永磁同步電機的電流預測控制研究

張 璐,盛 彬

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

永磁同步電機的電流預測控制研究

張 璐1,盛 彬2

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

在控制永磁同步電機時，電流環的控制是實現伺服驅動系統控制的重要環節。為此，本文提出了一種基于無差拍算法的電機電流預測控制算法，以期改進電機電流環的性能。具體來講，就是利用電流控制器計算電壓矢量，然后通過調制模塊將電壓矢量轉換為開關信號。在這一過程中，還要引進魯棒電流預測算法，從而減小預測模型參數誤差對系統的影響。經過仿真驗證，這一算法的應用可以使系統電流環的穩態精度和動態性能得到提高。

永磁同步電機；電流預測控制；魯棒電流預測算法

0 引言

按照電壓矢量作用方式，可以將永磁同步電機電流預測控制方式分成是雙矢量控制、直接控制和無差拍（PWM）電流預測控制。所謂的無差拍電流預測控制，就是可以根據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算，從而使電機電流實現對指令電流值的精確跟隨。但在實際系統中，電機運行參數會隨狀態改變，傳感器也將存在誤差和延遲，所以還要適當進行算法的改進，從而精確完成電流的預測控制工作。

1 PWM電流預測控制分析

從原理上來看，PWM電流預測控制其實就是通過計算和調制電壓矢量實現對電機電流的控制。如下圖1所示，PWM電流預測控制將根據當前電機運行狀態和電流指令值進行電機所需的電壓矢量的計算。而在計算出的這一電壓矢量值的作用下，電機電流將能實現對指令的精確跟隨。在此基礎上，利用SVPWM完成對電壓矢量的調制，則能夠生產相應的開關信號，并通過作用于逆變器進行電機電流的控制。

圖1 PWM電流預測控制圖

根據電機預測模型可知，將電流給定值當做電機運行下一周期的電流預測值，將能得知定子電壓的計算公式（1）。由于具有調制環節，PWM電流預測控制將有固定的開關頻率，并且該頻率與控制頻率保持一致。而從控制結構角度來看，PWM電流預測控制結構與傳統矢量控制結構相接近，所以比較容易實現。

2 電機電流預測控制算法分析

利用PWM電流預測控制器進行電流的預測控制時，需要使用電機理想參數進行電流的預測。而生成的電壓給定值將作用于調制器，繼而使電機電流隨之變化。但是，采取該種方法將導致系統穩定性取決于電機電感值。在實際應用的過程中，電機模型中的值將與實際值相差2倍以上，系統也將呈現發散狀態。為此，需要引入權重因子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）進行電流的預測控制。

當參數存在誤差時，電機實際電流iq(k+1)將與其給定值(k+1)不一致，所以電壓給定值u＊q(k)也不與之前計算的電壓給定值相等。當反電勢項進行電流環擾動時，控制目標為零，采樣時間也夠小，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

在應用該算法時，由于系統實際輸出電壓不會大于線電壓，所以需要進行模型計算出的電壓矢量的限制，以便有效進行電壓的輸出。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運行的第k個開關周期時進行角度采樣的，并且需要從k+1開始計算k周期的占空比數值，所以會產生相應的角度誤差。而這一誤差在電機轉速較高時將能達到10.8°，所以還要將當前角度采樣值和角度補償值之和當做是參考轉子角度值。

3 電流預測控制的仿真實驗分析

3.1 實驗條件

為了驗證提出的電流預測控制算法，可以使用Matlab/Simulink平臺作為實驗的仿真環境，并且采用TMS320F2812DSP為伺服單元的控制核心。如下表1所示，仿真實驗的電機額定功率為0.75kW，電流控制頻率為10kHz。在實驗中，使用了相同的速度環IP參數，可以進行不同電流控制方式和不同轉速下的電機性能的檢驗。

3.2 實驗過程

在實驗的過程中，首先可以開展系統存在參數誤差時的電流仿真實驗。此時，需要設定空載3000r/min的仿真條件，然后使電機階躍啟動。在β=1、L0/L=3時，預測控制系統電流產生了明顯振動，并且開始呈現發散趨勢。但是在β取值0.5之后，系統震蕩逐漸消失，并且開始保持穩定狀態。在此基礎上，可以為系統突加2.39N＊m的額定負載。而如下圖3所示，系統電流反饋可以跟隨給定值變化。在圖3中，圖（a）為系統響應波形，圖（b）為系統響應實驗波形。在實驗的過程中，系統q軸電流分量和轉速可以使用DAC模塊輸出。而通過對比可以發現，實驗和仿真波形保持一致。而無論是在3000r/min階躍啟動，還是在額定負載下啟動，系統電流都能夠跟隨給定值的變化。因此，使用該種預測控制算法可以使系統電流在靜態和動態過程中得到較好的控制。

表1 仿真電機參數

圖3 預測控制系統波形

3.3 實驗結果

經過仿真實驗驗證可以發現，如下圖4，圖（a）為使用雙采樣雙更新的傳統控制方法的相電流波形及頻譜，圖（b）為使用本文提出的預測控制算法的相電流波形及頻譜。在電機以給定速度3000r/min空載帶大負載慣量階躍啟動時，采用傳統控制法的電機由于速度振動產生了電流周期波動，并且其總諧波畸變率發生了較大的變化。而在同樣的條件下，使用相同PI調節器，并使用魯棒電流控制算法的電機沒有產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現，在開關頻率處，預測控制對電流幅值的控制效果也較為明顯，電機產生的低頻振蕩較小。而在同一時刻，使用傳統算法產生的相電流顯著增大，甚至無法進入到穩定工作狀態。所以，本文提出的預測控制算法可以提高電流環的響應，并且提高電機速度環的性能。

4 結論

總而言之，在使用PWM電流預測控制器進行永磁同步電機的電流控制時，需要使用無差拍控制原理和相應的電機模型進行電流的控制。但在實際的工業應用中，使用該種控制原理將因參數誤差而導致電機電流產生震蕩。而經過仿真實驗驗證發現，在該種控制中引入魯棒電流控制算法，將能使系統在參數不準的情況下依然保持穩定運行，繼而使系統保持良好的動態性能和穩態特性。

[1]王宏佳,徐殿國,楊明.永磁同步電機改進無差拍電流預測控制[J].電工技術學報,2011,06:39-45.

[2]王偉華,肖曦,丁有爽.永磁同步電機改進電流預測控制[J].電工技術學報,2013,03:50-55.

[3]張虎,張建偉,郭孔輝,李洋.基于擾動觀測器的電動助力轉向系統用永磁同步電機魯棒預測電流控制[J].吉林大學學報(工學版),2015,03:711-718.

[4]馮景歡,夏長亮,王賀超,閻彥.永磁同步電機改進無差拍電流預測控制[J].電工電能新技術,2015,08:1-6+31.

[5]牛里,楊明,王庚等.基于無差拍控制的永磁同步電機魯棒電流控制算法研究[J].中國電機工程學報,2013,15:78-85+13.

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