学术简报｜基于扰动观测器的永磁同步电动机无差拍电流预测控制仿真

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摘要

南京航空航天大学自动化学院的研究人员柯伟煌、钱胜南、张艺、卜飞飞，在2019年第8期《电气技术》杂志上撰文指出，为改善永磁同步电动机矢量控制中电流环动态性能差、控制精度低等问题，本文研究一种无差拍电流预测控制方法。

但基于电动机参数模型的无差拍预测控制方案存在抗干扰性差的问题，为减小负载扰动对预测控制系统的影响，引入一种负载扰动观测器用于前馈补偿。在扰动观测器的补偿作用下，无差拍电流预测控制系统不仅具有优越的动态性能，且表现出更强的鲁棒性。在Simulink环境下搭建基于扰动观测器的无差拍电流预测控制系统仿真模型，验证理论的正确性。

永磁同步电动机（permanent magnetic synchronous motor, PMSM）是一个高耦合、非线性的高阶系统，通常采用矢量控制方案对其进行解耦控制。

传统矢量控制方案电流环控制普遍采用PI调节器，具有易实现、易调节等优点，但其电流响应速度慢，超调大，且采样电流与参考电流间存在较大误差，控制性能有待改善。

为解决电流环存在的诸多问题，许多学者对基于电机数学模型的预测控制算法展开研究。其中无差拍预测控制算法在控制频率与开关频率相同的基础上引入预测控制的思想，提前预测出下一周期采样预期电流所需的开关信号。相比于传统PI控制方案，无差拍预测控制具有更好的电流响应。

传统无差拍预测控制虽然能减小电流的响应时间，动态性能较优。但缺少滚动优化和反馈校正的环节，当存在外部扰动时，其控制效果将受到影响。

目前，对于如何减小预测控制系统中外部干扰所带来的影响，已有学者做出大量研究。

• 文献[10]从参数扰动的角度出发，使用最小二乘算法实时辨识阻抗参数的变动，保证了参数失配时双环控制的稳定性。而针对突变转矩带来的扰动，

• 文献[12]在速度环预测控制的基础上使用负载扰动观测器有效地提高了系统的鲁棒性，但其并没有讨论电流环控制的问题。

为了进一步研究扰动观测器对电流环控制的作用，本文在传统无差拍电流预测控制的基础上引入一种扰动观测器对负载扰动进行估算，根据转矩估算结果对参考电流进行前馈补偿，相当于给无差拍电流预测控制加了反馈校正环节。该方案有效地将无差拍预测控制动态响应好和扰动观测器鲁棒性强的优点相结合。最后通过仿真证明该方案的有效性。

图4  Simulink环境下的仿真模型

总结

本文将扰动观测器与无差拍电流预测控制方案相结合，在提高电流跟踪精度、改善电流波形的同时，减小了电动机负载突变所带来的影响，加快了负载突变情况下参考电流的响应速度，解决了传统无差拍电流预测控制系统负载运行时抗干扰性差的问题。

通过仿真表明，相较于传统矢量控制系统，基于扰动观测器的无差拍电流预测控制系统具有更好的鲁棒性，以此验证了扰动观测器与无差拍电流预测控制方案相结合的可行性。