永磁同步电机无差拍电流预测控制策略研究

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永磁同步电机凭借其高功率密度和高效率的优势,是先进制造业的发展过程中不可或缺的关键一环。电流作为直接反映电机定子磁场分布特性的变量,直接决定了电机控制系统的输出特性,因此对高性能电流控制算法的研究意义重大。预测电流控制(Predictive Current Control,PCC)因为其概念易于理解,设计方法简单,电流的动态响应性能优异,是目前电流控制领域的主流研究方向。作为最常见的PCC方法之一,无差拍电流预测控制(Deadbeat PCC,DBPCC)具有计算量小,编程实现简单,谐波含量小,开关频率固定等一系列优点,它通过电流环的逆模型解算得到相应的控制电压,当电机参数存在偏差时,电流跟踪的准确性和闭环系统的稳定性都难以得到保障。本文对表贴式永磁同步电机的DBPCC策略进行了详细的研究,以提升电流环的稳态和动态响应性能为目标,对传统的DBPCC策略进行优化与改进。本文的主要研究内容如下:建立了传统矢量控制的数学模型并在频域下根据性能指标设计了控制器参数。建立了传统DBPCC的数学模型,定量分析了由参数误差带来的电流跟踪误差。通过离散域下的模型推导了给定电流与输出电流间的传递函数,从理论上得到了电流环闭环系统的稳定范围。最后对电流在稳态下的跟踪性能进行了仿真和实验。为了提高存在参数摄动和未建模动态下传统DBPCC的稳态电流跟踪性能,本文提出了一种基于线性扩张状态观测器(Linear Extended State Observer,LESO)的DPBCC,通过LESO实时估计电流环的集总扰动并前馈补偿到控制器中,以消除电流的稳态跟踪误差。本文在离散域下建立了电流环闭环控制系统的模型,并对其稳定性和带宽受电机参数以及观测器增益的影响进行了理论分析,当电阻和电感存在比较大的误差时,电流在动态过程中会存在比较大的滞后或者超调,恶化了电流环的控制性能。通过仿真和实验证明了基于LESO的无差拍电流预测控制当存在参数误差时可以消除稳态电流跟踪误差,并通过高频电流注入法对电流环的频率响应进行测试,验证了理论分析的正确性。为了同时提高存在参数摄动和未建模动态下传统DBPCC的稳态和动态电流跟踪性能,本文提出了一种复合DBPCC(Composite DBPCC,CDBPCC)算法,采用参数辨识和观测器相结合的策略,其中观测器仅用于补偿参数轻微摄动和未建模动态带来的集总扰动。本文提出了一种可以根据误差的大小自动调节滑模增益的自适应扩展滑模扰动观测器(Adaptive Extended Sliding Mode Disturbance Observer,AESMDO)。同时,本文提出了一种考虑死区非线性和磁场饱和效应的电阻、电感和磁链的辨识方法。最后通过电流的稳态和动态响应实验,表明所提CDBPCC算法能同时保证电流环的稳态和动态响应性能,有比较强的抗干扰能力。
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