三相八開關(guān)逆變器驅(qū)動(dòng)PMSM模型預(yù)測轉(zhuǎn)矩控制研究

三相八開關(guān)逆變器驅(qū)動(dòng)PMSM模型預(yù)測轉(zhuǎn)矩控制研究

摘要：電力電子技術(shù)的快速發(fā)展促進(jìn)了電動(dòng)汽車、風(fēng)能和太陽能發(fā)電等領(lǐng)域的迅猛發(fā)展。永磁同步電機(jī)（PermanentMagnetSynchronousMotor，簡稱PMSM）作為一種高效、高性能的電機(jī)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)和民用領(lǐng)域。本文基于三相八開關(guān)逆變器，對PMSM模型預(yù)測轉(zhuǎn)矩控制進(jìn)行了研究。

一、引言

永磁同步電機(jī)以其高功率密度、高效率和高控制精度等優(yōu)點(diǎn)，成為工業(yè)和民用應(yīng)用中的首選。傳統(tǒng)的PMSM控制方法主要有直接轉(zhuǎn)矩控制（DirectTorqueControl，簡稱DTC）和矢量控制（FieldOrientedControl，簡稱FOC）。然而，DTC在低轉(zhuǎn)速段存在轉(zhuǎn)矩紋波問題，而FOC對控制器的要求較高。因此，本文對PMSM進(jìn)行了模型預(yù)測轉(zhuǎn)矩控制的研究。

二、PMSM建模

PMSM的數(shù)學(xué)模型可以通過電路方程和運(yùn)動(dòng)方程求解得到。本文采用dq軸模型，將PMSM的電機(jī)方程和機(jī)械方程化簡為如下形式：

電機(jī)方程：

$U_d=R_sI_d+L_d\frac{dI_d}{dt}+\omegaI_qL_q$

$U_q=R_sI_q+L_q\frac{dI_q}{dt}-\omega(I_dL_d+J\frac{d\omega}{dt})$

機(jī)械方程：

$J\frac{d\omega}{dt}=\tau_{em}-\tau_{l}$

其中，$U_d$和$U_q$是電機(jī)的d軸和q軸電壓；$I_d$和$I_q$是d軸和q軸電流；$R_s$是電機(jī)的電阻；$L_d$和$L_q$是d軸和q軸的電感；$J$是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；$\omega$是轉(zhuǎn)子的角速度；$\tau_{em}$是電磁轉(zhuǎn)矩；$\tau_{l}$是機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

三、三相八開關(guān)逆變器

三相八開關(guān)逆變器由三相橋式逆變器和六個(gè)插入二極管的開關(guān)組成，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的雙向控制。在PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，通過逆變器將直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電壓，控制PMSM的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。

四、模型預(yù)測轉(zhuǎn)矩控制

模型預(yù)測控制（ModelPredictiveControl，簡稱MPC）是一種優(yōu)化控制方法，通過對未來一段時(shí)間的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測，得到最佳的控制策略。在PMSM控制中，MPC采用離散化模型來預(yù)測未來時(shí)刻的轉(zhuǎn)矩需求，并通過對控制操作量的優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)精確的轉(zhuǎn)矩控制。

具體的算法流程如下：

1.設(shè)置控制周期和預(yù)測時(shí)域。

2.根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻的狀態(tài)量（如轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速、電流等）和未來時(shí)域內(nèi)的轉(zhuǎn)矩需求，構(gòu)建離散化模型。

3.通過對未來時(shí)刻的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測，得到最佳控制策略。

4.根據(jù)最佳策略計(jì)算控制操作量（如電壓矢量）。

5.根據(jù)控制操作量調(diào)節(jié)逆變器，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制。

五、實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果

本文基于MATLAB/Simulink平臺搭建了PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并進(jìn)行了模型預(yù)測轉(zhuǎn)矩控制的仿真實(shí)驗(yàn)。通過對比傳統(tǒng)的DTC和FOC方法，驗(yàn)證了模型預(yù)測轉(zhuǎn)矩控制在低速轉(zhuǎn)矩控制方面的優(yōu)勢。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，模型預(yù)測轉(zhuǎn)矩控制具有較好的轉(zhuǎn)矩控制性能和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。在低轉(zhuǎn)速和低負(fù)載條件下，轉(zhuǎn)矩紋波明顯減小，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的跟蹤精度較高。在高轉(zhuǎn)速和高負(fù)載條件下，模型預(yù)測轉(zhuǎn)矩控制能夠保證較高的系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾能力。

六、結(jié)論

本文基于三相八開關(guān)逆變器，通過模型預(yù)測轉(zhuǎn)矩控制實(shí)現(xiàn)了對PMSM的轉(zhuǎn)矩控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，模型預(yù)測轉(zhuǎn)矩控制具有較好的轉(zhuǎn)矩控制性能、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和系統(tǒng)穩(wěn)定性。模型預(yù)測轉(zhuǎn)矩控制方法在PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值，對于提高電機(jī)的性能和節(jié)能減排具有重要意義。

Abstract:Therapiddevelopmentofpowerelectronicstechnologyhaspromotedtherapiddevelopmentoffieldssuchaselectricvehicles,windpower,andsolarpowergeneration.PermanentMagnetSynchronousMotor(PMSM),asahigh-efficiencyandhigh-performancemotor,iswidelyusedinindustrialandcivilfields.Inthispaper,basedonthethree-phaseeight-switchinverter,themodelpredictivetorquecontrolofPMSMisstudied.

1.Introduction

PermanentMagnetSynchronousMotorsarepreferredinindustrialandcivilapplicationsduetotheirhighpowerdensity,highefficiency,andhighcontrolaccuracy.TraditionalPMSMcontrolmethodsmainlyincludeDirectTorqueControl(DTC)andField-OrientedControl(FOC).However,DTChastorquerippleissuesatlowspeeds,andFOCrequireshighrequirementsforthecontroller.Therefore,thispaperstudiesthemodelpredictivetorquecontrolofPMSM.

2.PMSMModeling

ThemathematicalmodelofPMSMcanbeobtainedbysolvingthecircuitequationsandmotionequations.Inthispaper,thedq-axismodelisadoptedtosimplifythemotorequationsandmechanicalequationsasfollows:

Motorequations:

$U_d=R_sI_d+L_d\frac{dI_d}{dt}+\omegaI_qL_q$

$U_q=R_sI_q+L_q\frac{dI_q}{dt}-\omega(I_dL_d+J\frac{d\omega}{dt})$

Mechanicalequation:

$J\frac{d\omega}{dt}=\tau_{em}-\tau_{l}$

Where$U_d$and$U_q$arethed-axisandq-axisvoltagesofthemotor;$I_d$and$I_q$arethed-axisandq-axiscurrents;$R_s$isthemotorresistance;$L_d$and$L_q$arethed-axisandq-axisinductances;$J$istherotorinertia;$\omega$istherotorspeed;$\tau_{em}$istheelectromagnetictorque;$\tau_{l}$isthemechanicalloadtorque.

3.Three-PhaseEight-SwitchInverter

Thethree-phaseeight-switchinverterconsistsofathree-phasebridgeinverterandsixswitcheswithinserteddiodes,whichcanrealizebidirectionalcontrolofthemotor.InthePMSMdrivesystem,theinverterconvertstheDCvoltageintoACvoltagetocontrolthetorqueandspeedofthePMSM.

4.ModelPredictiveTorqueControl

ModelPredictiveControl(MPC)isanoptimizationcontrolmethodthatpredictsthefuturestateoveraperiodoftimetoobtaintheoptimalcontrolstrategy.InPMSMcontrol,MPCusesadiscretemodeltopredictthetorquedemandatfuturetimeandachievesprecisetorquecontrolthroughtheoptimizationofcontrolvariables.

Thespecificalgorithmprocessisasfollows:

1.Setthecontrolcycleandpredictiontimedomain.

2.Constructadiscretemodelbasedonthecurrentstatevariables(suchasrotorposition,speed,current,etc.)andtorquedemandinthefuturetimedomain.

3.Predictthefuturestateandobtaintheoptimalcontrolstrategy.

4.Calculatethecontrolvariables(such