低复杂度永磁同步电机三矢量固定开关频率模型预测电流控制策略

针对传统永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)三矢量模型预测电流控制(three-vector model predictive current control,TV-MPCC)存在开关频率不固定和计算复杂的问题,提出一种固定开关频率TV-MPCC策略。利用前一周期的零电压矢量和参考电压矢量所在扇区来快速筛选所需最优电压矢量和次优电压矢量,避免了无效枚举计算,从而降低了开关频率和计算复杂度。引入系统d和q轴电流差参数,计算各电压矢量的作用时间,确保电压矢量作用时间恒大于零和开关频率固定。以三相两电平电压型逆变器驱动的表贴式PMSM为被控对象,通过仿真和实验对传统TV-MPCC策略和所提三矢量固定开关频率模型预测电流控制策略进行对比研究,仿真和实验结果表明,所提策略在保证系统稳态和动态性能的基础上,在固定和降低开关频率的同时,降低了计算复杂度。

具有低开关频率的感应电机无传感器控制

着眼于传统低开关频率控制方法对无感磁链观测带来不利影响的问题,提出了一种具有低开关频率的感应电机无传感器控制方法.使用速度自适应滑模观测器与预测控制方法相结合,构成感应电机无传感器预测控制系统.其可以在较高采样频率下,有效降低开关频率,并保证系统具有较高的动态特性.同时,滑模思想的引入使观测器具有较强的鲁棒性.实验结果表明,所提出的低开关频率无传感器控制策略具有较高的控制精度和较强的抗干扰性能,研究的自适应滑模观测器在稳态和动态实验中均具有良好的观测精度,其中电流环响应时间可以达到1.52 ms,可以实现75 r·min^(–1)及以上转速范围内的稳定观测及运行,且系统最高平均开关频率保持在500 Hz上下,为较低的水平.

矩形边界限定形式的感应电机低开关频率预测控制研究

圆形边界限定形式预测控制对电流畸变的限定在各方向均相同,无法通过增大边界圆半径进一步降低开关频率。因此,该文提出一种矩形边界限定形式的预测控制方法。首先,深入分析感应电机数学模型,发现感应电机转子子系统的低通物理特性,以及励磁电流波动对电磁转矩的影响不显著;其次,利用该特性,将限定边界改为矩形,对转矩电流与励磁电流进行独立约束,适度增加励磁电流畸变允许限值,扩大电流轨迹运动范围,延长开关状态切换时长;再次,探究电流矢量梯度同边界约束间的数学关系,提出该方法下电压矢量筛选与寻优准则,筛选出最优矢量;最终,进行实验对比。实验结果证明,在相同系统动态特性和转矩波动下,相较于圆形边界限定策略,矩形边界限定策略可以进一步降低开关频率。

考虑电感饱和的逆变器变开关频率控制仿真

不当操作会导致电感饱和状态下逆变器功率损耗严重,为了提升频率控制的稳定性,提出考虑电感饱和的逆变器变开关频率控制方法。根据逆变器的构成获取相关参数的矢量关系,利用基尔霍夫电压定律生成电感饱和状态的逆变器数学模型,通过旋转构建逆变器在dp坐标系下的数学模型,用于预测推导逆变器的电压值。设计开关控制的三大核心成分,分别为功率鉴定器、频率鉴定器和频率滞环比较器,利用电压定向矢量控制方法分别从三个核心成分中得出逆变器的损耗、功率控制结果以及频率状态量误差,完成逆变器变开关频率控制。实验结果表明,所提方法的电压控制效果较好,频率控制稳定性较高。

永磁同步电机模糊自适应低开关频率模型预测电流控制

在永磁同步电机有限集模型预测控制中没有脉宽调制环节,最优电压矢量直接作用于逆变器,开关频率高。为降低开关频率,拟通过永磁同步电机模型预测电流控制系统的代价函数中,引入权重系数自适应调整的开关频率控制项。首先,建立模型预测电流控制模型,分析运行工况及控制周期对开关频率的影响;其次,在代价函数中引入开关频率控制项,分析开关频率控制项权重系数对开关频率和电机控制性能的影响规律;然后,基于模糊控制理论设计权重系数自适应调整的模型预测电流控制系统,通过检测定子电流和参考电流的控制误差值作为模糊控制的输入量,开关项权重系数作为模糊输出量,实现开关项权重系数的自适应调整。仿真结果表明,模糊自适应开关项权重系数控制方式相比于固定权重系数控制,在转速为500r/min时电流谐波增大0.36%时而开关频率降低1.5kHz左右,在2000r/min时开关频率降低0.8kHz左右。

基于三相逆变器变开关频率和变直流母线电压的PMSM控制

针对三相电压源逆变器应用固定开关频率和额定直流母线电压的空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation,SVPWM)驱动方式时存在直流电压利用率低、绝缘栅双极性晶体管(insulated gate bipolar tran⁃sistors,IGBT)损耗较高的缺点,建立永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)和基于输出周期的IGBT损耗控制模型,在此基础上以输出电流质量为约束条件,以开关频率和直流母线电压为约束变量,应用猫鼬优化算法获得基于输出周期的IGBT损耗最优的开关频率和直流母线电压。对所提出的策略进行仿真和实验,通过比较输出电流总谐波畸变率(total harmonic distortion,THD)、电流波形、IGBT损耗和结温等验证所提策略在保证控制系统性能的条件下降低三相电压源逆变器损耗,增加三相电压源逆变器的可靠性。

MMC低开关频率的自适应降损控制策略

针对半桥型模块化多电平换流器(MMC),本文提出了一种低开关频率的自适应降损策略,解决了最近电平逼近调制(NLM)策略和基于排序算法的电容均压控制策略导致的换流阀功率器件开关损耗较高的问题。首先,分析了MMC内部悬浮电容均压效果与其开关频率间的制约关系,明确实际工程应用对子模块电容电压均衡性的要求,为后续低开关频率的自适应降损控制策略提供理论依据。其次,基于所设置子模块电容电压动态限值、流经子模块的电流方向以及子模块工作状态,确定每个周期内子模块投入优先级,从而减少非必要的子模块附加投切动作,降低子模块开关频率。然后,利用线性插值方法,实现不同系统传输功率下子模块电容电压动态限值的自适应调整,进一步降低子模块开关频率。最后,基于在Matlab搭建的MMC仿真模型,验证了本文所提方法。

低开关频率下基于高频方波电压注入法的永磁同步电机无位置传感器控制策略

文章提出了一种永磁同步电机低开关频率下利用注入的高频方波电压在低速工况下估计转子位置的方法。通过注入电压产生的q轴电流变化量获得估算转子位置误差的结论,设计龙贝格状态观测器利用q轴电流变化量估算转子位置,并给出了一种简单的龙贝格状态观测器零极点的设计方法。试验结果表明,文章所提的无位置传感器控制策略在低开关频率下估算转速与转子位置能准确跟踪真实值。

基于改进PWM的低开关频率SPMSM电流纹波抑制

传统SVPWM由于其电压利用率高等优点被广泛应用在电机控制中,然而随着开关频率的降低,输出电流纹波会加剧,其将面临系统损耗增加、输出转矩脉动等问题,对系统稳定性和动态性能带来不利影响。针对这一问题,本文提出了一种基于改进混合PWM的电流纹波抑制策略。通过构建静止坐标系下的电流纹波矢量模型,分析了低开关频率下的纹波加剧的原因。通过分析电压矢量作用时间和顺序与电流纹波之间的关系,选取了两种能够抑制电流纹波的开关序列。通过在线计算不同序列的电流纹波并根据结果切换输出,实现了对低开关频率下电流纹波的有效抑制。搭建了实物实验平台,实践验证了该抑制策略的有效性和可行性。

低开关频率多相大容量推进系统直接离散电流调节器性能优化

多相开绕组推进系统受限于大功率开关器件结温以及开关损耗限制,其开关频率低、数字控制延时大,降低了推进系统高转速运行性能。针对上述问题,首先引入了直接离散电流调节器,并将其与传统离散调节器的设计过程及性能进行了理论对比分析;然后,结合建立的十二相开绕组感应电机数学及仿真模型,在转速大范围变化及负载突变等工况下对两种调节器闭环控制性能进行了对比仿真验证,结果表明:直接离散电流调节器的闭环控制性能,尤其在负载突变下明显优于传统的离散调节器;最后,基于三电平十二相开绕组感应电机试验平台验证了理论分析的正确性。该研究结果为低开关频率推进系统闭环控制性能优化提供了一种思路。

一种低开关频率PWM整流器的满意预测控制策略

结合满意控制和模型预测控制两者的优点,提出一种三电平脉宽调制(pulse width modulation,PWM)整流器的满意预测复合控制方案,实现了低开关频率下PWM整流器的高效运行,进而降低开关损耗、抑制电磁干扰。给出三电平PWM整流器的离散数学模型,分析其模型预测控制的实现方法,着重探讨满意预测控制器的设计,并给出PWM整流器隶属度的模糊判决方案。针对三电平拓扑存在的高du/dt冲击问题,给出其对应优化开关序列,消除du/dt冲击的同时,降低了系统计算耗时。仿真和实验结果表明,系统在低开关频率下运行时能有效抑制输入电流畸变,保证较高的功率因数,并保持良好的动稳态性能。

基于复矢量调节器的低开关频率同步电机控制

为提高中压大功率变频器出力,需要降低器件的开关频率,这会导致脉宽调制(pulse width modulation,PWM)响应滞后,影响定子电流磁化分量和转矩分量间的动态解耦效果。受低开关频率制约,常规的比例积分(proportionalintegral,PI)及前馈补偿PI调节器难以满足系统要求。为改善这一问题,在对电励磁同步电机进行复矢量信号建模的基础上,充分考虑信号采样的延迟和开关器件在低开关频率下的惯性特性,结合经典的控制理论分析方法,设计了一种新颖的基于复矢量的电流调节器。该调节器能在低开关频率下实现对定子电流磁化分量和转矩分量的有效解耦,动稳态性能良好。Matlab仿真及DSP实验验证了该调节器的有效性与可行性。

中高功率交流电机逆变器的低开关频率控制策略综述

为了降低开关损耗,中高功率逆变器运行的开关频率都比较低,通常只有几千Hz有时甚至只有几百Hz,载波调制或是常规的SVPWM在降低开关频率之后会产生严重的电流畸变,需要使用特殊的开关策略控制逆变器。目前,适用于中高功率逆变器的控制策略主要有最优脉宽调制以及预测控制两大类。最优脉宽调制策略基于调制的思想,是一类较为成熟的逆变器低开关频率控制策略,应用广泛,但其计算量大、动态特性差的问题逐渐被学者们发现。预测控制虽然早在1983年就被提出,但由于当时控制器的硬件限制,一直没有引起重视,直至近年来才受到国内外学者的关注,并掀起了研究热潮。该文对最优脉宽调制以及预测控制进行了回顾,剖析了它们的设计思想,总结了近几年的研究成果,分析了各类方法的特点和局限,对待研究的问题进行了阐述,对未来的研究方向进行了展望。

基于复矢量调节器的低开关频率PWM整流器研究

为了提高中压大功率PWM整流器出力,需要降低PWM开关频率,但将造成PWM整流器id、iq电流分量耦合严重的现象。为解决这一问题,在对两电平PWM整流器进行复矢量信号建模的基础上,设计新颖的基于复矢量的电流调节器,该调节器能在低开关频率下实现对网侧电流d、q分量的有效解耦。Matlab仿真及DSP实验结果验证了本设计方法的可行性。

基于满意优化的三电平PWM整流器瞬时开关频率抑制方法

提出一种新型的基于满意优化的三电平脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)整流器有限控制集模型预测控制(finite control set model predictive control,FCS-MPC)方法,将满意优化思想引入模型预测控制的在线规划中,代替传统方法中的权值函数,避免了复杂的加权系数整定过程。然而受到电力电子系统结构的限制,三电平PWM整流器仅可输出27种可行电压矢量,过多的控制约束被引入后,极易造成系统优化无解。该文采用几何分析法揭示了优化无解现象的产生原理,并论证了其与瞬时开关频率过高问题之间的内在联系。通过约束松弛的方式弱化满意和失控的界限,使低优先级指标可以参与在线规划。仿真和实验结果表明,该方法在保证系统功率、中点电位等多项指标达到期望满意度的前提下,最大限度的降低了开关动作频率,避免了高采样频率造成器件局部过热损坏。与经典矢量控制的对比结果可知,在较低的开关频率下(fs≈300 Hz)所提方法可获得更优异的动、稳态性能。

低开关频率下SVPWM同步调制策略比较研究

在大功率牵引传动系统中,由于受到开关损耗和散热条件等的限制,逆变器最高开关频率通常比较低,一般只有几百赫兹,此时为了提高系统的输出特性,通常采用多模式调制策略。该文对空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation,SVPWM)脉冲生成规律进行了归纳和总结,介绍了5种满足半波奇对称、四分之一周期偶对称和三相对称要求的SVPWM同步调制策略。通过对比分析5种调制方法的谐波特性,提出了一套适用于大功率牵引传动系统低开关频率条件下的多模式SVPWM调制策略,并分析了不同调制模式之间的切换原则。通过仿真和实验结果,验证了多模式调制策略的正确性和可行性,实现了不同调制模式之间的平滑切换。

基于改进均压算法的模块化多电平变流器开关频率分析

以一种优化的最大电压偏差均压方法为基础,推导出模块化多电平变流器(MMC)平均开关频率的解析表达式,并分析了影响MMC开关频率的因素,对MMC损耗计算和散热设计具有一定的指导意义。在Matlab/Simulink平台上建立46电平的单相MMC模型,并进行仿真,最后搭建了9电平单相MMC实验样机,实验结果验证了所得结论的正确性。

具有低开关频率的三电平有源前端变换器模型预测控制

研究了一种具有低开关频率的三电平有源前端变换器AFEs低开关频率有限控制集模型预测控制LFCSMPC策略。该策略在一个控制周期内,同时施加有效电压矢量和零电压矢量。同时,引入降低平均开关频率控制目标项,并基于该目标函数求得有效电压矢量的最优作用时间,从而将带有最优作用时间的开关状态直接作用于功率变换器。该方法在兼顾控制性能的同时有效地降低功率器件平均开关频率,实现了低开关频率下的三电平AFEs高效运行。仿真结果表明,该方法在实际工程应用中具有一定的价值。

低开关频率下PWM调制方法研究

在交直交电力机车等大功率牵引传动系统中,受到逆变器开关频率的限制,通常采用多模式PWM方法.本文中分析了低开关频率下多模式PWM的实现方法.在低载波比条件下采用了一种中间60°调制方法,并研究了不同模式PWM之间的切换条件,实现了异步调制、同步调制和中间60°调制之间的平滑过渡,并通过仿真和实验验证了分析的正确性.

低开关频率下SHEPWM和SVPWM同步调制策略比较研究

在大功率牵引传动系统中,由于受到开关损耗和散热条件等限制,逆变器最高开关频率通常比较低,只有几百赫兹,因此在高速运行区需要采用同步调制技术。针对铁路系统大功率低开关频率的特点,本文对SHEPWM和SVPWM两种同步调制技术的基本原理进行了深入的分析与研究,总结了SHEPWM开关角的计算方法,介绍了五种常用的SVPWM同步调制策略。为了直观地比较SHEPWM和SVPWM的整体性能,本文从磁链轨迹、线电压谐波分布、线电压谐波畸变因数以及DSP数字化实现的难易程度等几个方面对两种调制方法进行了详细的对比分析,得出当载波比较高时(通常载波比不小于7),SHEPWM整体谐波性能较好,而当载波比较低时,SVPWM具有更大谐波优势;同时SVPWM具有算法简单,更易于数字化实现等优点。