永磁同步電機(jī)高性能電流預(yù)測(cè)控制

章回炫 范 濤 邊元均 溫旭輝 孫鴻雁

永磁同步電機(jī)高性能電流預(yù)測(cè)控制

章回炫1,2范 濤1,2邊元均1,2溫旭輝1,2孫鴻雁1

（1. 中國(guó)科學(xué)院電工研究所 北京 100190 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

高性能永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)電流環(huán)的動(dòng)態(tài)性能要求很高，傳統(tǒng)的PI控制帶寬有限，且易出現(xiàn)超調(diào)等現(xiàn)象，基于電流預(yù)測(cè)的無(wú)差拍控制具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。為此，提出了一種在同步旋轉(zhuǎn)軸系下改進(jìn)時(shí)序的電流預(yù)測(cè)無(wú)差拍控制算法。通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)電流預(yù)測(cè)無(wú)差拍控制的時(shí)序分析，電流控制器對(duì)電流指令進(jìn)行分段采樣，基于永磁同步電機(jī)交直軸電壓方程模型得到電壓指令的補(bǔ)償值，消除了原有電流指令滯后一拍的計(jì)算延時(shí)。同時(shí)，分析功率器件非理想因素與延時(shí)效應(yīng)對(duì)電壓狀態(tài)量產(chǎn)生的偏差，引入電壓重構(gòu)算法，減小狀態(tài)量誤差對(duì)電流跟蹤精度的影響。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)無(wú)差拍電流預(yù)測(cè)控制相比，改進(jìn)后的電流預(yù)測(cè)控制算法有效地提高了電流環(huán)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度。

永磁同步電機(jī) 電流預(yù)測(cè) 無(wú)差拍控制 時(shí)序優(yōu)化 電壓重構(gòu)

0 引言

由于功率密度高、效率高等特性，永磁同步電機(jī)（Permanent Magnetic Synchronous Motor, PMSM）在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-4]。電流環(huán)作為永磁同步電機(jī)控制的最內(nèi)環(huán)，其響應(yīng)速度是控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的關(guān)鍵。

永磁同步電機(jī)電流環(huán)傳統(tǒng)的控制方法為PI調(diào)節(jié)器控制，PI調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且魯棒性較好。通過(guò)增大PI調(diào)節(jié)器的增益可以提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，但過(guò)大的增益會(huì)造成超調(diào)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，實(shí)際控制中需要同時(shí)兼顧控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，在高性能應(yīng)用場(chǎng)合會(huì)受到限制[5-6]。相較于PI調(diào)節(jié)器控制，預(yù)測(cè)控制在保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的條件下，能夠獲得更好的動(dòng)態(tài)性能，在電機(jī)控制領(lǐng)域有很好的應(yīng)用潛力。

預(yù)測(cè)控制的思想是根據(jù)現(xiàn)有時(shí)刻的輸入和歷史輸入輸出信息，預(yù)測(cè)過(guò)程未來(lái)的輸出狀態(tài)，并以此指導(dǎo)控制量設(shè)計(jì)[7-14]。文獻(xiàn)[7]中運(yùn)用有限控制集模型電流預(yù)測(cè)控制的思想，分析八種空間矢量對(duì)系統(tǒng)輸出的影響，制定相應(yīng)的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，選出最合適的空間矢量并輸出，但這種控制方案電流紋波比較大。文獻(xiàn)[8]提出一種預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制策略，通過(guò)建立轉(zhuǎn)矩預(yù)測(cè)模型，以保證在參數(shù)失配的情況下仍能獲得較為精確的轉(zhuǎn)矩和磁鏈預(yù)測(cè)值，克服電機(jī)參數(shù)失配帶來(lái)的性能降低問(wèn)題，從而提升預(yù)測(cè)算法的整體控制性能。文獻(xiàn)[9]在轉(zhuǎn)矩電流環(huán)控制中采用并聯(lián)積分器的預(yù)測(cè)控制方法，通過(guò)改進(jìn)占空比更新策略使電流控制延時(shí)縮短至1.5個(gè)控制周期，并有效降低對(duì)參數(shù)準(zhǔn)確性的依賴(lài)。文獻(xiàn)[10-14]均采用無(wú)差拍預(yù)測(cè)控制思想，基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型，預(yù)測(cè)下一拍的輸出狀態(tài)，從而找到一個(gè)控制量使得下一時(shí)刻的系統(tǒng)誤差為零。無(wú)差拍預(yù)測(cè)控制算法動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，穩(wěn)態(tài)諧波含量小，是永磁同步電機(jī)電流預(yù)測(cè)控制的理想方式。其中，文獻(xiàn)[10]提出了一種三矢量預(yù)測(cè)電流控制策略，在每個(gè)扇區(qū)用三個(gè)基本電壓矢量合成期望電壓矢量，在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下利用無(wú)差拍方法計(jì)算矢量作用時(shí)間，減小了電流脈動(dòng)，并提高了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能。文獻(xiàn)[11]在無(wú)差拍控制中引入了魯棒電流預(yù)測(cè)算法，減小了預(yù)測(cè)模型參數(shù)誤差對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，提升了電流環(huán)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度。文獻(xiàn)[12]提出一種改進(jìn)無(wú)差拍預(yù)測(cè)控制算法，修改了電流偏差約束條件和輸出電壓預(yù)測(cè)方法，解決了電感參數(shù)失配引起的控制不穩(wěn)定的問(wèn)題。文獻(xiàn)[13]提出了一種基于虛擬矢量的預(yù)測(cè)電流控制策略，采用無(wú)差拍控制思想，計(jì)算虛擬矢量所在扇區(qū)位置，并設(shè)計(jì)帶有預(yù)測(cè)誤差反饋校正的評(píng)價(jià)函數(shù)，提升了電流控制精度，優(yōu)化了永磁同步電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中性能受參數(shù)變化的問(wèn)題。

無(wú)差拍控制的性能依賴(lài)狀態(tài)量的獲取精度，針對(duì)無(wú)差拍控制中數(shù)字延時(shí)和逆變器非理想因素等對(duì)控制性能造成影響的問(wèn)題，文獻(xiàn)[15-20]提出了相應(yīng)的補(bǔ)償策略。其中，文獻(xiàn)[15-16]通過(guò)擾動(dòng)觀(guān)測(cè)器的形式解決了電壓擾動(dòng)引起的控制性能下降問(wèn)題。文獻(xiàn)[15]將內(nèi)模干擾觀(guān)測(cè)器估計(jì)的系統(tǒng)擾動(dòng)引入含參數(shù)擾動(dòng)的電壓方程，保證觀(guān)測(cè)的狀態(tài)變量不斷逼近準(zhǔn)確的系統(tǒng)狀態(tài)變量，達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)男Ч?。文獻(xiàn)[16]通過(guò)設(shè)計(jì)兩個(gè)并行的擾動(dòng)觀(guān)測(cè)器，達(dá)到對(duì)模型不確定項(xiàng)及由逆變器非線(xiàn)性所引起的擾動(dòng)電壓補(bǔ)償?shù)哪康?，從而減小了電壓擾動(dòng)對(duì)電流控制精度的影響。文獻(xiàn)[17]提出一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)帶通濾波器和擴(kuò)展卡爾曼濾波器相結(jié)合的補(bǔ)償方法。傳統(tǒng)無(wú)差拍控制具有兩拍跟隨效應(yīng)，這是由于固有數(shù)字延時(shí)導(dǎo)致的。針對(duì)電流環(huán)時(shí)序延時(shí)問(wèn)題，文獻(xiàn)[21]提出一種基于現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列（Field Programmable Gate Array, FPGA）的電流過(guò)采樣的方案，提升電流環(huán)控制中的數(shù)據(jù)精度，達(dá)到提升控制性能的目的。文獻(xiàn)[22]提出一種在一個(gè)載波周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)兩次電流采樣占空比更新的控制策略，擴(kuò)展了電流環(huán)帶寬，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。這種方案雖然不以提高脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation, PWM）開(kāi)關(guān)頻率為前提，但是要求主程序在半個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)執(zhí)行完畢。文獻(xiàn)[9]在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)單次采樣單次更新占空比的前提下，將占空比更新與采樣錯(cuò)開(kāi)半個(gè)周期進(jìn)行，從而縮短了半個(gè)周期延時(shí)。

本文以永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，通過(guò)分析傳統(tǒng)無(wú)差拍電流預(yù)測(cè)控制時(shí)序，提出一種改進(jìn)時(shí)序的電流預(yù)測(cè)算法，消除電流指令計(jì)算的一拍延時(shí)，進(jìn)一步提升電流的響應(yīng)速度。同時(shí)，考慮功率器件非理想因素及數(shù)字延遲對(duì)電壓狀態(tài)量的影響，提出一種電壓重構(gòu)算法，解決了參考電壓不準(zhǔn)引起的電流預(yù)測(cè)偏差問(wèn)題，并減小了永磁同步電機(jī)的電流諧波。

1 永磁同步電機(jī)矢量控制

1.1 永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型

永磁同步電機(jī)是一個(gè)非線(xiàn)性、強(qiáng)耦合的系統(tǒng)，為了方便研究，作如下假設(shè)：①忽略電機(jī)鐵心飽和，不計(jì)渦流和磁滯損耗；②三相繞組對(duì)稱(chēng)分布；③相繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為正弦波。

在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，PMSM的電壓方程為

式中，d、q和d、q分別為定子直、交軸電壓和電流；為定子電阻；d、q分別為定子直、交軸電感；f為永磁磁鏈；e為轉(zhuǎn)子電角頻率。

1.2 永磁同步電機(jī)矢量控制

永磁同步電機(jī)電流環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。數(shù)字控制器在每個(gè)控制周期，通過(guò)采樣得到母線(xiàn)電壓、三相電流和轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，計(jì)算得出參考電壓值，并調(diào)制獲得三相逆變器的PWM信號(hào)，達(dá)到對(duì)電機(jī)定子電流控制的目的。圖中，*d、*q,*d、*q和*α、*β分別為定子直、交軸電流、電壓指令值及靜止坐標(biāo)系α、β軸電壓指令值；a、b、c為定子三相電流；為轉(zhuǎn)子位置角。

圖1 永磁同步電機(jī)電流環(huán)控制系統(tǒng)框圖

2 傳統(tǒng)無(wú)差拍電流預(yù)測(cè)控制

電流環(huán)傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器控制思想為，利用當(dāng)前指令值ref與實(shí)際值的差值調(diào)節(jié)生成參考電壓矢量，從而改變電流輸出，達(dá)到跟隨指令值的目的。與該方式不同，基于電流預(yù)測(cè)的控制方式，是利用永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，建立參考電壓矢量和電流輸出的關(guān)系，提前一拍計(jì)算得到電流預(yù)測(cè)值，并以此來(lái)指導(dǎo)生成最優(yōu)的參考電壓矢量。實(shí)際系統(tǒng)中，電流環(huán)控制的時(shí)序如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)電流環(huán)數(shù)字控制時(shí)序

s為載波周期時(shí)長(zhǎng)，則在第個(gè)載波周期[s, (+1)s]內(nèi)，對(duì)式（1）進(jìn)行離散化，得到永磁同步電機(jī)的離散化數(shù)學(xué)模型如式（2）所示。由于轉(zhuǎn)速環(huán)帶寬遠(yuǎn)小于電流環(huán)帶寬，在一個(gè)控制周期內(nèi)可忽略轉(zhuǎn)速變化帶來(lái)的影響。

其中

控制器在s時(shí)刻采樣得到實(shí)際電流矢量()，并根據(jù)上一拍計(jì)算得到的當(dāng)前拍參考電壓矢量()，可以得到下一拍的電流矢量預(yù)測(cè)p(+1)，預(yù)測(cè)方程為

根據(jù)預(yù)測(cè)電流矢量和參考電流矢量，可計(jì)算得到使電流誤差為0的最優(yōu)參考電壓矢量p(+1)，即

其中

式中，d_ref()、q_ref()為第拍直、交軸電流參考值；d_p(+1)、q_p(+1)為第拍預(yù)測(cè)得到的+1拍直、交軸電流值。

又因?yàn)?/p>

結(jié)合式（2）～式（5），可以得到

其中

展開(kāi)式（6）并將式（2）代入，可得

根據(jù)上述分析繪制傳統(tǒng)無(wú)差拍電流預(yù)測(cè)控制結(jié)構(gòu)如圖3所示，并且由式（7）可知，該控制系統(tǒng)具有兩拍跟隨特性。

圖3 傳統(tǒng)無(wú)差拍電流預(yù)測(cè)控制結(jié)構(gòu)

3 基于時(shí)序優(yōu)化的無(wú)差拍電流預(yù)測(cè)控制

傳統(tǒng)無(wú)差拍電流預(yù)測(cè)控制沿用了控制器下溢點(diǎn)采樣延遲一拍更新的策略，上位機(jī)指令下發(fā)與實(shí)際接收的時(shí)間差使得電流指令已滯后一個(gè)控制周期。為了對(duì)傳統(tǒng)更新時(shí)序的這種弊端進(jìn)行優(yōu)化，針對(duì)電流環(huán)時(shí)序進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的時(shí)序如圖4所示。

圖4 改進(jìn)的電流環(huán)數(shù)字控制時(shí)序

改進(jìn)時(shí)序下，電流環(huán)執(zhí)行程序包含原有主中斷和指令校正兩個(gè)中斷程序。主中斷程序執(zhí)行原有電流環(huán)采樣、坐標(biāo)變換和發(fā)波等各環(huán)節(jié)；指令校正中斷負(fù)責(zé)對(duì)由于電流指令變化造成的電壓指令偏差進(jìn)行校正，上位機(jī)與下位機(jī)在兩個(gè)中斷之間進(jìn)行信息交互。圖5所示為時(shí)序優(yōu)化的無(wú)差拍電流預(yù)測(cè)控制具體實(shí)現(xiàn)流程，圖中a、b、c分別為三相橋臂上管的實(shí)際導(dǎo)通時(shí)間。

指令校正中斷程序在下溢點(diǎn)占空比更新前對(duì)電流環(huán)參考值的變化進(jìn)行判斷，若指令發(fā)生變化，則將變化指令部分對(duì)應(yīng)的參考電壓進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償電壓如式（8）所示，并更新占空比；若指令沒(méi)有變化，則直接跳出。電流指令為常值時(shí)，電流環(huán)更新時(shí)序與傳統(tǒng)無(wú)差拍預(yù)測(cè)控制相同，對(duì)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)性能不會(huì)造成影響；當(dāng)電流指令值變化時(shí)，指令變化直接

圖5 新時(shí)序中斷執(zhí)行流程

體現(xiàn)在參考電壓上，從而減小指令響應(yīng)時(shí)間，提升系統(tǒng)帶寬。由于電壓指令優(yōu)化部分代碼量小，對(duì)數(shù)字控制系統(tǒng)基本不產(chǎn)生影響。

其中

將式（8）代入式（4），可得

式（9）為新時(shí)序下的預(yù)測(cè)電壓方程，將式（2）、式（3）和式（5）分別代入式（9）中，可以得到

根據(jù)上述分析繪制時(shí)序優(yōu)化后的無(wú)差拍電流預(yù)測(cè)控制結(jié)構(gòu)如圖6所示。由式（10）可以看出，優(yōu)化后的電流控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了“準(zhǔn)一拍”跟隨。

圖6 改進(jìn)時(shí)序的無(wú)差拍電流預(yù)測(cè)控制結(jié)構(gòu)

4 基于電壓重構(gòu)的預(yù)測(cè)控制算法改進(jìn)

傳統(tǒng)理想無(wú)差拍電流預(yù)測(cè)控制算法能夠?qū)崿F(xiàn)指令電流的兩拍跟隨，但由于狀態(tài)量精度及控制延時(shí)等各種因素，實(shí)際電流跟蹤速度往往會(huì)受到影響。

功率器件在開(kāi)關(guān)過(guò)程中的壓降和導(dǎo)通關(guān)斷時(shí)間、防止逆變器橋臂直通設(shè)置的死區(qū)時(shí)間以及功率器件本身的壓降，導(dǎo)致逆變器輸出電壓畸變?；冸妷簳?huì)導(dǎo)致電流預(yù)測(cè)值出現(xiàn)偏差，從而影響無(wú)差拍電流預(yù)測(cè)控制的精度和響應(yīng)速度。

以逆變器A相為例，功率器件非理想因素對(duì)三相逆變器輸出電壓的影響如圖7所示。圖中、分別為圖1中a點(diǎn)與n點(diǎn)之間輸出電壓的理想值與實(shí)際值；sw為功率器件的正向?qū)▔航?；d為二極管壓降；dc為母線(xiàn)電壓；on為開(kāi)通延時(shí)；off為關(guān)斷延時(shí)；d為死區(qū)時(shí)間。

圖7 逆變器非理想因素影響示意圖

假設(shè)電流方向在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)不發(fā)生變化，三相逆變器輸出相電壓表達(dá)式可歸納為

在三相對(duì)稱(chēng)負(fù)載中，相電壓滿(mǎn)足

式中，uo為三相繞組與電機(jī)中性點(diǎn)間的電壓；un為三相繞組與直流母線(xiàn)負(fù)端的電壓；on為電機(jī)中性點(diǎn)與直流母線(xiàn)負(fù)端的電壓。

從而得出A相電壓誤差值ao_err的表達(dá)式為

其中

式中，*a、*b、*c分別為三相橋臂上管的理想導(dǎo)通時(shí)間。

根據(jù)式（14）可知誤差電壓與開(kāi)關(guān)管的通斷延時(shí)、功率器件管壓降、死區(qū)時(shí)間及母線(xiàn)電壓的關(guān)系，根據(jù)這種關(guān)系可以直接計(jì)算誤差電壓的數(shù)值，對(duì)三相電壓誤差進(jìn)行坐標(biāo)變換便可以獲得在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的誤差電壓為

由于死區(qū)導(dǎo)致的零電流鉗位效應(yīng)，使電流過(guò)零時(shí)電流方向的判斷會(huì)出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致重構(gòu)電壓的不準(zhǔn)確，為此可以用三相電流的參考值作為電流方向的判斷條件，從而避免這種現(xiàn)象。

同時(shí)，由于數(shù)字控制延時(shí)和PWM固有延時(shí)的存在，電機(jī)控制中Ipark變換時(shí)采用的電角度信號(hào)與真實(shí)電角度存在滯后角度d，導(dǎo)致指令電壓與實(shí)際電壓存在誤差，實(shí)際控制中需要對(duì)角度進(jìn)行補(bǔ)償?？紤]逆變器非理想因素和控制延時(shí)的電壓重構(gòu)算法如圖8所示。圖中，*a、*b、*c分別為三相定子電流給定值；dcom、qcom-為電流控制器輸出電壓。

圖8 電壓重構(gòu)結(jié)構(gòu)框圖

5 仿真分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證改進(jìn)無(wú)差拍電流預(yù)測(cè)算法的有效性，基于Simulink仿真平臺(tái)搭建了本算法的仿真模型。同時(shí)，搭建了基于TI公司的TMS320F28335DSP作為主控芯片的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。仿真與實(shí)驗(yàn)中直流母線(xiàn)電壓均為200V，逆變器開(kāi)關(guān)頻率s=5kHz，功率器件死區(qū)為3μs。仿真用永磁同步電機(jī)采用實(shí)際永磁同步電機(jī)的參數(shù)模型，詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 永磁同步電機(jī)參數(shù)

5.1 仿真分析

仿真的目的在于對(duì)比改進(jìn)時(shí)序后電流預(yù)測(cè)控制方法的性能以及電壓重構(gòu)算法的有效性。仿真時(shí)，參照?qǐng)D1搭建Simulink仿真平臺(tái)，被測(cè)電機(jī)設(shè)置為轉(zhuǎn)速輸入模式，讓電機(jī)僅運(yùn)行電流環(huán)，電流指令按照預(yù)設(shè)方式給定。電機(jī)運(yùn)行工況為300r/min，采用d=0的控制策略。

圖9給出了傳統(tǒng)無(wú)差拍電流預(yù)測(cè)控制的電流響應(yīng)波形及相電流快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform, FFT）分析，q軸電流指令在=0.05s時(shí)從0階躍至20A?？梢钥闯?，由于控制延時(shí)和逆變器死區(qū)等非理想因素的存在，導(dǎo)致電流跟蹤存在靜態(tài)偏差，且相電流波形中5、7次諧波含量很重，占基頻百分比分別為6.8%和4.1%。

圖10為電壓重構(gòu)后無(wú)差拍電流預(yù)測(cè)控制電流響應(yīng)波形，在原有控制基礎(chǔ)上，增加了電壓重構(gòu)算法，其余仿真工況與圖9相同。對(duì)比圖9和圖10可知，電壓重構(gòu)算法能有效消除逆變器非理想因素和控制延時(shí)引起的狀態(tài)量偏差，無(wú)靜差跟隨電流指令。傳統(tǒng)的無(wú)差拍電流預(yù)測(cè)控制具有兩拍的跟隨效果，與理論分析結(jié)論一致。

圖10 電壓重構(gòu)后無(wú)差拍電流預(yù)測(cè)控制電流響應(yīng)仿真波形

圖11為在新時(shí)序控制條件下，其他工況與圖9相同的無(wú)差拍電流預(yù)測(cè)控制響應(yīng)仿真波形。對(duì)比圖9和圖11可以看出，新時(shí)序下電流環(huán)輸出對(duì)指令響應(yīng)時(shí)間為1個(gè)控制周期，但是電流輸出有穩(wěn)態(tài)偏差，且其諧波含量和穩(wěn)態(tài)值與傳統(tǒng)無(wú)差拍電流預(yù)測(cè)控制基本相同，說(shuō)明改進(jìn)時(shí)序基本不影響電流環(huán)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。

圖11 改進(jìn)時(shí)序的無(wú)差拍電流預(yù)測(cè)控制響應(yīng)仿真波形

圖12給出了加入電壓重構(gòu)算法的改進(jìn)時(shí)序無(wú)差拍電流預(yù)測(cè)控制的電流響應(yīng)波形及相電流FFT分析。可以看出，改進(jìn)時(shí)序后的控制方法對(duì)指令信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間為1個(gè)控制周期，與理論分析的結(jié)果吻合。相對(duì)于傳統(tǒng)無(wú)差拍電流預(yù)測(cè)控制兩拍跟隨的控制效果，改進(jìn)后的預(yù)測(cè)控制方法對(duì)電流指令信號(hào)的響應(yīng)速度更快。同時(shí)，對(duì)比圖10和圖12可知，改進(jìn)后的算法并不會(huì)影響電機(jī)的穩(wěn)態(tài)性能。

5.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖13所示，逆變橋由英飛凌公司型號(hào)為FS800R07A2E3的IGBT組成，兩臺(tái)永磁同步電機(jī)同軸旋轉(zhuǎn)，構(gòu)成了對(duì)拖系統(tǒng)，其中被測(cè)電機(jī)工作在電流環(huán)模式，另一臺(tái)電機(jī)工作在轉(zhuǎn)速環(huán)模式，以達(dá)到穩(wěn)速的目的。電機(jī)運(yùn)行工況為300r/min，采用d=0的控制策略。

圖13 對(duì)拖實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖14給出了傳統(tǒng)無(wú)差拍電流預(yù)測(cè)控制的電流響應(yīng)波形，q軸電流指令在某一時(shí)刻從0階躍至20A。可以看出，由于控制延時(shí)和逆變器死區(qū)等非理想因素的存在，導(dǎo)致電流跟蹤存在靜態(tài)偏差。其中，A相電流波形由交流電流鉗在示波器上得到，q軸電流由CAN通信以5kHz的速率傳至上位機(jī)獲得。

圖14 傳統(tǒng)無(wú)差拍電流預(yù)測(cè)控制電流響應(yīng)實(shí)驗(yàn)波形

圖15給出了增加電壓重構(gòu)算法后的電流響應(yīng)波形，其余實(shí)驗(yàn)工況與圖14相同。對(duì)比圖14和圖15可知，電壓重構(gòu)算法能有效消除逆變器非理想因素和控制延時(shí)引起的狀態(tài)量偏差，無(wú)靜差跟隨電流指令。通過(guò)相電流FFT分析可知，電機(jī)電流中的5、7次諧波大大降低。

實(shí)驗(yàn)中，由于電流采樣存在噪聲問(wèn)題，導(dǎo)致實(shí)際電流波形存在比較大的“毛刺”，但是并不會(huì)影響算法的執(zhí)行效果?？紤]電流紋波效應(yīng)，以q軸電流第一次達(dá)到指令值的90%作為響應(yīng)時(shí)間。

圖14a中未經(jīng)電壓重構(gòu)的系統(tǒng)q軸電流響應(yīng)時(shí)間為4個(gè)控制周期，且電流跟隨存在穩(wěn)態(tài)偏差。圖15a中電壓重構(gòu)后q軸電流的響應(yīng)時(shí)間為2個(gè)控制周期，與傳統(tǒng)無(wú)差拍控制的兩拍跟隨效應(yīng)相符。同時(shí)，通過(guò)對(duì)q軸電流的動(dòng)態(tài)響應(yīng)可知，在電流指令發(fā)生變化一拍后，實(shí)際電流才開(kāi)始響應(yīng)，這也印證了在傳統(tǒng)更新時(shí)序中電流指令下發(fā)與控制指令更新存在一拍天然的延時(shí)效應(yīng)。對(duì)比圖14b、圖14c和圖15b、圖15c可知，電壓重構(gòu)后相電流中的5、7次諧波顯著減小，相電流的總諧波畸變率（Total Harmonic Distortion, THD）也相應(yīng)降低。

圖15 電壓重構(gòu)后無(wú)差拍電流預(yù)測(cè)控制電流實(shí)驗(yàn)波形

圖16給出了改進(jìn)時(shí)序后的電流響應(yīng)波形，其余實(shí)驗(yàn)工況與圖14相同?？梢钥闯觯倪M(jìn)了電流環(huán)控制時(shí)序后，q軸電流響應(yīng)時(shí)間為一個(gè)控制周期。在傳統(tǒng)的電流環(huán)時(shí)序下，當(dāng)前拍的電流指令需要在下個(gè)周期才能被控制算法采樣到，導(dǎo)致電流指令本身存在一個(gè)控制周期的滯后。改進(jìn)時(shí)序后的電流預(yù)測(cè)控制方法避免了這種問(wèn)題的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電流指令更快速的跟蹤。但是電流輸出有穩(wěn)態(tài)偏差，對(duì)比圖14b、圖14c和圖16b、圖16c可知，改進(jìn)時(shí)序后的無(wú)差拍電流預(yù)測(cè)控制諧波含量和穩(wěn)態(tài)值與傳統(tǒng)無(wú)差拍電流預(yù)測(cè)控制基本相同，說(shuō)明改進(jìn)時(shí)序基本不影響電流環(huán)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。

圖17給出了加入電壓重構(gòu)算法的改進(jìn)時(shí)序無(wú)差拍電流預(yù)測(cè)控制的電流響應(yīng)波形，對(duì)比圖14～圖17可知，改進(jìn)時(shí)序的算法能有效提升電流環(huán)響應(yīng)速度，同時(shí)基本不會(huì)影響電機(jī)的穩(wěn)態(tài)性能，電壓重構(gòu)算法能有效降低電壓偏差對(duì)電流環(huán)控制的影響。

圖16 改進(jìn)時(shí)序的無(wú)差拍電流預(yù)測(cè)控制電流實(shí)驗(yàn)波形

6 結(jié)論

本文針對(duì)永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)提出一種高動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能的電流環(huán)控制方案，在傳統(tǒng)無(wú)差拍電流預(yù)測(cè)控制方案的基礎(chǔ)上，優(yōu)化控制時(shí)序，進(jìn)一步提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，得出以下結(jié)論：

1）改進(jìn)時(shí)序后的電流環(huán)控制消除了電流指令滯后一拍的計(jì)算延時(shí)，相對(duì)于傳統(tǒng)無(wú)差拍電流預(yù)測(cè)控制算法，本方案電流的響應(yīng)速度更快。

2）功率器件非理想因素和控制延時(shí)帶來(lái)的狀態(tài)量偏差不可避免地造成電流跟隨的靜態(tài)偏差，本方案所提出的電壓重構(gòu)策略能夠有效避免這種問(wèn)題的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)電流的無(wú)靜差跟隨。

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Predictive Current Control Strategy of Permanent Magnet Synchronous Motors with High Performance

Zhang Huixuan1,2Fan Tao1,2Bian Yuanjun1,2Wen Xuhui1,2Sun Hongyan1

（1. Institute of Electrical Engineering Chinese Academy of Sciences Beijing 100190 China 2. University of Chinese Academy of Sciences Beijing 100049 China）

High performance control system of permanent magnet synchronous motor (PMSM) requires high dynamic performance of current loop. Traditional PI control method has limited bandwidth and is prone to overshoot. The deadbeat control algorithm based on current prediction has a good dynamic performance. Therefore, an improved deadbeat control algorithm based on timing optimization is proposed. The current controller samples the current instruction piecewise, then calculates the compensation value of the voltage instruction, thus eliminating the one beat lagging of the original current instruction. Meanwhile, the deviation of voltage caused by non-ideal factors of power devices and time delay effect is analyzed, and a voltage reconstruction algorithm is introduced to reduce the influence of instruction error on current tracking precision. Simulation and experimental results showed that the improved current prediction algorithm can effectively improve both the dynamic performance and steady-state precision of the current loop.

Permanent magnet synchronous motor, current prediction, deadbeat control, timing optimization, voltage reconstruction

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.211054

TM341

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目（2019YFE0100200）。

2021-07-15

2021-09-27

章回炫 男，1994年生，博士研究生，研究方向?yàn)橛来磐诫姍C(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)。E-mail：zhanghuixuan@mail.iee.ac.cn

范 濤 男，1981年生，研究員，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橛来烹姍C(jī)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)、先進(jìn)電機(jī)控制、高性能電力電子裝備電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。E-mail：fantao@mail.iee.ac.cn（通信作者）

（編輯 李冰）