基于二分法的感應電機電流預測控制研究

蔣煒華， 王紀浩， 鄭先鋒

（1.河南工學院， 河南 新鄉 453003； 2.熱流電氣有限公司， 上海 201206）

引言

隨著電力電子技術和數字信號處理技術的飛速發展，電機的動態穩態性、系統可靠性和非線性控制得到越來越廣泛的關注。模型預測控制（MPC）已成為電氣傳動和電力電子領域常用的控制策略。MPC有兩大類：連續預測控制MPC和有限控制集MPC（FCS-MPC）。而預測電流控制（PCC）是MPC的一個分支，是電氣傳動控制中一個相對較新的方法[1-2]。本文設計了逆變器的準連續參考電壓矢量PCC方法，并應用于感應電機，實現良好的電流質量以及扭矩性能。

1 感應電機與逆變器模型

1.1 電機的數學模型

式中：v→s表示定子電壓矢量和分別表示定子磁通和轉子磁通；i→s和i→r分別表示定子和轉子電流；Rs和Rr分別表示定子和轉子電阻；Ls、Lr和Lm分別是定子、轉子和互感；ω是電機速度；p是對極數；Te表示電磁轉矩。

1.2 逆變器的數學模型

逆變器使用了兩電平的三相電壓源逆變器，其開關狀態S可以用下列矢量表示：

2 基于二分法的電流預測

2.1 FCS-PCC的電流預測

從描述的電機模型可知，定子電流可以描述如下：

為預測下一個步長，使用前向歐拉公式，可推導出定子電流：

式中：rσ=σ·Ls，τσ=rσ/Rσ。

2.2 成本函數與基于二分法的電壓計算

產生參考電流對于PCC控制器是必要的。參考轉矩由速度PI控制器產生，轉子磁通量的參考值被視為一個恒定值。轉子磁通參考坐標中，相應現場和產生轉矩的電流參考值，即i*d和i*q，計算公式如下：

使用PCC控制器前，電流值被轉換成定子a/3坐標。傳統的FCS-PCC成本函數，直接選擇逆變器的開關狀態，如下所示：

其中，j=0，…，6，因為兩電平電壓源逆變器只有7種不同的開關狀態，成本函數需要計算7次并從中選出向量。提出的FCS-PCC是為成本函數計算電壓矢量的數值方法，再通過二分法增加候選參考電壓矢量的數目。這種方法確保以最快的速度從可能的候選電壓矢量中發現最佳電壓矢量。

3 模擬

仿真結果見圖1、圖2。

圖1 基于FCS-PCC二分法的額定轉速反轉機動性能

圖2 FOC的額定轉速反轉機動性能

電機啟動時全速操作，在0.45 s反轉。圖1給出了電機控制系統基于FCS-PCC二分法的性能。可以看出，速度可以非常迅速和精確地跟蹤參考值。在速度反轉瞬態過程中，輸出轉矩幾乎保持在其額定值，以提供最大減速。圖2是電機控制系統FOC的性能，所有的參數和系統設置與所提出的FCS-PCC都完全一樣。如圖所示，FCS-PCC二分法具有更快的響應速度以及較小的轉矩和磁通的暫態超調。

4 結論

本文提出了一種基于二分法參考電壓計算的感應電機有限控制集模型預測電流控制器，由于其準連續參考電壓產生機制，確保了逆變器的開關頻率固定，從而提高了電流質量，并顯著降低轉矩脈動，并通過仿真驗證。