- 頭條改進的永磁同步電機預測電流控制策略2019-12-19 作者：康勁松、李旭東 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語同濟大學電子與信息工程學院的研究人員康勁松、李旭東等，在2018年第24期《電工技術學報》上撰文（論文標題為“計及參數誤差的永磁同步電機最優虛擬矢量預測電流控制”）指出，受電壓矢量數目限制，引入占空比優化的有限集預測控制存在較大電流脈動，且電流預測精度對電機參數依賴性較高。運行中電機參數受磁飽和等因素的影響實時變化，電流控制精度降低。為此，提出一種基于最優虛擬矢量的改進預測電流控制策略。 通過基本電壓矢量合成虛擬矢量，拓展電壓指令范圍至六邊形區域。采用無差拍控制原理計算最優虛擬矢量所處扇區，確定所需基本矢量，減少電流預測計算次數。在此基礎上，設計帶有預測誤差反饋校正的評價函數，計算各基本矢量作用時間，構建最優虛擬矢量提升電流控制精度。 所提出的改進預測電流控制策略顯著降低了計算時間和電流脈動，并且具有較強的參數魯棒性。基于兩電平逆變器永磁同步電機驅動系統進行仿真和實驗，結果驗證了策略的有效性。
永磁同步電機（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）以其高功率密度和高能量密度廣泛應用于電動汽車和軌道交通牽引傳動等領域。與此同時，永磁同步電機驅動系統高性能控制策略的研究受到了廣泛關注。
模型預測控制（Model Predictive Control, MPC）基于預測模型考慮控制量對未來輸出的影響，具有動態響應快和便于處理非線性優化問題的特點，隨著數字處理器運算性能的提升，在電機驅動領域得到廣泛應用。有限控制集模型預測控制（Finite Control Set Model Predictive Control, FCS-MPC）將模型預測與逆變器的開關狀態相結合，由于其結構簡單，無需參數整定，在電機驅動系統中得到了較多的研究。
FCS-MPC通過預測逆變器各開關狀態對應電壓矢量的控制效果選取最優矢量，電流響應速度快，但引入較大的電流諧波和轉矩脈動。為改善FCS-MPC的控制效果，國內外學者提出了多種改進策略。
文獻[8]將控制周期等分成三段，每段時間內選用不同的基本矢量構建38個虛擬矢量，相比僅采用基本矢量，電流脈動和諧波含量有一定減小。文獻[9]設計評價函數求解單矢量作用的最優占空比，采用幅值可變的電壓矢量有效減小電流諧波，策略實用性較高，但電壓矢量相角固定。
文獻[10,11]結合矢量選擇與作用時間計算，拓展矢量幅值相角選擇范圍。在每個扇區內構建不同相角的虛擬矢量，并計算最優的電壓矢量作用時間。但隨著控制集拓展，控制效果提升的同時，預測計算的復雜度相應增加，導致控制策略計算量增加。文獻[8,12]研究了采用無差拍原理減少預測計算次數的方法，僅比較無差拍控制電壓參考值所在扇區內的電壓矢量，顯著減小計算量。
此外，在永磁同步電機運行中，受鐵心磁飽和等因素影響，電機參數實時變化，影響電流預測精確度和控制效果。文獻[13]考慮逆變器非線性，設計在線參數辨識算法，提高策略的參數魯棒性。文獻[14]補償逆變器死區效應帶來的電流畸變，減小模型非線性誤差。
文獻[15]構建了一種具有較強魯棒性的轉矩預測模型，在轉矩預測模型中加入預測誤差補償器，消除參數失配等因素對轉矩預測結果的干擾。文獻[16]通過計算8個基本電壓矢量作用時的預測誤差，采用上一時刻電壓指令對應的預測誤差校正當前時刻的預測結果，參數魯棒性較好。文獻[17-19]引入干擾觀測器對參數誤差引起的擾動進行準確計算，通過觀測結果補償預測誤差，具有準確的參數擾動抑制效果。
針對預測電流控制電流諧波較大、參數依賴性較強等問題，提出一種計及參數誤差的最優虛擬矢量預測電流控制。通過基本電壓矢量合成幅值相角可變的電壓指令，拓展控制集范圍至六邊形區域。在此基礎上，采用無差拍原理確定最優虛擬矢量所處扇區，將預測計算次數從6次減少到1次。設計帶有電流預測誤差反饋校正的評價函數，通過求解最優化問題計算各基本電壓矢量作用時間，提高電流控制效果和參數魯棒性，并且采用一拍預測補償數字控制系統中的控制延時。
仿真和實驗結果表明本文所提出的策略可有效降低電流脈動和諧波含量，并且具有較強的參數魯棒性。
圖2 改進預測電流控制策略框圖
結論
本文在分析永磁同步電機電感誤差對電流預測影響的基礎上，提出一種計及參數誤差的永磁同步電機最優虛擬矢量預測電流控制。基于無差拍原理快速判斷最優電壓矢量所處扇區，將控制策略中預測計算的次數從6次減少到1次，減小計算量，提高控制策略的實用性。采用由基本電壓矢量合成的最優虛擬電壓矢量，將控制集從有限個數擴展到基本電壓矢量構成的六邊形區域內，提高電流控制精度。評價函數引入預測誤差反饋校正，補償預測誤差，提高策略的參數魯棒性。
仿真和實驗結果均表明，本文提出的控制策略在不同工況下控制效果良好。相比于單矢量占空比優化MPC可以減小電流THD 70%左右，電流動態響應特性有一定提升。并且在電感失配±30%范圍內均能保證相同的控制效果，具有較強的參數魯棒性。
