永磁同步电机高性能控制算法（17）——无差拍预测转速控制

1.前言

前期写了比较多的关于无差拍预测电流控制的东西。

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无差拍预测控制可以让电流环实现最快的动态性能，且能够无超调地达到参考值。那如果把无差拍预测控制应用在转速环上面会不会也有同样的效果呢？

2.无差拍预测转速控制基础知识

参考文献：（虽然不是永磁同步电机的，但是方法应用完全同理）

2.1传统无差拍预测转速控制

 

公式很简单，但是无差拍预测控制很依赖参数，如果电机参数不准，这个方法就不好用了。所以下文引入带观测器的无差拍预测速度控制。

2.2基于观测器的无差拍预测转速控制

文章这里用了扩展状态观测器和滑模观测器，同时用了两个观测器。文章的公式略有点小错误，但是问题不大，自己推导一遍就好了。

公式也很简单。

文章算法的流程图如下：

值得注意的是，文章的转速环计算周期和电流环计算周期不同，而且转速环计算周期达到了电流环计算周期的25倍。

转速环计算周期这么长的话，只适用于大惯量电机。惯量小的电机可不能这么设置。它的转动惯量是我仿真电机的6.6倍，我的仿真设置转速环计算周期为电流环计算周期的5倍。

3.仿真验证

3.1仿真参数

Ts = 5e-7;%仿真步长

Tpwm = 1e-4;%开关周期

Tsample = Tpwm/1;%采样周期/控制周期

Tspeed = 5*Tsample;%转速采样周期

Pn = 4;%电机极对数

Ls = 6.5e-3;%定子电感，采用隐极的，Ld=Lq=Ls

Rs = 1;%定子电阻

flux = 0.1688;%永磁体磁链

Vdc=380;%直流母线电压

iqmax=20;%额定电流

Tdead = 1e-6;%死区时间

J = 6e-3;%转动惯量

B = 2e-3;%阻尼系数

n_init = 1000;%初始转速

fc_lpf = 500;%转速计算的低通滤波器截止频率

3.2仿真工况

初始转速1000RPM，0.1s前设置斜坡速度指令使电机在0.1s达到2000RPM。0.2s突加15Nm负载，0.3s突减5Nm负载，0.4s减速至1000RPM。

3.3仿真对比

3.3.1整体对比

对比的对象为传统的PI转速环。

PI

无差拍转速控制

从这个大致波形可以看到，虽然转速环在加减速过程中的超调量没了，但是在稳态的时候，转矩脉动非常大。

这些脉动其实是由高频噪声导致的。无差拍预测控制对误差的容忍度是很小的，但凡有一点误差，无差拍预测控制都会输出比较大的指令，这是为了让被控量以最快速度达到参考值。

这一点在论文中也有体现：

 

论文说以后再讨论这个问题。

其实这个问题的解决办法非常简单，稍微在代码里加点语句判断就好了。我知乎上面之前复现的文献就有类似的内容。

无差拍转速控制（改进前）

无差拍转速控制（改进后）

下文我们都以用进后的无差拍转速控制与传统PI进行对比。

3.3.2转速超调对比（加速）

PI

无差拍

在加速过程中，无差拍预测速度控制可以在无超调的情况达到参考转速。

3.3.3转速超调对比（减速）

PI

无差拍

在减速过程中，无差拍预测速度控制可以在基本无超调的情况达到参考转速。

3.3.4加减负载对比

PI

无差拍

在突减或者突加负载过程中无差拍预测转速控制也都具有更快的速度。

4.总结

从上面仿真结果可以看到，将无差拍预测控制应用于转速环，可以实现较快的动态性能，在加减速过程中都可以实现无超调。但是要考虑如何抑制转速环高频噪声的问题。