基于二分法的感应电机电流预测控制研究

蒋炜华， 王纪浩， 郑先锋

（1.河南工学院， 河南 新乡 453003； 2.热流电气有限公司， 上海 201206）

引言

随着电力电子技术和数字信号处理技术的飞速发展，电机的动态稳态性、系统可靠性和非线性控制得到越来越广泛的关注。模型预测控制（MPC）已成为电气传动和电力电子领域常用的控制策略。MPC有两大类：连续预测控制MPC和有限控制集MPC（FCS-MPC）。而预测电流控制（PCC）是MPC的一个分支，是电气传动控制中一个相对较新的方法[1-2]。本文设计了逆变器的准连续参考电压矢量PCC方法，并应用于感应电机，实现良好的电流质量以及扭矩性能。

1 感应电机与逆变器模型

1.1 电机的数学模型

式中：v→s表示定子电压矢量和分别表示定子磁通和转子磁通；i→s和i→r分别表示定子和转子电流；Rs和Rr分别表示定子和转子电阻；Ls、Lr和Lm分别是定子、转子和互感；ω是电机速度；p是对极数；Te表示电磁转矩。

1.2 逆变器的数学模型

逆变器使用了两电平的三相电压源逆变器，其开关状态S可以用下列矢量表示：

2 基于二分法的电流预测

2.1 FCS-PCC的电流预测

从描述的电机模型可知，定子电流可以描述如下：

为预测下一个步长，使用前向欧拉公式，可推导出定子电流：

式中：rσ=σ·Ls，τσ=rσ/Rσ。

2.2 成本函数与基于二分法的电压计算

产生参考电流对于PCC控制器是必要的。参考转矩由速度PI控制器产生，转子磁通量的参考值被视为一个恒定值。转子磁通参考坐标中，相应现场和产生转矩的电流参考值，即i*d和i*q，计算公式如下：

使用PCC控制器前，电流值被转换成定子a/3坐标。传统的FCS-PCC成本函数，直接选择逆变器的开关状态，如下所示：

其中，j=0，…，6，因为两电平电压源逆变器只有7种不同的开关状态，成本函数需要计算7次并从中选出向量。提出的FCS-PCC是为成本函数计算电压矢量的数值方法，再通过二分法增加候选参考电压矢量的数目。这种方法确保以最快的速度从可能的候选电压矢量中发现最佳电压矢量。

3 模拟

仿真结果见图1、图2。

图1 基于FCS-PCC二分法的额定转速反转机动性能

图2 FOC的额定转速反转机动性能

电机启动时全速操作，在0.45 s反转。图1给出了电机控制系统基于FCS-PCC二分法的性能。可以看出，速度可以非常迅速和精确地跟踪参考值。在速度反转瞬态过程中，输出转矩几乎保持在其额定值，以提供最大减速。图2是电机控制系统FOC的性能，所有的参数和系统设置与所提出的FCS-PCC都完全一样。如图所示，FCS-PCC二分法具有更快的响应速度以及较小的转矩和磁通的暂态超调。

4 结论

本文提出了一种基于二分法参考电压计算的感应电机有限控制集模型预测电流控制器，由于其准连续参考电压产生机制，确保了逆变器的开关频率固定，从而提高了电流质量，并显着降低转矩脉动，并通过仿真验证。