基于模型预测控制的永磁同步电机电流环控制研究

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永磁同步电机在高性能运动控制系统中有广泛的应用。电流环作为伺服驱动系统的最内环,其性能是伺服驱动性能的基础。模型预测控制具有较高的动态控制性能。有限控制集模型预测控制动态响应高,但稳态控制性能较差,预测控制计算量较大;连续控制集模型预测控制能获得更好的稳态控制性能,但需要结合空间矢量调制技术输出电压矢量,而且通常需要结合过调制算法提高电压输出能力。针对模型预测控制中存在的问题,本文结合传统模型预测控制方法中的优势,对模型预测电流控制方法进行改进。本文首先推导了三扇区矢量合成方法,在此基础上采用相电压占空比计算的方法实现模型预测电流控制。通过预测控制直接得到三相电压占空比,和原有六扇区矢量合成方法相比,采用该方法可以降低预测控制计算量。该方法既提升了系统的稳态控制性能,又省去了空间矢量调制和过调制算法,大幅降低预测控制计算量,简化了系统控制结构。此外,本文针对模型预测控制轻载控制性能低的问题,提出了基于模型预测控制的死区自适应补偿算法。该算法通过预测模型计算死区补偿电压矢量,降低了传统补偿方案中由于电流极性判断不准导致的不良影响,提高了补偿精度,降低了相电流谐波含量。结合本文提出的两种改进算法,新型的模型预测电流控制方案将大幅提升预测控制精度,提高低速、轻载等情况下的控制性能。本文通过MATLAB/Simulink仿真软件对所提方案进行可行性验证,并基于R5F562TAANFP DSP芯片搭建物理实验平台,对所提方案的可行性和有效性进行实验验证。通过和传统控制方法进行对比,对所提方案的控制效果进行评估,实验结果表明所提的模型预测电流控制算法具有良好的动态和稳态控制性能,自适应补偿算法的补偿效果较好,对电流环控制性能有较大的提升。
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