永磁同步直線電機電流預測控制方法研究

蘇森

摘要：針對永磁同步直線電機（PMLSM）電流預測控制中因參數不匹配和延時導致的電流誤差和振蕩問題，提出了一種帶延時補償的PMLSM改進電流預測控制來實現精準的電流控制。為獲得髙帶寬電流控制特性，構建一種帶延時補償的數字電流預測控制器

關鍵詞：永磁同步直線電機;電流預測;方法：

1PMSLM的結構

設計的PMSLM三維結構示意圖.繞組采用分數槽集中繞組，三相繞組嵌入在初級鐵心的開口矩形槽中，初級鐵心背面嵌入冷卻管來提高電機散熱能力。N，S兩種充磁方向的永磁體依次粘貼在永磁體軛板表面。相對于旋轉電機，直線電機很難實現鐵心斜齒的結構，只能采用永磁體斜極結構來削弱PMSLM的定位力。削弱PMSLM的定位力。

2PMLSM模型建立

假設電機磁路不飽和，且不受渦流損耗和磁滯損耗影響，子繞組對稱且繞組電流在氣隙中產生的磁動勢是正弦分布，則在軸坐標系下，表貼式PMLSM的電壓方程可以表不為：uq=Riq+Ldiq/dt+〇}cLid+（〇elP'，（】）ud=Rid+LdiJAt式中為動子電角速度為電機極對數，叫為動子角速度，

4改進電流預測控制

帶有延時補償的電流預測控制電流預測控制的工作原理是：假設參數擾動值D（A〇己知，在當前周期的初始時刻，根據電流。參考指令7*0+1）和第A個周期的采樣電流/（々），根據式（4）所示的離散化電壓模型，可得到第A個采樣周期的電壓參考指令若將電壓參考指令施加在電機上，經過一個周期后，電機的實際電流/（fc+1）可以跟蹤上參考電流7*0+1）。傳統電流預測控制得到的指令電壓為：lT（k）=GI（k）+Hr（k+l）+＼+D（k）（5）式（5）中的控制策略由于假設控制周期遠大于估計時間，并沒有考慮系統延時。實際上控制周期很小時，由數字控制所引起的系統延時就不可忽略，這種延時會導致電流控制不穩定。因此，要合理設計方法來解決這一問題。由于從計算出電壓參考指令到電壓指令加載到電機上中間需一個周期時間，因此可直接計算下一個周期的電壓參考指令f/*（A+l），可表示為：U'（h+l）=Gi（k+l）+Hr（k+2）+＼+D（k+l）（6）式中：/（fc+l）為下一個采樣周期的估計電流值。根據式（4）可以對&A+1）進行估計，得：i（k+l）=H￣'[U（k）-GI（k）-＼-D（k）]（7）結合式（6），（7）可得：LT（k+＼）=GH-'U（k）-GH-'GI（k）+Hr（k+2）-GH＼-GHD（k）+A+D（h+l）（8）通過以上分析，可知經過延時補償后實際電流在兩個釆樣周期之后可以跟隨給定電流，4分析與討論綜上所述，針對基于電流控制技術以及電流控制技術的實現方式、在線計算量、控制精度、電機參數魯棒性、目標函數尋優方式、電壓矢量輸出、實現難易程度、是否需要調制環節等方面進行歸納與對比，如表1、表2所示。表1基于連續集模型預測電流控制技術比較控制方案CCS-MPC（廣義）（顯式）實現方式復雜較難（分區數目越大、越難實現）在線計算量很大較大控制精度優良優良電機參數魯棒性可消除電機參數帶來的影響（引入增廣積分環節）可消除電機參數帶來的影響（引入增廣積分環節）目標函數尋優方式多參數優化或并行運算多參數優化或并行運算電壓矢量輸出任意幅值、相角的電壓矢量任意幅值、相角的電壓矢量是否需要調制需要需要根據上述歸納與分析，2種模型預測PMSM電流控制技術有各自的優點和不足。基于電流控制技術當引入增廣積分環節后，電機參數變化對電機驅動控制系統帶來的影響較小;同時能夠通過PWM技術在復平面上輸出任意幅值與相角的電壓矢量從而達到更高的控制精度與要求，具有控制穩態性能優良等優點。但是基于電流控制技術由于是通過多參數優化解法或者并行運算的方式進行目標函數尋優，因此增加了VSIFED的電機系統計算負擔。在現有的主控芯片（DSP、FPGA等）對數字信號處理能力現狀下，CCSMPC電流控制技術實現起來較為困難。MP1CCM2PCCM3PCC實現方式簡單一般一般在線計算量較小一般較大控制精度一般較好優良電機參數魯棒性對電機參數較為敏感對電機參數較為敏感對電機參數較為敏感目標函數尋優方式在線窮舉尋優在線窮舉尋優在線窮舉尋優電壓矢量輸出6個有效基本電壓矢量、2個零電壓矢量6個有效基本電壓矢量、2個零電壓矢量6個有效基本電壓矢量、2個零電壓矢量是否需要調制不需要不需要不需要基于電流控制技術與連續集相比，具有在線計算量小、實現方式簡單、無需調制環節等優點。但是由于有限集是通過6個基本電壓矢量以及零電壓矢量來合成的電壓矢量Us，因此有限集控制技術的穩態性能不高、相對連續集而言，其控制精度較低。電機參數變化給電機驅動控制系統帶來的影響較為敏感。

結語：PMLSM推力密度大、控制精度髙、動態響應快、機械損耗小，被廣泛應用在數控車床、機器人系統、光刻機等高精度設備中。永磁同步電機（PMSM）驅動控制技術的性能直接決定著整個電機驅動系統的性能。由于模型預測控制（MPC）技術可以對多輸入多輸出（MIMO）系統進行滾動優化控制，且容易施加約束，因此基于MPC的電機驅動技術正逐漸受到關注。回顧并總結了近年來國內外學者在基于MPC的PMSM電流控制方面所做的研究，并對現有技術中的基于單矢量、雙矢量以及三矢量的電流控制技術進行了建模并進行了電流輸出波形分析。

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