开绕组PMSM变母线电压工况转矩优化控制研究

摘要

随着能源与环境问题愈发受到人们的关注，氢燃料电池电动汽车因其无污染、效率高、噪声低等优点被视为未来新能源电动汽车的重要发展方向。通常氢燃料电池汽车采用燃料电池、蓄电池与超级电容混合供电的方式，与双电源供电型开绕组永磁电机(OW-PMSM)驱动系统拓扑相匹配，并且由于氢燃料电池外特性较软，为满足最大功率点跟踪（MPPT）要求，通常采用稳压变换器调节输出电压，使得多电源供电系统中出现供电电压变化的工况。对于应用在氢燃料电池汽车中的驱动电机控制算法，要求其必须能够适应母线电压变化工况。因此，本文针对变母线电压工况下的开绕组PMSM系统，开展空间矢量调制直接转矩控制(SVMDTC)以及无差拍预测转矩控制(DB-MPTC)的优化控制方案研究，提出了在宽电压比例范围下均适用的开绕组PMSM转矩优化控制策略。　　本文首先分析了开绕组PMSM工作原理和数学模型，针对传统直接转矩控制存在的稳态输出性能差的问题，开展了开绕组PMSM空间电压矢量调制直接转矩控制（SVMDTC）策略的研究，提出采用双逆变器协同控制的方法，结合变母线电压工况下分析其输出性能。接着总结了SVMDTC存在的动态响应性能差的问题，将无差拍模型预测转矩控制（DB-MPTC）算法应用到开绕组PMSM转矩控制系统。在分析传统DB-MPTC采用单矢量控制存在转矩脉动大的问题基础上，提出了一种基于电压矢量幅值的单电压矢量转矩预测控制优化算法，实现了开绕组PMSM单电压矢量控制方式下的转矩优化控制，并以此为基础，扩展研究了采用多电压矢量的DB-MPTC控制策略，提出一种简化占空比计算的双矢量MPTC控制策略。最后对比分析了SVMDTC和DB-MPTC控制的优缺点，提出将SVMDTC中的双逆变器协同调制策略应用到DB-MPTC控制方法中，在保留DB-MPTC优秀动态性能的基础上，进一步改善了系统的稳态转矩输出特性。　　在本文所提出的转矩优化控制方案的基础上，利用MATLAB建立开绕组PMSM驱动系统和控制算法模型共同组成系统仿真模型，对本文提出的SVMDTC以及DB-MPTC控制算法进行了对比仿真分析。此外，还基于DSP+CPLD的主控单元搭建了开绕组PMSM实验平台，分别对本文提出的转矩优化控制方法进行了稳态、动态以及变母线电压工况下的对比实验，验证了本文提出的开绕组PMSM转矩优化控制策略的有效性。

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