【摘 要】
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近年来,随着新能源汽车产业在我国迅速崛起,电动汽车电机驱动控制系统的要求也越来越高,永磁同步电机(PMSM)凭借其结构简单紧凑、功率密度大、峰值效率高及损耗低等优点成为21世纪电机发展的新方向,现已在船舶电力推进、风电系统、新能源汽车、家电及电梯等领域得到了广泛应用,因此,研究PMSM的先进控制理论对新能源汽车的发展极具现实意义。PMSM的电流环决定了系统的暂态和稳态性能,构造一个静动态性能良好、
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近年来,随着新能源汽车产业在我国迅速崛起,电动汽车电机驱动控制系统的要求也越来越高,永磁同步电机(PMSM)凭借其结构简单紧凑、功率密度大、峰值效率高及损耗低等优点成为21世纪电机发展的新方向,现已在船舶电力推进、风电系统、新能源汽车、家电及电梯等领域得到了广泛应用,因此,研究PMSM的先进控制理论对新能源汽车的发展极具现实意义。PMSM的电流环决定了系统的暂态和稳态性能,构造一个静动态性能良好、高精度且高准确度控制的电流环成为高性能电机控制系统的关键,模型预测控制具有原理简单、动态响应快以及不需要复杂的参数整定的优点,作为模型预测控制之一的模型预测电流控制无需考虑权重系数的设计问题且控制简单,已经成为PMSM的高性能控制方案。为此,本课题围绕PMSM模型预测电流控制系统开展研究,主要研究PMSM模型预测电流控制系统的电流内环控制和转速外环控制问题。本课题主要研究内容如下:(1)分析了电动汽车以及模型预测控制策略目前的研究现状,阐述了PMSM原理与结构以及模型预测控制的基本思想和工作原理。针对PMSM传统模型预测电流控制策略存在电压矢量选择精确度不高以及选择范围有限导致的系统稳态性能较低问题,提出了一种PMSM双矢量模型预测电流控制策略,搭建了相应的数学模型,并与传统模型预测电流控制进行了仿真对比分析。通过仿真测试,PMSM传统模型预测电流控制系统的直、交轴电流稳态误差可达到±1A和±1.4A,电磁转矩稳态波动幅度可达到±1N·m,转速稳态误差较大,a相电流总谐波失真为10.46%,相比传统模型预测电流控制,双矢量模型预测电流控制系统稳态性能显著提高,直、交轴电流稳态脉动减小为±0.45A和±0.1A,电机转速稳态误差及电磁转矩脉动更小,a相电流总谐波失真为2.80%。(2)针对PMSM模型预测电流控制系统中速度环采用PI控制时,系统调速效果无法兼顾鲁棒性和动态性能的问题,提出一种线性自抗扰控制与双矢量模型预测电流控制相结合的PMSM最优控制策略。首先,在同步旋转坐标系下搭建PMSM双矢量模型预测电流控制模型;然后,利用设计的线性自抗扰控制器替代电机调速系统中传统的PI转速控制器。通过仿真测试,所设计的系统转速响应快,转速达到2000 r/min的过渡时间为0.008 s,且无超调量,在0.1 s突加8 N·m额定负载时转速下降1.62%,a相电流总谐波失真为3.32%。仿真结果表明,采用线性自抗扰控制器的调速系统相比PI控制及传统自抗扰控制有着更好的鲁棒性和动态性能。(3)针对PMSM模型预测电流控制中因模型参数失配造成的控制性能下降问题,提出一种基于内模控制观测器的PMSM强鲁棒预测电流控制策略。首先,在同步旋转坐标系下搭建PMSM双矢量模型预测电流控制模型,将控制系统参数扰动引入PMSM定子电流方程;其次,根据内模控制原理设计直、交轴电流内模控制观测器对系统扰动在线估计;最后,将观测的系统扰动引入到含参数扰动项的定子电流方程中,对控制系统进行失配参数的在线矫正,为双矢量模型预测电流控制算法提供实时补偿。通过仿真测试,实验结果接近于电机参数标称值时的仿真结果,与电机参数失配时相比,三相电流波形畸变程度明显减小,直、交轴电流波动幅度减小为±0.48A和±0.15A,转速稳态误差减小为0.1 r/min,转矩稳态脉动波动幅度得到明显减小,a相电流总谐波失真为2.98%,本课题所提控制策略有效避免了参数失配导致的电流静差及振荡问题,可以使PMSM控制系统在参数失配时稳定运行,提高了双矢量模型预测电流控制算法的鲁棒性能。
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