基于無差拍預(yù)測控制和擾動觀測器的永磁同步電機(jī)電流控制*

孫 靜, 劉旭東

(1. 山東工商學(xué)院 信息與電子工程學(xué)院,山東 煙臺 264005;2. 青島大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院,山東 青島 266071)

基于無差拍預(yù)測控制和擾動觀測器的永磁同步電機(jī)電流控制*

孫 靜1, 劉旭東2

(1. 山東工商學(xué)院 信息與電子工程學(xué)院,山東 煙臺 264005;2. 青島大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院,山東 青島 266071)

永磁同步電機(jī)(PMSM)轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩驅(qū)動系統(tǒng)都要求具有良好的電流控制性能，因此對電流環(huán)的控制至關(guān)重要。為了提高電流的動態(tài)性能和魯棒性，基于無差拍預(yù)測控制和擾動觀測器提出了一種新的PMSM電流控制方法。利用預(yù)測控制動態(tài)性能好，易于數(shù)字實現(xiàn)等優(yōu)點，基于無差拍原理設(shè)計了預(yù)測電流控制器，但該方法對電機(jī)模型及參數(shù)依賴較大。針對實際應(yīng)用中由于建模誤差及參數(shù)變化等產(chǎn)生的擾動，設(shè)計了一種簡單的擾動觀測器，并用于電流環(huán)的前饋補償控制，有效地提高了系統(tǒng)的魯棒性。基于dSPACE平臺完成了試驗驗證。試驗結(jié)果表明：所提出的電流控制方法能實現(xiàn)電流的快速跟蹤控制，而且具有較強(qiáng)的魯棒性。

永磁同步電機(jī)；電流控制；無差拍預(yù)測控制；擾動觀測器

0 引 言

永磁同步電機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)具有效率高、功率密度大、可靠性高等優(yōu)勢, 在電動汽車、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。由于PMSM具有多變量、強(qiáng)耦合、非線性等特性，在轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩驅(qū)動系統(tǒng)中，通常采用按轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制方案。在轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中，采用轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)級聯(lián)的控制方式，外環(huán)為轉(zhuǎn)速環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，進(jìn)而分別設(shè)計轉(zhuǎn)速和電流控制器；在轉(zhuǎn)矩控制中，采用電流單環(huán)控制，通過調(diào)節(jié)電流，實現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制。因此，在PMSM驅(qū)動系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)高性能的電機(jī)控制，對電流環(huán)的控制至關(guān)重要。隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，一些先進(jìn)的控制方法，如：內(nèi)模控制[2]、滑模控制[3]、自抗擾控制[4]、自適應(yīng)控制[5]等，被應(yīng)用到PMSM電流控制中，并取得了許多研究成果。

近年來，隨著半導(dǎo)體變流技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，預(yù)測控制作為一種新的控制策略，已被逐步應(yīng)用到了交流電機(jī)控制中，并最有可能成為繼PI控制之后電力電子和交流電機(jī)控制領(lǐng)域的替代方案[6]。預(yù)測控制的共同思想是利用系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)據(jù)，通過計算預(yù)報受控變量的未來值，并使用一個最優(yōu)準(zhǔn)則來選擇控制量。根據(jù)控制方法的不同，PMSM的預(yù)測控制可分為滯后控制[7]、軌跡控制[8]、無差拍預(yù)測控制[9]、模型預(yù)測控制[10]等。其中，無差拍預(yù)測控制因具有動態(tài)性能好，方法簡單，易于數(shù)字實現(xiàn)等優(yōu)點，已在PMSM電流控制中取得了大量的研究成果。

但是，無差拍預(yù)測控制是一類依賴電機(jī)模型的控制方法，而且該方法不能直接處理系統(tǒng)擾動的影響。當(dāng)系統(tǒng)存在模型嚴(yán)重失配或參數(shù)變化時，控制精度會顯著降低。在PMSM驅(qū)動系統(tǒng)中，受電機(jī)運行工況和溫度等影響，電機(jī)不可避免地存在擾動、參數(shù)變化等。為了提高PMSM預(yù)測電流控制的魯棒性，文獻(xiàn)[11-12]提出了基于改進(jìn)無差拍控制的PMSM電流預(yù)測控制方法；文獻(xiàn)[13]在無差拍預(yù)測控制器中，通過參數(shù)辨識方法，實時估計電機(jī)參數(shù)，進(jìn)而抑制參數(shù)變化對電流控制性能的影響，但該方法易受參數(shù)估計精度的影響；文獻(xiàn)[14-15]在PMSM 基于無差拍預(yù)測控制的基礎(chǔ)上，設(shè)計了擾動觀測器，并用于電流環(huán)的前饋補償控制。該方法能消除系統(tǒng)因建模和參數(shù)誤差等產(chǎn)生的所有擾動，有效地提高系統(tǒng)魯棒性。

為此，本文基于無差拍預(yù)測控制和一種簡單擾動觀測器，研究了PMSM的電流控制方法。該方法可有效結(jié)合預(yù)測控制動態(tài)性能好和擾動觀測器魯棒性強(qiáng)的優(yōu)點，并通過仿真和試驗證明了該方法的有效性，且控制器設(shè)計簡單，參數(shù)容易調(diào)節(jié)。

1 PMSM數(shù)學(xué)模型

按轉(zhuǎn)子磁場定向理論，PMSM在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型可表示為

其中:

式中:Ld、Lq——d、q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的定子電感；

id、iq、ud、uq——d、q坐標(biāo)系下的定子電流和電壓；

Rs——定子電阻；

p——極對數(shù)；

ω——轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度；

Φ——永磁體產(chǎn)生的磁鏈；

fd、fq——由參數(shù)變化引起的擾動量；

Rst、Ldt、Lqt，Φt——電機(jī)在實際運行時的參數(shù)值。

2 電流預(yù)測控制器設(shè)計

本文的控制目標(biāo)是設(shè)計PMSM電流控制器，通過調(diào)節(jié)定子電壓，實現(xiàn)電流的快速跟蹤控制，同時系統(tǒng)對建模模型和參數(shù)變化等擾動具有較強(qiáng)的抑制能力。為此結(jié)合無差拍預(yù)測控制和一種簡單的擾動觀測器控制方法，設(shè)計了PMSM魯棒電流控制器。

本文研究的PMSM控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。采用轉(zhuǎn)速和電流級聯(lián)的控制結(jié)構(gòu)，完成了PMSM轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的設(shè)計。其中，轉(zhuǎn)速環(huán)采用PI控制，電流環(huán)采用本文提出的電流控制方法，另外控制器中還包括PWM模塊、坐標(biāo)變換等。

圖1 PMSM控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

首先，根據(jù)PMSM模型，令

進(jìn)而可得

將式(5)表示為狀態(tài)空間模型的形式得

取采樣時間為T，將式(6)離散化得

由式(4)和式(9)可得PMSM的電流控制器，實現(xiàn)電流的跟蹤控制，而且控制器中只含有控制參數(shù)T。但從控制器中看出，擾動量fd和fq包含在控制器中，而PMSM不可避免地存在參數(shù)變化和模型不確定性，這些都會影響電機(jī)的性能。因此，為了設(shè)計完整的電機(jī)控制器，提高系統(tǒng)的魯棒性，需得到擾動量f的值。

3 擾動觀測器設(shè)計

為了提高系統(tǒng)的魯棒性，本文在無差拍預(yù)測控制的基礎(chǔ)上設(shè)計了一種簡單的擾動觀測器[3]，然后將估計的擾動用于電流環(huán)的前饋補償控制。

首先定義電流跟蹤誤差:

將估計的擾動量式(11)代入式(9)，即可求得最終的電流控制器。該控制器結(jié)合了無差拍預(yù)測控制和擾動觀測器的優(yōu)點，能實現(xiàn)電流的快速跟蹤控制且對系統(tǒng)擾動等具有較強(qiáng)的魯棒性。

4 試驗結(jié)果與分析

為了驗證所提PMSM電流控制方法的有效性，基于dSPACE控制器，在電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)試驗平臺上完成了試驗驗證。dSPACE控制系統(tǒng)是由德國dSPACE公司設(shè)計開發(fā)的一塊基于MATLAB/Simulink的控制系統(tǒng)開發(fā)及性能測試的平臺。在控制器中，轉(zhuǎn)速環(huán)采用PI控制，電流環(huán)采用本文提出的基于擾動觀測器的無差拍預(yù)測控制方法。PMSM參數(shù)如下：額定轉(zhuǎn)矩2.3 N·m，額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，極對數(shù)為3，定子電阻為4.8 Ω，d軸定子電感為0.019 5 H，q軸定子電感為0.027 5 H，永磁體磁通為0.15 Wb。

首先，給定電機(jī)參考轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為0.5 N·m。圖2為電機(jī)的dq軸電流和轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線。從圖2中可看出，電機(jī)起動后，電流迅速增大，產(chǎn)生較大的起動電流，同時電機(jī)開始轉(zhuǎn)動，最后電機(jī)穩(wěn)定運行在參考轉(zhuǎn)速。在此過程中，電機(jī)輸出電流能快速地跟蹤參考電流值，所設(shè)計的控制器具有良好的轉(zhuǎn)速和電流跟蹤性能。

圖2 電機(jī)起動時的試驗結(jié)果

圖3 負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時的試驗結(jié)果

為了驗證參考電流變化時的電流跟蹤性能，當(dāng)電機(jī)穩(wěn)定后，電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變?yōu)? N·m。圖3為對應(yīng)的電流和轉(zhuǎn)速變化曲線。圖4為電機(jī)給定轉(zhuǎn)速由600 r/min變?yōu)? 200 r/min時的電機(jī)響應(yīng)曲線。從圖3中看出，電機(jī)轉(zhuǎn)速和電流變化后，q軸參考電流增大，電機(jī)輸出q軸電流能快速的跟隨參考電流的變化，d軸電流有一個小的波動，但很快恢復(fù)到零。與此同時，電機(jī)仍具有較好的轉(zhuǎn)速控制性能。

圖4 電機(jī)參考轉(zhuǎn)速變化時的試驗結(jié)果

為了驗證系統(tǒng)存在參數(shù)擾動時的魯棒性，完成了控制器參數(shù)和電機(jī)實際參數(shù)不一致時的電機(jī)控制試驗。首先，將控制器中定子電阻、電感、轉(zhuǎn)子磁鏈等參數(shù)分別變?yōu)轭~定值的50%、75%、120%，給定電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為0.5 N·m，圖5為對應(yīng)的試驗結(jié)果。從圖5可看出，當(dāng)電機(jī)參數(shù)和控制器參數(shù)不一致時，系統(tǒng)仍具有良好的電流控制性能，所設(shè)計的控制器能快速適應(yīng)參數(shù)的變化，對電機(jī)擾動具有較強(qiáng)的魯棒性。

圖5 電機(jī)參數(shù)變化時的試驗結(jié)果

5 結(jié) 語

本文提出了一種新的PMSM電流跟蹤控制方法，將無差拍預(yù)測控制理論和擾動觀測器用于PMSM的電流控制，該控制器不僅具有良好的電流控制性能，而且對系統(tǒng)參數(shù)變化等擾動具有較強(qiáng)的魯棒性。最后搭建了PMSM轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)試驗平臺，完成了電機(jī)起動、負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化、給定轉(zhuǎn)速變化及系統(tǒng)參數(shù)變化時的試驗，驗證了該方法的有效性。

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DeadbeatPredictiveCurrentControlofPermanentMagnetSynchronousMotorBasedonDisturbanceObserver*

SUNJing1,LIUXudong2

(1. School of Information and Electronic Engineering, Shandong Technology and Business University,Yantai 264005, China;2. College of Automation and Electrical Engineering, Qingdao University, Qingdao 266071, China)

The favourable current control was required in speed or torque drive system of permanent magnet synchronous motor, so it’s very important for the control of the current loop. In order to improve the transient performance and the robustness, a novel current control method based on deadbeat predictive control and disturbance observer was proposed. By using the good transient response and easy digital realization of predictive control, the current controller was designed based on deadbeat theory, which was greatly dependent on the motor model and the parameters. According to the disturbance caused by the modeling error and parameter variations, a simple disturbance observer was designed, which was used for the feed-forward compensation control. The robustness was enhanced effectively. The experiment was complemented on dSPACE, and the results showed that the proposed current control method had good current tracking and strong robust performance in various conditions.

permanentmagnetsynchronousmotor(PMSM);currentcontrol;deadbeatpredictivecontrol;disturbanceobserver

國家自然科學(xué)基金項目(61403236,61703222)；山東工商學(xué)院博士啟動基金項目(BS201511)

孫 靜(1979—)，女，博士研究生，講師，研究方向為電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)驅(qū)動預(yù)測控制等。

劉旭東(1987—) ，男，博士研究生，研究方向為電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)控制、非線性控制等。

TM 351

A

1673-6540(2017)10- 0025- 05

2017 -03 -06