永磁同步电机三矢量模型预测电流控制探究

永磁同步电机三矢量模型预测电流控制(有参考文献）参考文献：《永磁同步电机三矢量模型预测电流控制_徐艳平》 (1)采用id=0 ，速度环 PI 控制器的输出作为q轴电流的给定。在核心模块 TV-MPCC 中，首先根据电流给定值和反馈值计算三个矢量的作用时间ti、tj、tz，再合成期望电压矢量Ⅰ~Ⅵ，最后经过价值函数优化出最优电压矢量 uout （2）三矢量预测控制：在每个扇区用三个基本电压矢量等效地合成一个期望电压矢量，并将 6 个扇区中合成的 6 个期望电压矢量作为备选电压矢量，从而其范围能够覆盖任意方向、任意幅值注：两个仿真，就转矩阶跃以及PMSM参数不同，一个阶跃，一个加入正弦扰动阶跃

在永磁同步电机（PMSM）的控制领域，三矢量模型预测电流控制（TV - MPCC）是一种颇具创新性和优势的控制策略。今天就来和大家深入探讨一下这个有趣的控制方法，顺便也参考《永磁同步电机三矢量模型预测电流控制_徐艳平》这篇文献。

一、控制策略基础

电流给定设定

采用\(id = 0\)的控制方式，速度环PI控制器的输出作为\(q\)轴电流的给定。这种设定方式在永磁同步电机控制中较为常见，\(id = 0\)能实现电机的最大转矩电流比控制，有效提高电机的运行效率。速度环PI控制器的作用是根据电机的实际转速与给定转速的偏差，通过比例积分调节，输出合适的\(q\)轴电流给定值，使得电机能够快速准确地跟踪给定转速。

假设在Python中简单模拟速度环PI控制器（这里只是简单示意，实际应用要复杂得多）：

python 复制代码

class PI_Controller:
    def __init__(self, kp, ki):
        self.kp = kp
        self.ki = ki
        self.integral = 0
        self.prev_error = 0

    def update(self, setpoint, process_variable):
        error = setpoint - process_variable
        self.integral += error
        p_term = self.kp * error
        i_term = self.ki * self.integral
        output = p_term + i_term
        self.prev_error = error
        return output

上述代码定义了一个简单的PI控制器类，通过update方法根据给定值（setpoint）和实际值（process_variable）来计算输出。

TV - MPCC核心模块

在核心模块TV - MPCC中，首先根据电流给定值和反馈值计算三个矢量的作用时间\(ti\)、\(tj\)、\(t_z\)。这一步的原理是基于电机的数学模型以及空间矢量调制（SVM）的理论，通过对电流偏差的分析，计算出不同基本电压矢量的作用时间，以达到控制电流的目的。

接着合成期望电压矢量Ⅰ - Ⅵ 。例如在Matlab中，可以这样简单表示（同样是简化示意）：

matlab 复制代码

% 假设已经计算出三个矢量的作用时间ti, tj, tz
% 定义基本电压矢量V1, V2, V0
V1 = [1; 0];
V2 = [cos(pi/3); sin(pi/3)];
V0 = [0; 0];
% 合成期望电压矢量
V_desired = (ti * V1 + tj * V2 + tz * V0) / (ti + tj + tz);

上述Matlab代码展示了如何通过三个基本电压矢量以及它们的作用时间合成期望电压矢量。

最后经过价值函数优化出最优电压矢量\(u_{out}\)。价值函数通常是根据电机的控制目标（如电流跟踪误差最小、转矩脉动最小等）来定义的，通过对不同备选电压矢量对应的价值函数值进行比较，选择使价值函数最小（或最大，根据具体定义）的电压矢量作为最优电压矢量输出。

二、三矢量预测控制特点

三矢量预测控制的独特之处在于，在每个扇区用三个基本电压矢量等效地合成一个期望电压矢量。并且将6个扇区中合成的6个期望电压矢量作为备选电压矢量，这样其范围能够覆盖任意方向、任意幅值。

相比于传统的两矢量控制，三矢量控制能够更精确地合成期望电压矢量，减少电压矢量合成过程中的误差，从而降低电流和转矩的脉动。例如在一个扇区内，传统两矢量控制只能在两个固定方向的基本电压矢量间合成期望矢量，而三矢量控制多了一个矢量维度，能更灵活地逼近理想的期望电压矢量。

三、仿真验证

转矩阶跃仿真

在转矩阶跃仿真中，我们关注电机在转矩突变时的响应性能。当转矩给定突然变化时，TV - MPCC控制策略能够快速调整电流，使电机迅速响应转矩变化，并且尽量减小转矩脉动。通过仿真可以观察到，在转矩阶跃瞬间，电机电流能够快速跟踪给定值，电机转速也能在短时间内稳定到新的平衡点，体现了该控制策略良好的动态响应性能。

PMSM参数不同及正弦扰动阶跃仿真

在改变PMSM参数（如电感、电阻、永磁体磁链等）并加入正弦扰动阶跃的仿真中，TV - MPCC控制策略依然能够保持较好的控制效果。即使电机参数发生变化，控制器通过对电流的实时预测和调整，依然能保证电机稳定运行。正弦扰动阶跃则模拟了电机实际运行中可能遇到的负载波动等情况，从仿真结果可以看到，电机能够在这种复杂情况下保持转速和转矩的相对稳定，验证了该控制策略对参数变化和外部扰动的鲁棒性。

永磁同步电机三矢量模型预测电流控制为电机控制提供了一种高效、灵活且鲁棒性强的解决方案。无论是从理论的控制策略，还是实际的仿真验证，都展现出其在永磁同步电机控制领域的独特优势和应用潜力。希望通过今天的分享，能让大家对这一控制策略有更深入的理解。