永磁同步电机电流预测控制策略研究

摘要

随着科技的发展，诸多场合对永磁同步电机调速系统的性能要求越来越高，如电动汽车，航空航天，机器人等领域。对于电机本体已固定的调速系统，改善系统控制策略可以大大提高系统调速性能，而在现有的多数控制策略中预测控制的研究最为热门，但预测控制在电力传动领域的应用尚未成熟，本文在此背景下针对预测控制在永磁同步电机调速系统中的应用进行研究。 本文首先针对永磁同步电机的物理结构进行了分类探讨，搭建了内埋式永磁同步电机数学模型，并对其运行区域和功率进行分析。介绍了传统的永磁同步电机矢量控制系统及其控制策略，采用电压前馈解耦加快转速响应，提高了系统动态性能。 为加快电流响应速度，将预测控制器代替电流内环PI调节器。本文研究的电流预测控制器分为两种：模型预测电流和无差拍预测电流控制，其中双矢量模型预测控制通过在周期内增加电压作用个数，有效减少了电流纹波，但存在计算量大的问题，因此本文采用基于电压误差判断的价值函数代替传统的电流误差价值函数并考虑延时补偿，减少了算法复杂度和计算量，提高了系统稳定性。 针对无差拍电流预测控制对模型精准度要求较高的问题，对预测的期望电压进行优化，减少了预测模型对电机参数的依赖。为进一步增加系统的抗参数扰动性能，本文采用了基于牛顿迭代法的永磁同步电机无差拍电流预测控制并增添了扰动前馈补偿，其结合模型预测控制价值函数将无差拍预测控制转化为在电压约束条件下的二次优化问题，通过牛顿迭代法对其求解，使得选取的下一时刻期望电压接近理想电压值，并考虑延时补偿，在此基础上进行扰动补偿，以提高系统鲁棒性。 最后，利用实验室资源搭建实验平台，并介绍其硬件结构和控制回路基本工作原理。先通过阶跃响应对两种改进电流控制器进行参数整定，并证明了具有扰动补偿的改进无差拍预测控制具有较好的抗参数扰动性能；在此基础上将转速环闭合，对系统在两种控制策略控制下的稳态响应和动态响应性能进行验证并分析，实验结果表明改进无差拍控制有效地提高了系统抗参数扰动能力，具有良好的控制性能；改进双矢量模型预测控制明显提高了电流的控制性能，减少了电流纹波，加快了电流响应。

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变量注释表

1绪论

1.2国内外研究现状

1.2.1永磁同步电机调速系统研究现状

1.2.2预测控制理论的发展

1.2.3预测控制在电气传动领域应用发展

1.3本文的主要研究内容

2永磁同步电机矢量控制系统

2.2.2永磁同步电机数学模型分析

2.2.3永磁同步电机功率分析

2.3永磁同步电机矢量控制

2.3.2永磁同步电机的运行区域

2.3.3矢量控制策略

2.4永磁同步电机矢量控制系统仿真分析

2.5本章小结

3改进永磁同步电机双矢量模型预测控制

3.2.1永磁同步电机单矢量MPCC系统

3.2.2永磁同步电机单矢量模型预测电流控制仿真分析

3.3永磁同步电机双矢量模型预测电流控制系统

3.3.1矢量选择原理

3.3.2反馈校正

3.4基于电压误差判断的 PMSM 双矢量模型预测控制

3.4.1基于电压误差判断的价值函数基本原理

3.4.2延时补偿

3.5基于电压误差判断的 PMSM 双矢量模型预测控制仿真分析

3.6本章小结

4改进永磁同步电机无差拍预测控制

4.2.2参考电压的预测优化

4.3无差拍电流预测控制系统仿真分析

4.4基于牛顿迭代法的 PMSM 无差拍预测控制及其仿真分析

4.4.1牛顿迭代法基本原理

4.4.2基于牛顿迭代法的PMSM无差拍预测控制原理

4.4.3延时补偿

4.4.4扰动估计及其补偿

4.4.5改进方法仿真分析

4.5本章小结

5实验验证与分析

5.2.1功率变换器

5.2.2电机对拖平台

5.2.3控制回路

5.3改进PMSM无差拍预测控制实验分析

5.4改进 PMSM 双矢量模型预测控制实验分析

5.5本章小结

6总结与展望

6.2工作展望

参考文献

作者简历

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