电机系统实验平台和结果分析

5．1 引言

5．2 基于dSPACE的异步电机系统实验平台

5．2．1 dSPACE控制器

5．2．2 dSPACE仿真模型及ControlDesk实验环境

5．3 异步电机预测电流控制策略系统实验分析

5．3．1 场定向控制策略与基础预测电流控制策略的对比分析

5．3．2 异步电机虚拟电压矢量预测电流控制实验

5．3．3 参数失配实验对比分析

5．4 异步电机直接转矩预测控制策略系统实验分析

5．4．1 两种直接转矩预测控制实验对比分析

5．5 本章小结

结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果