【摘 要】
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复杂的车辆运行工况对车用永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)控制系统提出了苛刻的性能要求,例如低开关频率、低转矩脉动、高动态响应等,传统控制方法难以实现多目标最优化控制。多步有限控制集模型预测转矩控制(Finite Control Set Model Predictive Torque Control,FCS-MPTC)能对未来多个控制时域
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复杂的车辆运行工况对车用永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)控制系统提出了苛刻的性能要求,例如低开关频率、低转矩脉动、高动态响应等,传统控制方法难以实现多目标最优化控制。多步有限控制集模型预测转矩控制(Finite Control Set Model Predictive Torque Control,FCS-MPTC)能对未来多个控制时域的控制效果做出预测,易于实现多约束、多目标的最优控制,稳态和动态性能良好,但随着预测步数增加,其运算量呈指数形式增长。针对这一问题,首先建立多步FCS-MPTC模型,然后从三个角度研究多步FCS-MPTC简化算法。为满足车用PMSM转矩快速动态响应需求,在电机两相定子磁链同步旋转坐标系中建立多步FCS-MPTC预测模型。该模型在多步预测时考虑了转子旋转运动影响,预测电压矢量作用后的转矩、负载角、定子磁链方位角和幅值,控制系统不存在电流环,使用电压矢量直接控制电机转矩和定子磁链,实现转矩快速响应。将基于七电压矢量控制集的多步FCS-MPTC方法与传统控制方法对比分析,说明七电压矢量控制集多步FCS-MPTC方法在多个方面的性能优势,同时指出其运算量过大的问题。针对七电压矢量控制集多步FCS-MPTC方法运算量大的问题,考虑在单个采样周期内简化多步预测计算。选出一个三电压矢量精简控制集取代七电压矢量控制集,缩小最优控制量搜索范围,简化了运算。在此基础上提出“电压矢量保持”策略,一定条件下相邻预测步数间可直接采用同一个电压矢量,避免遍历控制集内所有控制量,优化了寻优过程,将多步预测计算复杂度从指数时间复杂度降至线性时间复杂度,并降低开关频率。为进一步简化基于“电压矢量保持”策略的多步FCS-MPTC方法,考虑到稳态情况下被控系统状态量变化较小,因此无须在每个控制周期进行多步预测计算。由此将事件触发机制引入FCS-MPTC系统,预先设定反映PMSM转矩和磁链跟踪误差的不同事件,若误差小于一定阈值,相应采样周期无需进行多步预测计算,而是从最近一次多步预测所得最优控制序列中选择控制量,避免冗余计算并减少平均计算量。结果表明,在“电压矢量保持”策略基础上使用事件触发机制,可在较少性能损失情况下,进一步减少多步FCS-MPTC的平均计算量和开关频率。上述简化算法从精简控制集、优化寻优过程、事件触发多步预测这三个角度,从采样周期内部、采样周期之间这两个层面,实现多步FCS-MTPC算法简化。仿真结果表明,简化算法的性能损失小且开关频率降低。在硬件平台上对简化算法进行实时性验证,结果表明简化算法明显减少了多步预测计算所需时间,提高了实时性,可在较短的采样周期内实现多步FCS-MPTC算法。
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