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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。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)簡單，且魯棒性較好。通過增大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)用場合會(huì)受到限制。相較于PI調(diào)節(jié)器控制，預(yù)測控制在保證系統(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。

中國科學(xué)院電工研究所、中國科學(xué)院大學(xué)的章回炫、范濤、邊元均、溫旭輝、孫鴻雁，在2022年第17期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文指出，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)測的無差拍控制具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。為此，他們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)測無差拍控制算法，在傳統(tǒng)無差拍電流預(yù)測控制方案的基礎(chǔ)上，優(yōu)化控制時(shí)序，進(jìn)一步提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。

圖1 改進(jìn)時(shí)序的無差拍電流預(yù)測控制結(jié)構(gòu)

研究人員通過對(duì)傳統(tǒng)電流預(yù)測無差拍控制的時(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)。相對(duì)于傳統(tǒng)無差拍電流預(yù)測控制算法，該方案的電流響應(yīng)速度更快。

圖2 對(duì)拖實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

功率器件非理想因素和控制延時(shí)帶來的狀態(tài)量偏差會(huì)不可避免地造成電流跟隨的靜態(tài)偏差，對(duì)此，他們引入電壓重構(gòu)算法，實(shí)現(xiàn)電流的無靜差跟隨，從而解決了參考電壓不準(zhǔn)引起的電流預(yù)測偏差問題，減小了永磁同步電機(jī)的電流諧波以及狀態(tài)量誤差對(duì)電流跟蹤精度的影響。

研究人員指出，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)無差拍電流預(yù)測控制相比，改進(jìn)后的電流預(yù)測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。

本文編自2022年第17期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“永磁同步電機(jī)高性能電流預(yù)測控制”。本課題得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目的支持。