永磁同步直线电机电流预测控制方法研究

苏森

摘要：针对永磁同步直线电机（PMLSM）电流预测控制中因参数不匹配和延时导致的电流误差和振荡问题，提出了一种带延时补偿的PMLSM改进电流预测控制来实现精准的电流控制。为获得髙带宽电流控制特性，构建一种带延时补偿的数字电流预测控制器

关键词：永磁同步直线电机;电流预测;方法：

1PMSLM的结构

设计的PMSLM三维结构示意图.绕组采用分数槽集中绕组，三相绕组嵌入在初级铁心的开口矩形槽中，初级铁心背面嵌入冷却管来提高电机散热能力。N，S两种充磁方向的永磁体依次粘贴在永磁体轭板表面。相对于旋转电机，直线电机很难实现铁心斜齿的结构，只能采用永磁体斜极结构来削弱PMSLM的定位力。削弱PMSLM的定位力。

2PMLSM模型建立

假设电机磁路不饱和，且不受涡流损耗和磁滞损耗影响，子绕组对称且绕组电流在气隙中产生的磁动势是正弦分布，则在轴坐标系下，表贴式PMLSM的电压方程可以表不为：uq=Riq+Ldiq/dt+〇}cLid+（〇elP'，（】）ud=Rid+LdiJAt式中为动子电角速度为电机极对数，叫为动子角速度，

4改进电流预测控制

带有延时补偿的电流预测控制电流预测控制的工作原理是：假设参数扰动值D（A〇己知，在当前周期的初始时刻，根据电流。参考指令7*0+1）和第A个周期的采样电流/（々），根据式（4）所示的离散化电压模型，可得到第A个采样周期的电压参考指令若将电压参考指令施加在电机上，经过一个周期后，电机的实际电流/（fc+1）可以跟踪上参考电流7*0+1）。传统电流预测控制得到的指令电压为：lT（k）=GI（k）+Hr（k+l）+＼+D（k）（5）式（5）中的控制策略由于假设控制周期远大于估计时间，并没有考虑系统延时。实际上控制周期很小时，由数字控制所引起的系统延时就不可忽略，这种延时会导致电流控制不稳定。因此，要合理设计方法来解决这一问题。由于从计算出电压参考指令到电压指令加载到电机上中间需一个周期时间，因此可直接计算下一个周期的电压参考指令f/*（A+l），可表示为：U'（h+l）=Gi（k+l）+Hr（k+2）+＼+D（k+l）（6）式中：/（fc+l）为下一个采样周期的估计电流值。根据式（4）可以对&A+1）进行估计，得：i（k+l）=H￣'[U（k）-GI（k）-＼-D（k）]（7）结合式（6），（7）可得：LT（k+＼）=GH-'U（k）-GH-'GI（k）+Hr（k+2）-GH＼-GHD（k）+A+D（h+l）（8）通过以上分析，可知经过延时补偿后实际电流在两个釆样周期之后可以跟随给定电流，4分析与讨论综上所述，针对基于电流控制技术以及电流控制技术的实现方式、在线计算量、控制精度、电机参数鲁棒性、目标函数寻优方式、电压矢量输出、实现难易程度、是否需要调制环节等方面进行归纳与对比，如表1、表2所示。表1基于连续集模型预测电流控制技术比较控制方案CCS-MPC（广义）（显式）实现方式复杂较难（分区数目越大、越难实现）在线计算量很大较大控制精度优良优良电机参数鲁棒性可消除电机参数带来的影响（引入增广积分环节）可消除电机参数带来的影响（引入增广积分环节）目标函数寻优方式多参数优化或并行运算多参数优化或并行运算电压矢量输出任意幅值、相角的电压矢量任意幅值、相角的电压矢量是否需要调制需要需要根据上述归纳与分析，2种模型预测PMSM电流控制技术有各自的优点和不足。基于电流控制技术当引入增广积分环节后，电机参数变化对电机驱动控制系统带来的影响较小;同时能够通过PWM技术在复平面上输出任意幅值与相角的电压矢量从而达到更高的控制精度与要求，具有控制稳态性能优良等优点。但是基于电流控制技术由于是通过多参数优化解法或者并行运算的方式进行目标函数寻优，因此增加了VSIFED的电机系統计算负担。在现有的主控芯片（DSP、FPGA等）对数字信号处理能力现状下，CCSMPC电流控制技术实现起来较为困难。MP1CCM2PCCM3PCC实现方式简单一般一般在线计算量较小一般较大控制精度一般较好优良电机参数鲁棒性对电机参数较为敏感对电机参数较为敏感对电机参数较为敏感目标函数寻优方式在线穷举寻优在线穷举寻优在线穷举寻优电压矢量输出6个有效基本电压矢量、2个零电压矢量6个有效基本电压矢量、2个零电压矢量6个有效基本电压矢量、2个零电压矢量是否需要调制不需要不需要不需要基于电流控制技术与连续集相比，具有在线计算量小、实现方式简单、无需调制环节等优点。但是由于有限集是通过6个基本电压矢量以及零电压矢量来合成的电压矢量Us，因此有限集控制技术的稳态性能不高、相对连续集而言，其控制精度较低。电机参数变化给电机驱动控制系统带来的影响较为敏感。

结语：PMLSM推力密度大、控制精度髙、动态响应快、机械损耗小，被广泛应用在数控车床、机器人系统、光刻机等高精度设备中。永磁同步电机（PMSM）驱动控制技术的性能直接决定着整个电机驱动系统的性能。由于模型预测控制（MPC）技术可以对多输入多输出（MIMO）系统进行滚动优化控制，且容易施加约束，因此基于MPC的电机驱动技术正逐渐受到关注。回顾并总结了近年来国内外学者在基于MPC的PMSM电流控制方面所做的研究，并对现有技术中的基于单矢量、双矢量以及三矢量的电流控制技术进行了建模并进行了电流输出波形分析。

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