电机（六）——无差拍电流预测控制

mengmianren

一、电流预测控制概述


预测控制在电力电子电能变换领域有着一定程度的关注。电流预测控制包括多种控制算法，分类如下图1所示。预测控制的基本原理是根据控制系统的数学模型，来预测未来控制变量未来的变化，按照已经定义的优化规则，通过这些信息使系统的控制效果最优。



图1.预测控制分类

       无差拍控制和具有连续控制的 MPC 都需要一个 PWM 调制器来产生逆变器的 PWM波。由于存在 PWM 调制器，从而使得它们的开关频率恒定，与载波频率相同。而其它的控制算法不需要调制器，通过控制算法来产生逆变器的开关信号，因此，这几种控制算法的开关频率不固定。电流预测控制算法的原理根据电机和逆变器的离散数学模型来预测下一时刻的电机电流，在很短的时间内对电机电流进行精确的控制。因此电流环动态响应速度快和电机电流谐波小，从而使得电机转矩和伺服系统具有优良的控制效果和良好响应速度。此外，电流预测控制概念简单又直观，控制算法容易实现

       无差拍电流控制已经提出40多年，它起源于离散线性状态反馈控制，在有限时间内使反馈电流跟踪上给定电流，在国外这种算法基本成熟但在国内研究刚起步。它的原理：通过采样得到的电机电流经过坐标变换与给定电流进行比较，比较结果在通过无差拍电流控制器进行控制，输出电压在进过坐标变换，然后通过SVPWM 模块产生逆变器开关脉冲信号。见下图2所示。与传统的电流控制器相比较，PI控制器被无差拍控制器替换，具有开关频率恒定、动态响应快、带宽高、电流波动小、易于实现等



图2.无差拍电流预测框图

二、无差拍电流预测控制


       基于之前的“电机（二）——永磁同步电机概述”，以及“电机（三）永磁同步电机矢量控制（FOC)”建立的数学模型，进行PMSM传统无差拍电流预测控制的论述。

电机（二）——永磁同步电机概述 - ZZ先生的文章 - 知乎 https://zhuanlan.zhihu.com/p/272511217

电机（三）——永磁同步电机矢量控制（FOC) - ZZ先生的文章 - 知乎 https://zhuanlan.zhihu.com/p/274350505

1.带延时补偿的无差拍电流预测控制

  无差拍预测控制原理类似 PI 控制，运用已知电流量和给定电流量计算出直流电压值，结合 SVPWM转换为逆变器的开关信号，区别之处在于计算部分依赖于高精度的 PMSM 模型且通过数字控制方式实现。因此，无差拍控制结合了预测控制响应快速、PI 调节器稳态精度高以及计算速度快等特点，同时还避免了超调与震荡的缺点，是一种新型轻便的控制方法。



图3.Control block diagram of PMSM based on the traditional deadbeat predictive current control algorithm.

2.无差拍电流预测控制主方程

（1）PMSM电压方程



添加图片注释，不超过 140 字（可选）

（2）离散化处理电压方程



添加图片注释，不超过 140 字（可选）

（3）预测方程

       将k+1控制周期中的d、q轴电流用参考电流替换，得到下式：



添加图片注释，不超过 140 字（可选）

（4）补偿方程   

       预测电压 ?????(?) 和 ?????(?) 通过SVPWM进行调制，因此定子电流可以在下一个控制周期中准确地跟踪参考电流。使用数字控制时，典型的电流采样和PWM占空比更新时间序列如图4所示。在第k个控制周期的初始时间中，定子 ??(?) 和 ??(?) 的电流值通过电流采样获得。在第k个控制周期中，执行预测控制算法。



图4.Sequence diagram of current sampling and duty cycle update

       在k个控制周期内计算预测电压 ?????(?) 和 ?????(?) 及其占空比值。受硬件条件的限制，直到k+1个控制周期的初始时间，占空比值只能由微处理器更新。然后，预测电压 ?????(?) 和 ?????(?) 可以通过SVPWM作用在电动机上。但是，此时电机的实际电流已由前一时期的预测电压 ?????(??1) 和 ?????(??1) 更改为 ??(?+1) 和 ??(?+1) 。这将导致预测电压 ?????(?) 和 ?????(?) 作用的影响不准确。因此，有必要预测当前值 ??(?+1) 和 ??(?+1) 作为预测模型的延迟补偿。延迟补偿公式如下：



添加图片注释，不超过 140 字（可选）

综上：



添加图片注释，不超过 140 字（可选）

三、无差拍电流预测控制改进


预测控制依赖于精确的离散化电机数学模型，因此分析比较改进的预测控制的参数敏感性尤为重要。但是在全数字控制中存在采样延时，采样延时降低了系统稳定范围，并且它是基于精确的电机模型，而在实际运行过程中电机参数是变化的，导致电流会出现稳态误差，特别是电感变化超过一定的范围时会使系统不稳定，系统的鲁棒性差。

      所以许多研究者基于采样延时以及电机参数敏感性 对无差拍电流预测控制进行研究。

hk4835

您的帖子对于“电机——无差拍电流预测控制”的介绍非常专业且清晰。概述部分已经很好地描述了预测控制在电力电子电能变换领域的重要性及其基本原理。关于无差拍控制部分，这是一种先进的电机控制策略，其特点是基于数学模型对未来电流进行预测，并根据预测结果进行实时调整，以达到高精度控制的目的。关于PWM调制器，无差拍控制和其他一些控制算法都需要它来产生逆变器的PWM波形，确保开关频率恒定。此外，这种调制方式能提高系统的动态性能和稳定性。随着技术的发展，预测控制算法在电机控制中的应用将更加广泛。期待看到更多的研究和实际应用来进一步验证和优化这种控制策略。

xiaocheng

关于电机中的无差拍电流预测控制，这是一种先进的控制策略，广泛应用于电力电子电能变换系统。基于预测控制原理，无差拍控制通过系统数学模型预测电流未来变化，并据此优化控制效果。无差拍控制和MPC都需要PWM调制器产生恒定开关频率的逆变器PWM波，这有助于提高系统稳定性和效率。与传统控制算法不同，它们的开关频率固定，有助于减少电磁干扰和开关损耗。这种控制策略在电机控制中表现出高精度、高动态响应的特点，是实现高效、稳定电机系统的关键技术之一。随着电力电子和人工智能技术的发展，无差拍电流预测控制将有更广阔的应用前景。