永磁同步直線電機(jī)電流預(yù)測控制方法研究

蘇森

摘要：針對永磁同步直線電機(jī)（PMLSM）電流預(yù)測控制中因參數(shù)不匹配和延時(shí)導(dǎo)致的電流誤差和振蕩問題，提出了一種帶延時(shí)補(bǔ)償?shù)腜MLSM改進(jìn)電流預(yù)測控制來實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的電流控制。為獲得髙帶寬電流控制特性，構(gòu)建一種帶延時(shí)補(bǔ)償?shù)臄?shù)字電流預(yù)測控制器

關(guān)鍵詞：永磁同步直線電機(jī);電流預(yù)測;方法：

1PMSLM的結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的PMSLM三維結(jié)構(gòu)示意圖.繞組采用分?jǐn)?shù)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(jī)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(zhuǎn)電機(jī)，直線電機(jī)很難實(shí)現(xiàn)鐵心斜齒的結(jié)構(gòu)，只能采用永磁體斜極結(jié)構(gòu)來削弱PMSLM的定位力。削弱PMSLM的定位力。

2PMLSM模型建立

假設(shè)電機(jī)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(chǎn)生的磁動(dòng)勢是正弦分布，則在軸坐標(biāo)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(dòng)子電角速度為電機(jī)極對數(shù)，叫為動(dòng)子角速度，

4改進(jìn)電流預(yù)測控制

帶有延時(shí)補(bǔ)償?shù)碾娏黝A(yù)測控制電流預(yù)測控制的工作原理是：假設(shè)參數(shù)擾動(dòng)值D（A〇己知，在當(dāng)前周期的初始時(shí)刻，根據(jù)電流。參考指令7*0+1）和第A個(gè)周期的采樣電流/（々），根據(jù)式（4）所示的離散化電壓模型，可得到第A個(gè)采樣周期的電壓參考指令若將電壓參考指令施加在電機(jī)上，經(jīng)過一個(gè)周期后，電機(jī)的實(shí)際電流/（fc+1）可以跟蹤上參考電流7*0+1）。傳統(tǒng)電流預(yù)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(shè)控制周期遠(yuǎn)大于估計(jì)時(shí)間，并沒有考慮系統(tǒng)延時(shí)。實(shí)際上控制周期很小時(shí)，由數(shù)字控制所引起的系統(tǒng)延時(shí)就不可忽略，這種延時(shí)會(huì)導(dǎo)致電流控制不穩(wěn)定。因此，要合理設(shè)計(jì)方法來解決這一問題。由于從計(jì)算出電壓參考指令到電壓指令加載到電機(jī)上中間需一個(gè)周期時(shí)間，因此可直接計(jì)算下一個(gè)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(gè)采樣周期的估計(jì)電流值。根據(jù)式（4）可以對&A+1）進(jìn)行估計(jì)，得：i（k+l）=H￣'[U（k）-GI（k）-＼-D（k）]（7）結(jié)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(jīng)過延時(shí)補(bǔ)償后實(shí)際電流在兩個(gè)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(shù)以及電流控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式、在線計(jì)算量、控制精度、電機(jī)參數(shù)魯棒性、目標(biāo)函數(shù)尋優(yōu)方式、電壓矢量輸出、實(shí)現(xiàn)難易程度、是否需要調(diào)制環(huán)節(jié)等方面進(jìn)行歸納與對比，如表1、表2所示。表1基于連續(xù)集模型預(yù)測電流控制技術(shù)比較控制方案CCS-MPC（廣義）（顯式）實(shí)現(xiàn)方式復(fù)雜較難（分區(qū)數(shù)目越大、越難實(shí)現(xiàn)）在線計(jì)算量很大較大控制精度優(yōu)良優(yōu)良電機(jī)參數(shù)魯棒性可消除電機(jī)參數(shù)帶來的影響（引入增廣積分環(huán)節(jié)）可消除電機(jī)參數(shù)帶來的影響（引入增廣積分環(huán)節(jié)）目標(biāo)函數(shù)尋優(yōu)方式多參數(shù)優(yōu)化或并行運(yùn)算多參數(shù)優(yōu)化或并行運(yùn)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(diào)制需要需要根據(jù)上述歸納與分析，2種模型預(yù)測PMSM電流控制技術(shù)有各自的優(yōu)點(diǎn)和不足。基于電流控制技術(shù)當(dāng)引入增廣積分環(huán)節(jié)后，電機(jī)參數(shù)變化對電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)帶來的影響較小;同時(shí)能夠通過PWM技術(shù)在復(fù)平面上輸出任意幅值與相角的電壓矢量從而達(dá)到更高的控制精度與要求，具有控制穩(wěn)態(tài)性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。但是基于電流控制技術(shù)由于是通過多參數(shù)優(yōu)化解法或者并行運(yùn)算的方式進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)尋優(yōu)，因此增加了VSIFED的電機(jī)系統(tǒng)計(jì)算負(fù)擔(dān)。在現(xiàn)有的主控芯片（DSP、FPGA等）對數(shù)字信號處理能力現(xiàn)狀下，CCSMPC電流控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)起來較為困難。MP1CCM2PCCM3PCC實(shí)現(xiàn)方式簡單一般一般在線計(jì)算量較小一般較大控制精度一般較好優(yōu)良電機(jī)參數(shù)魯棒性對電機(jī)參數(shù)較為敏感對電機(jī)參數(shù)較為敏感對電機(jī)參數(shù)較為敏感目標(biāo)函數(shù)尋優(yōu)方式在線窮舉尋優(yōu)在線窮舉尋優(yōu)在線窮舉尋優(yōu)電壓矢量輸出6個(gè)有效基本電壓矢量、2個(gè)零電壓矢量6個(gè)有效基本電壓矢量、2個(gè)零電壓矢量6個(gè)有效基本電壓矢量、2個(gè)零電壓矢量是否需要調(diào)制不需要不需要不需要基于電流控制技術(shù)與連續(xù)集相比，具有在線計(jì)算量小、實(shí)現(xiàn)方式簡單、無需調(diào)制環(huán)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)。但是由于有限集是通過6個(gè)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(shù)的穩(wěn)態(tài)性能不高、相對連續(xù)集而言，其控制精度較低。電機(jī)參數(shù)變化給電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)帶來的影響較為敏感。

結(jié)語：PMLSM推力密度大、控制精度髙、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、機(jī)械損耗小，被廣泛應(yīng)用在數(shù)控車床、機(jī)器人系統(tǒng)、光刻機(jī)等高精度設(shè)備中。永磁同步電機(jī)（PMSM）驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的性能直接決定著整個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能。由于模型預(yù)測控制（MPC）技術(shù)可以對多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)進(jìn)行滾動(dòng)優(yōu)化控制，且容易施加約束，因此基于MPC的電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)正逐漸受到關(guān)注?；仡櫜⒖偨Y(jié)了近年來國內(nèi)外學(xué)者在基于MPC的PMSM電流控制方面所做的研究，并對現(xiàn)有技術(shù)中的基于單矢量、雙矢量以及三矢量的電流控制技術(shù)進(jìn)行了建模并進(jìn)行了電流輸出波形分析。

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