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平流层飞艇具有制造成本低，维护费用少、驻空时间长、隐身性好、覆盖面广等优点，可广泛应用于侦察监视、战区预警、通信中继等领域，是各国争先研究的热点。成形下降是平流层飞艇回收的关键技术，也是平流层飞艇技术的难点之一。高空风机电驱动系统是实现飞艇成形下降技术的关键装备和核心技术。
针对平流层飞艇的特殊应用背景，高空风机用感应电机驱动系统目前存在的主要问题包括：跨高度变压差的高空风机数学建模及负载特性研究、高空风机用感应电机的低开关频率调制技术研究、考虑高空风机负载特性的感应电机弱磁控制技术研究、大气参数实时变化的感应电机鲁棒控制技术研究、感应电机高性能无速度传感器控制技术研究。近年来，有限集模型预测控制以其概念直观、动态响应快且可灵活处理非线性约束等优点，在电力电子与电力传动领域获得了学者们的广泛研究。本文将有限集模型预测控制应用于高空风机用感应电机驱动系统中，针对高空风机用感应电机驱动系统中存在的研究难点进行了深入的研究。本论文的主要研究内容如下：
(1)不同于地面风机，高空风机的入口和出口分别与高空大气和飞艇副气囊相通，高空风机的运行高度从地面变化至平流层，高空风机的运行状态包含相互耦合的四个状态变量，分别为高度、压差、转速和流量。针对此问题，本文建立了高空风机的四维数学模型，描述了四个状态变量之间的耦合关系。基于风机的相似原理，本文研究了不同高度条件下高空风机的流量压差转速特性以及流量压差功率特性，由此推导出不同高度条件下高空风机的转速转矩特性。研究结果表明，由于高空空气稀薄，高空风机在高速时处于轻载状态。
(2)高空风机用感应电机由电压型逆变器驱动，由于高空空气稀薄、散热条件差，电压型逆变器需要配备复杂的散热系统。针对此问题，本文提出了基于优化占空比双矢量的感应电机预测电流控制和预测转矩控制。该方法降低了电压型逆变器的开关频率，减小了开关损耗，降低了感应电机定子电流谐波含量。该方法在每个控制周期内施加两个电压矢量，依据无差拍电压矢量选择三组双矢量，基于最优化方法计算每组双矢量的占空比，基于评级函数选择最优的双矢量。本文从动态响应、稳态性能、逆变器开关频率、定子电流谐波含量等方面详细地对比了单矢量预测电流控制、无差拍预测电流控制、双矢量预测电流控制以及单矢量预测转矩控制、无差拍预测转矩控制、双矢量预测转矩控制。实验结果表明，本文提出的方法降低了逆变器的开关频率和感应电机的定子电流谐波含量。
(3)受飞艇体积及载重限制，飞艇携带的能源有限。针对此问题，提出了一种基于最大转矩电流比的感应电机弱磁预测控制。该方法减小了感应电机的定子电流幅值，降低了铜耗，提高了高空风机电驱动系统的效率。该方法基于高空风机在高速时处于轻载状态的特点，建立了基于最大转矩电流比的感应电机非线性约束最优化方程，该方程以电压极限圆和电流极限圆为约束条件，以最小定子电流为优化目标。由于非线性约束最优化问题目前无法得到全局的解析表达式，本文给出了基于分区求解的原则，分别在感应电机恒转矩区、恒功率区以及恒压区解析求解最优励磁电流参考值和最优转矩电流参考值。针对最优定子电流参考值的计算公式依赖于感应电机参数，本文研究了最优定子电流参考值对感应电机参数的鲁棒性。为了快速跟踪最优定子电流参考值，本文给出了预测电流控制策略，实现了定子电流的高动态响应。实验结果表明，与基于最大转矩输出控制的感应电机弱磁控制相比，该方法降低了感应电机定子电流幅值，减少了铜耗，提高了感应电机的效率。
(4)受大气参数影响，感应电机参数及负载转矩实时变化，降低了高空风机感应电机驱动系统的控制性能。针对此问题，本文提出了基于扰动前馈补偿的感应电机鲁棒预测转矩控制，降低了感应电机内部扰动和外部扰动的影响，提高了感应电机驱动系统的控制性能。本文首先探讨了不匹配参数对电磁转矩预测误差和定子磁链幅值预测误差的影响原理，研究了基于比例积分调节器的预测转矩控制的抗扰性能，研究结果表明比例积分调节器无法实现动态性能和鲁棒性能的最优控制。基于此，本文提出了基于扰动观测器估计总扰动，包括负载扰动和感应电机参数变化引起的电磁转矩预测扰动，基于非线性控制率实现转速快速跟踪与扰动实时补偿的最优控制。实验结果表明，与传统的比例积分调节器相比，该方法提高了感应电机的动态性能、稳态性能和鲁棒性能。
(5)在高空风机电驱动系统的0-20km工作环境中，速度传感器的使用降低了高空风机电驱动系统的可靠性。针对此问题，本文提出了基于双参考系的感应电机无速度感器预测控制。在传统的自适应观测器中，感应电机转速估计与定子磁链观测相互耦合，当感应电机参数变化时，两者相互影响，降低了两者的估计精度。本文提出了双参考系观测器，摒弃了传统的以转子速度作为自适应变量的自适应观测器。该方法在定子坐标系和转子磁链坐标系分别表示定子磁链方程和转子磁链方程，解耦了磁链观测和转速估计。本文提出了双参考系预测转矩控制，消除了转速估计误差对电磁转矩预测的影响。针对感应电机不匹配参数的影响，在双参考系电磁转矩预测方程中插入一个校正项，此校正项是由双参考系观测器的校正项推导而来。实验结果表明，与基于龙贝格观测器的预测转矩控制相比，此方法在高速、低速以及正反转状态下提高了感应电机转速的估计精度。
针对平流层飞艇的特殊应用背景，高空风机用感应电机驱动系统目前存在的主要问题包括：跨高度变压差的高空风机数学建模及负载特性研究、高空风机用感应电机的低开关频率调制技术研究、考虑高空风机负载特性的感应电机弱磁控制技术研究、大气参数实时变化的感应电机鲁棒控制技术研究、感应电机高性能无速度传感器控制技术研究。近年来，有限集模型预测控制以其概念直观、动态响应快且可灵活处理非线性约束等优点，在电力电子与电力传动领域获得了学者们的广泛研究。本文将有限集模型预测控制应用于高空风机用感应电机驱动系统中，针对高空风机用感应电机驱动系统中存在的研究难点进行了深入的研究。本论文的主要研究内容如下：
(1)不同于地面风机，高空风机的入口和出口分别与高空大气和飞艇副气囊相通，高空风机的运行高度从地面变化至平流层，高空风机的运行状态包含相互耦合的四个状态变量，分别为高度、压差、转速和流量。针对此问题，本文建立了高空风机的四维数学模型，描述了四个状态变量之间的耦合关系。基于风机的相似原理，本文研究了不同高度条件下高空风机的流量压差转速特性以及流量压差功率特性，由此推导出不同高度条件下高空风机的转速转矩特性。研究结果表明，由于高空空气稀薄，高空风机在高速时处于轻载状态。
(2)高空风机用感应电机由电压型逆变器驱动，由于高空空气稀薄、散热条件差，电压型逆变器需要配备复杂的散热系统。针对此问题，本文提出了基于优化占空比双矢量的感应电机预测电流控制和预测转矩控制。该方法降低了电压型逆变器的开关频率，减小了开关损耗，降低了感应电机定子电流谐波含量。该方法在每个控制周期内施加两个电压矢量，依据无差拍电压矢量选择三组双矢量，基于最优化方法计算每组双矢量的占空比，基于评级函数选择最优的双矢量。本文从动态响应、稳态性能、逆变器开关频率、定子电流谐波含量等方面详细地对比了单矢量预测电流控制、无差拍预测电流控制、双矢量预测电流控制以及单矢量预测转矩控制、无差拍预测转矩控制、双矢量预测转矩控制。实验结果表明，本文提出的方法降低了逆变器的开关频率和感应电机的定子电流谐波含量。
(3)受飞艇体积及载重限制，飞艇携带的能源有限。针对此问题，提出了一种基于最大转矩电流比的感应电机弱磁预测控制。该方法减小了感应电机的定子电流幅值，降低了铜耗，提高了高空风机电驱动系统的效率。该方法基于高空风机在高速时处于轻载状态的特点，建立了基于最大转矩电流比的感应电机非线性约束最优化方程，该方程以电压极限圆和电流极限圆为约束条件，以最小定子电流为优化目标。由于非线性约束最优化问题目前无法得到全局的解析表达式，本文给出了基于分区求解的原则，分别在感应电机恒转矩区、恒功率区以及恒压区解析求解最优励磁电流参考值和最优转矩电流参考值。针对最优定子电流参考值的计算公式依赖于感应电机参数，本文研究了最优定子电流参考值对感应电机参数的鲁棒性。为了快速跟踪最优定子电流参考值，本文给出了预测电流控制策略，实现了定子电流的高动态响应。实验结果表明，与基于最大转矩输出控制的感应电机弱磁控制相比，该方法降低了感应电机定子电流幅值，减少了铜耗，提高了感应电机的效率。
(4)受大气参数影响，感应电机参数及负载转矩实时变化，降低了高空风机感应电机驱动系统的控制性能。针对此问题，本文提出了基于扰动前馈补偿的感应电机鲁棒预测转矩控制，降低了感应电机内部扰动和外部扰动的影响，提高了感应电机驱动系统的控制性能。本文首先探讨了不匹配参数对电磁转矩预测误差和定子磁链幅值预测误差的影响原理，研究了基于比例积分调节器的预测转矩控制的抗扰性能，研究结果表明比例积分调节器无法实现动态性能和鲁棒性能的最优控制。基于此，本文提出了基于扰动观测器估计总扰动，包括负载扰动和感应电机参数变化引起的电磁转矩预测扰动，基于非线性控制率实现转速快速跟踪与扰动实时补偿的最优控制。实验结果表明，与传统的比例积分调节器相比，该方法提高了感应电机的动态性能、稳态性能和鲁棒性能。
(5)在高空风机电驱动系统的0-20km工作环境中，速度传感器的使用降低了高空风机电驱动系统的可靠性。针对此问题，本文提出了基于双参考系的感应电机无速度感器预测控制。在传统的自适应观测器中，感应电机转速估计与定子磁链观测相互耦合，当感应电机参数变化时，两者相互影响，降低了两者的估计精度。本文提出了双参考系观测器，摒弃了传统的以转子速度作为自适应变量的自适应观测器。该方法在定子坐标系和转子磁链坐标系分别表示定子磁链方程和转子磁链方程，解耦了磁链观测和转速估计。本文提出了双参考系预测转矩控制，消除了转速估计误差对电磁转矩预测的影响。针对感应电机不匹配参数的影响，在双参考系电磁转矩预测方程中插入一个校正项，此校正项是由双参考系观测器的校正项推导而来。实验结果表明，与基于龙贝格观测器的预测转矩控制相比，此方法在高速、低速以及正反转状态下提高了感应电机转速的估计精度。