基于模型预测控制的交流感应电机调节器设计

导读：本期针对矢量控制传统PI调节器设计依赖电机参数的问题，介绍一种基于模型预测控制的感应电机电流调节器设计方法，可提高系统的动态响应和参数鲁棒性。

需要文中的基于MPC设计的电流调节器仿真模型的学友

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图1 矢量控制框图

矢量控制（FOC, Field Oriented Control）在转子磁场定向的前提下，将定子电流分解成励磁分量和转矩分量，再利用PI调节器实现两者的独立调节，最后利用脉冲调制（SVPWM, Space Vector Pulse Width Modulation）合成参考电压矢量。FOC是目前应用最为广泛的交流调速控制方法，但是其控制性能严重依赖于电流内环的参数整定。所以FOC的通用性差，对电机参数变化较为敏感。

针对交流电机矢量控制中传统的电流环PI调节器对电机参数依赖性较高的问题，本文介绍一种基于模型预测控制设计的通用性的电流控制器代替传统的电流环PI调节器，可以用于各种交流电机控制中。

一、原理介绍
1.1模型预测控制

在MPC 中，不同种类的预测模型的具体实现形式有所不同，但相应的控制算法均存在共性，可归结为3个基本特征: 预测模型、价值函数、滚动优化。MPC 基本思路如图2所示。

从图2可以看出，首先，基于模型进行预测，即根据输入状态预测对应的输出轨迹; 其次，根据构建的价值函数来评估不同输入状态的输出效果，并评估最优的输入策略使被控量的输出轨迹与预期的参考轨迹最为接近; 最后，进行滚动优化，将第一个最优控制量输入，在下一采样时刻，重复优化过程。



图2 MPC 基本思路
1.2基于模型预测控制的电流调节器设计原理



图3 采用基于模型预测控制设计电流调节器的矢量控制框图





二、仿真验证



图4 采用基于模型预测控制设计电流调节器的矢量控制系统仿真

从图4中可以看到，采用基于模型预测控制设计的电流调节器去替换传统的PI调节器。接下来就是变参来验证采用基于模型预测控制设计电流调节器的矢量控制系统的控制性能。

2.1变互感（-30%）



图5 电机转速设置



图6 dq轴电流

在变互感的情况下，dq轴电流依然具有较好的控制效果，说明基于MPC的电流调节器的参数鲁棒性要优于传统的PI调节器。

2.2变定子电阻（+50%）



图7 电机转速设置



图8 dq轴电流

在变定子电阻的情况下，dq轴电流依然具有较好的控制效果，验证了基于MPC设计的电流调节器的控制效果。

三、总结

本文介绍的基于MPC设计的电流调节器具有很好的通用性，可以替代传统的PI调节器，并且可用于各种电机的电流控制中。