基于混沌Markov链的永磁电机随机PWM调制技术研究

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目前,永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)驱动系统普遍采用脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)技术。而其中最常用的空间矢量调制技术是以固定开关周期形式控制功率器件的通断状态,导致开关频率段(含2~3倍频)处高频离散谐波成分含量高,并引起电磁干扰与电磁噪声等问题。故而,本文着重以三相六开关逆变器拓扑结构的永磁同步电机为控制对象,提出了基于混沌马尔科夫(Markov)链的永磁电机随机PWM调制技术,研究了不同的随机PWM技术对系统输出频谱的改善效果。首先,本文阐述了永磁同步电机控制策略、传统与随机PWM技术的研究现状。介绍了PMSM的矢量控制技术,建立了永磁电机在旋转坐标系下的数学模型。随后,进行了三相六开关逆变电路的空间矢量调制算法分析,为后续章节随机调制技术的载波分析奠定了基础。其次,介绍了随机PWM技术的基本原理与分类。根据统计通信原理,推导和分析了不同PWM技术下的功率谱密度特性,从理论上分析了电机驱动系统中产生电磁噪声和电磁干扰的主要原因,为后续随机调制技术的频谱性能分析与抑制电磁噪声和电磁干扰提供了有效的理论支撑。然后,研究了传统型Markov链的随机PWM技术,分析了传统型Markov链的随机过程。随后,基于不同随机PWM技术采用不同的随机数生成方案对其进行数理统计分析。在此基础上,本文提出了结合Logistic混沌调制形态的马尔科夫过程,使载波频率具有较好的随机性能,且呈双Logistic分布在期望频率两侧。其次,进行了不同Logistic分支参数下随机数的统计分析。同时,引入总谐波失真(Total Harmonic Distortion,THD)和谐波扩展因子(Harmonic Spread Factor,HSF)两种频谱扩展性能的评价指标,以研究不同序列分布律对不同随机PWM技术下频谱性能的影响。再者,通过MATLAB/Simulink仿真环境模拟和搭建了电动摩托车用电机驱动系统,以及不同PWM技术的仿真模型。此外,对比和分析了各个技术下的快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)、功率谱密度(Power Spectral Density,PSD)和HSF仿真结果,验证了本文所提出的随机PWM技术在削弱电磁噪声和电磁干扰以及频谱连续分布方面的有效性和优越性。最后,本文搭建了以数字控制芯片TMS320F28069为核心的电动摩托车用PMSM对拖实验平台,详细介绍了软件设计流程。实验结果验证了本文所提出的随机PWM技术的有效性。
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