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车用永磁同步电机多步模型预测转矩控制简化研究
| 论文题名： | 车用永磁同步电机多步模型预测转矩控制简化研究 |
| 关键词： | 新能源汽车;永磁同步电机;模型预测控制;定子磁链;转矩响应 |
| 摘要： | 复杂的车辆运行工况对车用永磁同步电机（PermanentMagnetSynchronousMotor,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（FiniteControlSetModelPredictiveTorqueControl,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。 |
| 作者： | 苏锦仕 |
| 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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