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车用永磁同步电机模型预测转矩控制研究
| 论文题名： | 车用永磁同步电机模型预测转矩控制研究 |
| 关键词： | 新能源汽车;永磁同步电机;转矩脉动;模型预测控制;代价函数 |
| 摘要： | 随着汽车电动化进程的加速发展，电机在汽车车身电子、电动助力转向和驱动系统等应用更加广泛。永磁同步电机(PMSM)凭借功率密度高、效率高等优势，受到高度关注。研究PMSM先进控制算法对提升车用永磁同步电机控制系统性能具有重要的意义。 永磁同步电机直接转矩控制(DTC)采用了滞环比较和开关表实现了对电压矢量的正确选择，动态响应快，但是产生了较大的转矩脉动。针对DTC转矩脉动问题，本文引入模型预测思想，建立了PMSM模型预测转矩控制(MPTC)系统，分析对比了MPTC与DTC，并围绕MPTC的代价函数设计进行了分析和研究。进一步从电压矢量选择策略出发，以降低电机转矩脉动和磁链脉动进行了仿真实验和实时性硬件验证，主要研究内容如下： 针对传统DTC转矩脉动大的问题，引入了MPC思想，建立了MPTC系统，并从平均开关频率，电压矢量选择和鲁棒性等方面对DTC与MPTC进行了比较评估，MPTC改善了电机系统对转矩和磁链的控制效果，但开关频率要高于DTC。此外，两种控制策略在面对模型失配时，均出现了控制性能下降的问题。 围绕MPTC的代价函数设计进行了分析和研究，构建了以电磁转矩和定子磁链为控制目标的代价函数。分析了不同权重系数设计方案下，系统的控制效果。最后提出了一种考虑电机参数的转矩控制和磁链控制平衡的代价函数，取得了良好的控制效果。 为避免MPTC中的权重系数设计，对无权重代价函数进行了研究。基于控制变量的相对误差率来构建代价函数，以无量纲的相对误差率来表征系统状态与期望的差距，从而无需进行权重系数设计。仿真结果表明基于相对误差率的代价函数控制效果良好，并且降低了对电机的参数的依赖程度。进一步为了降低了在转矩动态响应过程中的定子磁链脉动，提出了含磁链约束项的代价函数，并通过仿真验证了有效性。 为了进一步使控制动作精细化，以减小电机的转矩脉动，分析了施加的电压矢量对定子磁链和转矩的影响，得出了电压矢量选择区间，提出了一种简单的双变量电压矢量选择策略，并设计了2×2变量模型和3×3变量模型。进行仿真分析和基于单片机的算法单步运行时间计算，对比了不同控制策略在转矩脉动、磁链脉动和运算负担上的优劣性。 |
| 作者： | 孟祥臻 |
| 专业： | 车辆工程 |
| 导师： | 李耀华 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 长安大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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