【摘 要】
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永磁同步电机(PMSM)具有运行可靠、高功率密度和高效率等优点,在电气化交通等领域,尤其是新能源汽车和牵引列车方面,得到了广泛应用。然而PMSM多变量、非线性、强耦合的特性,使得传统电机控制策略很难灵活地适应众多的应用场合。为满足复杂的工况要求,电机系统往往要在非线性约束下精确地控制多个不同的目标,提高综合性能。在各种常见的电机智能控制策略中,模型预测控制(MPC)基于现代控制理论,原理简单直观,
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永磁同步电机(PMSM)具有运行可靠、高功率密度和高效率等优点,在电气化交通等领域,尤其是新能源汽车和牵引列车方面,得到了广泛应用。然而PMSM多变量、非线性、强耦合的特性,使得传统电机控制策略很难灵活地适应众多的应用场合。为满足复杂的工况要求,电机系统往往要在非线性约束下精确地控制多个不同的目标,提高综合性能。在各种常见的电机智能控制策略中,模型预测控制(MPC)基于现代控制理论,原理简单直观,能够控制多个目标,但其权重系数调试过程较为繁琐。此外,在PMSM闭环控制过程中,相电流作为状态变量的反馈至关重要,非理想条件下的测量电流存在误差,会导致转矩和转速周期性脉动,降低电机控制精度。本文围绕PMSM的转矩控制,研究无权重系数的模型预测转矩控制策略,致力于校正引起转矩脉动的电流测量误差,具体工作归纳如下:首先,从PMSM数学模型的建立出发,分析了电机系统的控制变量,即逆变器电压矢量的作用机理,其实质是控制电机的电磁转矩。除了两种传统的电机控制策略,矢量控制和直接转矩控制的思想和原理以外,还介绍了诸如MPC的常见电机智能控制策略,为后续的研究奠定理论基础。其次,为解决PMSM-MPC多目标优化控制中的权重系数问题,阐述了 PMSM的预测模型,介绍了多目标优化问题及其Pareto最优解的定义。基于加权标量法、字典法两种常见解决方法,以转矩控制为例,描述了传统MPC和序列模型预测控制的实现过程。结合弱字典法,提出了宽容序列模型预测控制策略,并分析了方法的可行性和稳定性。搭建Matlab/Simulink仿真模型,对比了不同MPC策略的性能。然后,针对PMSM闭环控制系统中存在的电流测量误差问题,分别推导了偏置、比例误差下的dq轴电流公式,其结果是分别会导致一倍和二倍基频的周期性转速脉动。再结合dq轴电流测量误差公式中的确定性数学特征,即两者表现形式都是正弦信号加权和,本文采用并改进了一种自适应选择谐波消除算法,同时在线输出dq轴电流补偿值。在仿真模型中,验证了改进前后自适应算法的误差校正效果。最后,基于PMSM控制平台,对所提的宽容序列模型预测控制与自适应误差校正算法进行了实验验证。结果表明:宽容序列模型预测控制可以直接设置宽容值,取代繁琐的权重系数调节,实现多目标优化控制的同时,综合性能表现最佳;改进的自适应选择谐波消除算法计算简单,无需电机参数和额外的传感器,能够在线校正电流测量误差,减小转速脉动。针对高性能、高精度的PMSM转矩控制系统,本文实现了多目标优化下的无权重模型预测控制和电流测量误差的自适应校正,并验证了方法的可行性。
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