基于预测控制的永磁同步电机转矩脉动抑制

摘要

永磁同步电机凭借自身可靠性高、功率密度大、体积小等优点逐步成为交流调速系统的核心，被广泛应用于电动汽车、数控伺服、轨道交通等领域。永磁同步电机预测控制策略有着动态响应快等优点，但是因为电机结构、逆变器非线性及控制误差等因素的影响，导致电机存在转矩脉动，从而使电机产生噪音或抖动，无法应用于一些特殊场合。因此，需要开展永磁同步电机预测控制系统转矩脉动抑制技术的研究。　　针对永磁同步电机预测控制系统在电机参数不准、低控制频率两种工况下存在稳态转矩脉动较大等问题，为了对PMSM转矩脉动的有效抑制，本文提出了新型模型预测电流控制策略。本文的主要研究内容如下：　　首先，在MATLAB平台下进行PMSM预测电流控制的建模，对存在电机参数不准的情况下电机转矩控制性能进行分析，揭示了电机dq轴电感参数不准确引起电机稳态转矩脉动的机理；验证了模型预测控制在控制频率较低情况下存在较大转矩脉动。　　其次，针对电机参数不准确导致电机稳态转矩脉动增大的问题，提出一种基于参数误差扰动补偿的PMSM预测控制策略，设计了基于二阶滑模的扰动观测器，通过对扰动进行补偿提高电流预测精度，有效减小因电机参数不确定而导致的转矩脉动。　　再次，针对在较低控制频率情况下，基于预测控制的永磁同步电机系统存在稳态转矩脉动较大等问题，本文提出了一种基于占空比调制的PMSM新型预测电流控制方法；该方法将电流无差拍原理与PMSM的数学模型相结合，运用三相电压矢量将相平面划分为3个扇区，进行电流预测迭代，来直接获取三相开关驱动脉冲的占空比，输出幅值与相角变化的电压矢量，提高了控制系统的稳态性能，减小了转矩脉动。　　最后，通过实验验证了本文所提出的方法的正确性和有效性，实验结果表明，基于占空比调制的永磁同步电机预测控制方法有较好的转矩脉动抑制作用。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 课题背景及意义

1.2 课题研究现状及分析

1.2.1 永磁同步电机控制策略研究现状

1.2.2 永磁同步电机预测控制方法研究现状

1.2.3 基于预测控制的永磁同步电机转矩脉动抑制方法研究现状

1.3 本文研究的主要内容

第2章 永磁同步电机数学模型及预测电流控制策略

2.1 永磁同步电机的数学模型

2.1.1 坐标变换理论

2.1.2 PMSM 数学模型

2.2 三相电压源型逆变器的工作原理

2.3 永磁同步电机预测控制策略

2.3.1 永磁同步电机 FCS-MPC 控制策略的基本原理

2.3.2 永磁同步电机预测控制方法仿真分析

2.3.3 电机参数对预测控制方法的性能影响

2.3.4 控制频率对预测控制方法的性能影响

2.4 本章小结

第3章 基于扰动补偿的永磁同步电机预测电流控制

3.1 考虑参数扰动的 PMSM 数学模型

3.2 扰动观测器设计

3.2.1 基于二阶滑模理论的 PMSM 扰动观测器

3.2.2 观测器的稳定性

3.3 基于扰动补偿的模型预测电流控制方法

3.4 永磁同步电机预测电流控制仿真实验与分析

3.4.1 永磁同步电机稳态性能仿真分析

3.4.2 永磁同步电机动态性能仿真分析

3.5 本章小结

第4章 基于占空比调制的永磁同步电机预测电流控制

4.1 永磁同步电机多矢量预测电流控制策略

4.1.1 双矢量 MPCC 策略

4.1.2 三矢量 MPCC 策略

4.2 基于占空比调制的预测电流控制方法

4.2.1 占空比计算

4.2.2 电流预测与价值函数计算

4.2.3 占空比分配

4.3 三种预测电流控制方法的对比实验与分析

4.3.1 稳态性能仿真实验与对比分析

4.3.2 动态性能仿真实验与对比分析

4.4 本章小结

第5章 永磁同步电机预测控制系统实验

5.1 实验平台

5.1.1 系统硬件组成

5.1.2 系统软件结构

5.2 永磁同步电机 MPCC 方法对比实验

5.2.1 稳态实验与结果分析

5.2.2 动态实验与结果分析

5.3 本章小结

总结与展望

参考文献

附录 A 攻读学位期间发表的学术论文目录

致 谢