張 璐,盛 彬

（1.山西大學(xué),太原,030013;2.山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院,大同,037000）

永磁同步電機(jī)的電流預(yù)測控制研究

張 璐1,盛 彬2

（1.山西大學(xué),太原,030013;2.山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院,大同,037000）

在控制永磁同步電機(jī)時(shí)，電流環(huán)的控制是實(shí)現(xiàn)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制的重要環(huán)節(jié)。為此，本文提出了一種基于無差拍算法的電機(jī)電流預(yù)測控制算法，以期改進(jìn)電機(jī)電流環(huán)的性能。具體來講，就是利用電流控制器計(jì)算電壓矢量，然后通過調(diào)制模塊將電壓矢量轉(zhuǎn)換為開關(guān)信號(hào)。在這一過程中，還要引進(jìn)魯棒電流預(yù)測算法，從而減小預(yù)測模型參數(shù)誤差對系統(tǒng)的影響。經(jīng)過仿真驗(yàn)證，這一算法的應(yīng)用可以使系統(tǒng)電流環(huán)的穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)性能得到提高。

永磁同步電機(jī)；電流預(yù)測控制；魯棒電流預(yù)測算法

0 引言

按照電壓矢量作用方式，可以將永磁同步電機(jī)電流預(yù)測控制方式分成是雙矢量控制、直接控制和無差拍（PWM）電流預(yù)測控制。所謂的無差拍電流預(yù)測控制，就是可以根據(jù)電流指令和采集到的電流、位置信息完成下一周期電壓矢量的精確計(jì)算，從而使電機(jī)電流實(shí)現(xiàn)對指令電流值的精確跟隨。但在實(shí)際系統(tǒng)中，電機(jī)運(yùn)行參數(shù)會(huì)隨狀態(tài)改變，傳感器也將存在誤差和延遲，所以還要適當(dāng)進(jìn)行算法的改進(jìn)，從而精確完成電流的預(yù)測控制工作。

1 PWM電流預(yù)測控制分析

從原理上來看，PWM電流預(yù)測控制其實(shí)就是通過計(jì)算和調(diào)制電壓矢量實(shí)現(xiàn)對電機(jī)電流的控制。如下圖1所示，PWM電流預(yù)測控制將根據(jù)當(dāng)前電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和電流指令值進(jìn)行電機(jī)所需的電壓矢量的計(jì)算。而在計(jì)算出的這一電壓矢量值的作用下，電機(jī)電流將能實(shí)現(xiàn)對指令的精確跟隨。在此基礎(chǔ)上，利用SVPWM完成對電壓矢量的調(diào)制，則能夠生產(chǎn)相應(yīng)的開關(guān)信號(hào)，并通過作用于逆變器進(jìn)行電機(jī)電流的控制。

圖1 PWM電流預(yù)測控制圖

根據(jù)電機(jī)預(yù)測模型可知，將電流給定值當(dāng)做電機(jī)運(yùn)行下一周期的電流預(yù)測值，將能得知定子電壓的計(jì)算公式（1）。由于具有調(diào)制環(huán)節(jié)，PWM電流預(yù)測控制將有固定的開關(guān)頻率，并且該頻率與控制頻率保持一致。而從控制結(jié)構(gòu)角度來看，PWM電流預(yù)測控制結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)矢量控制結(jié)構(gòu)相接近，所以比較容易實(shí)現(xiàn)。

2 電機(jī)電流預(yù)測控制算法分析

利用PWM電流預(yù)測控制器進(jìn)行電流的預(yù)測控制時(shí)，需要使用電機(jī)理想?yún)?shù)進(jìn)行電流的預(yù)測。而生成的電壓給定值將作用于調(diào)制器，繼而使電機(jī)電流隨之變化。但是，采取該種方法將導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性取決于電機(jī)電感值。在實(shí)際應(yīng)用的過程中，電機(jī)模型中的值將與實(shí)際值相差2倍以上，系統(tǒng)也將呈現(xiàn)發(fā)散狀態(tài)。為此，需要引入權(quán)重因子α、β，并且α+β=1。而在引入魯棒電流控制算法后，可以利用方程（2）進(jìn)行電流的預(yù)測控制。

當(dāng)參數(shù)存在誤差時(shí)，電機(jī)實(shí)際電流iq(k+1)將與其給定值(k+1)不一致，所以電壓給定值u＊q(k)也不與之前計(jì)算的電壓給定值相等。當(dāng)反電勢項(xiàng)進(jìn)行電流環(huán)擾動(dòng)時(shí)，控制目標(biāo)為零，采樣時(shí)間也夠小，則魯棒電流控制模型如下圖2所示。

圖2 魯棒電流控制模型

在應(yīng)用該算法時(shí)，由于系統(tǒng)實(shí)際輸出電壓不會(huì)大于線電壓，所以需要進(jìn)行模型計(jì)算出的電壓矢量的限制，以便有效進(jìn)行電壓的輸出。具體來講，就是在幅值恒定的情況下，如果直流母線電壓為U，同步選擇軸輸出的電壓將不超過2U/3。此外，由于該算法是從電機(jī)運(yùn)行的第k個(gè)開關(guān)周期時(shí)進(jìn)行角度采樣的，并且需要從k+1開始計(jì)算k周期的占空比數(shù)值，所以會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的角度誤差。而這一誤差在電機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)將能達(dá)到10.8°，所以還要將當(dāng)前角度采樣值和角度補(bǔ)償值之和當(dāng)做是參考轉(zhuǎn)子角度值。

3 電流預(yù)測控制的仿真實(shí)驗(yàn)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)條件

為了驗(yàn)證提出的電流預(yù)測控制算法，可以使用Matlab/Simulink平臺(tái)作為實(shí)驗(yàn)的仿真環(huán)境，并且采用TMS320F2812DSP為伺服單元的控制核心。如下表1所示，仿真實(shí)驗(yàn)的電機(jī)額定功率為0.75kW，電流控制頻率為10kHz。在實(shí)驗(yàn)中，使用了相同的速度環(huán)IP參數(shù)，可以進(jìn)行不同電流控制方式和不同轉(zhuǎn)速下的電機(jī)性能的檢驗(yàn)。

3.2 實(shí)驗(yàn)過程

在實(shí)驗(yàn)的過程中，首先可以開展系統(tǒng)存在參數(shù)誤差時(shí)的電流仿真實(shí)驗(yàn)。此時(shí)，需要設(shè)定空載3000r/min的仿真條件，然后使電機(jī)階躍啟動(dòng)。在β=1、L0/L=3時(shí)，預(yù)測控制系統(tǒng)電流產(chǎn)生了明顯振動(dòng)，并且開始呈現(xiàn)發(fā)散趨勢。但是在β取值0.5之后，系統(tǒng)震蕩逐漸消失，并且開始保持穩(wěn)定狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，可以為系統(tǒng)突加2.39N＊m的額定負(fù)載。而如下圖3所示，系統(tǒng)電流反饋可以跟隨給定值變化。在圖3中，圖（a）為系統(tǒng)響應(yīng)波形，圖（b）為系統(tǒng)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)波形。在實(shí)驗(yàn)的過程中，系統(tǒng)q軸電流分量和轉(zhuǎn)速可以使用DAC模塊輸出。而通過對比可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)和仿真波形保持一致。而無論是在3000r/min階躍啟動(dòng)，還是在額定負(fù)載下啟動(dòng)，系統(tǒng)電流都能夠跟隨給定值的變化。因此，使用該種預(yù)測控制算法可以使系統(tǒng)電流在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)過程中得到較好的控制。

表1 仿真電機(jī)參數(shù)

圖3 預(yù)測控制系統(tǒng)波形

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可以發(fā)現(xiàn)，如下圖4，圖（a）為使用雙采樣雙更新的傳統(tǒng)控制方法的相電流波形及頻譜，圖（b）為使用本文提出的預(yù)測控制算法的相電流波形及頻譜。在電機(jī)以給定速度3000r/min空載帶大負(fù)載慣量階躍啟動(dòng)時(shí)，采用傳統(tǒng)控制法的電機(jī)由于速度振動(dòng)產(chǎn)生了電流周期波動(dòng)，并且其總諧波畸變率發(fā)生了較大的變化。而在同樣的條件下，使用相同PI調(diào)節(jié)器，并使用魯棒電流控制算法的電機(jī)沒有產(chǎn)生明顯電流震蕩其總諧波畸變率變化也不大。對比二者的恒加速波形可以發(fā)現(xiàn)，在開關(guān)頻率處，預(yù)測控制對電流幅值的控制效果也較為明顯，電機(jī)產(chǎn)生的低頻振蕩較小。而在同一時(shí)刻，使用傳統(tǒng)算法產(chǎn)生的相電流顯著增大，甚至無法進(jìn)入到穩(wěn)定工作狀態(tài)。所以，本文提出的預(yù)測控制算法可以提高電流環(huán)的響應(yīng)，并且提高電機(jī)速度環(huán)的性能。

4 結(jié)論

總而言之，在使用PWM電流預(yù)測控制器進(jìn)行永磁同步電機(jī)的電流控制時(shí)，需要使用無差拍控制原理和相應(yīng)的電機(jī)模型進(jìn)行電流的控制。但在實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用中，使用該種控制原理將因參數(shù)誤差而導(dǎo)致電機(jī)電流產(chǎn)生震蕩。而經(jīng)過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，在該種控制中引入魯棒電流控制算法，將能使系統(tǒng)在參數(shù)不準(zhǔn)的情況下依然保持穩(wěn)定運(yùn)行，繼而使系統(tǒng)保持良好的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)特性。

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Analysis of current predictive control algorithm for permanent magnet synchronous motor

Zhang Lu1,Sheng Bin2
(1.Shanxi University Taiyuan,030013; 2.Coal Engineering College of Shanxi Datong University,Da Tong,037000)

In the control of permanent magnet synchronous motor,the current loop control is an important part of the servo drive system control.For this purpose,a new predictive control algorithm based on the error free beat algorithm is proposed in order to improve the performance of the motor current loop.In particular,the voltage vector is calculated by the current controller and the voltage vector is converted to a switching signal by the modulation module.In this process, the robust current prediction algorithm is also introduced,which can reduce the influence of the parameters of the prediction model on the system.The simulation results show that the application of this algorithm can improve the performance of the system.

permanent magnet synchronous motor;current predictive control;robust current prediction algorithm

圖4 相電流波形及頻譜