導(dǎo)讀：首先需要說明的是PI電流調(diào)節(jié)器和無差拍電流預(yù)測控制器的作用都是為了求得電壓參考指令作為脈寬調(diào)制SVPWM模塊的輸入。本期文章以傳統(tǒng)的PI和復(fù)矢量PI調(diào)節(jié)器與無差拍電流預(yù)測控制器作為分析對象，進(jìn)行控制性能對比。

一、兩種PI電流調(diào)節(jié)器

前期文章已經(jīng)對PI電流調(diào)節(jié)器的工作原理和種類作了詳細(xì)的說明，本期就不再闡述。

1.1傳統(tǒng)PI電流調(diào)節(jié)器

傳統(tǒng)PI電流調(diào)節(jié)器如公式（1）所示,對d、q軸電流進(jìn)行分別調(diào)節(jié)。

從式1可以看出，整個PI系統(tǒng)主要由比例調(diào)節(jié)和積分調(diào)節(jié)兩部分構(gòu)成。比例調(diào)節(jié)是一種最簡單的調(diào)節(jié)方式，控制器的輸出與輸入誤差成正比關(guān)系，該調(diào)節(jié)方式可以對偏差做出瞬間的調(diào)節(jié)，能有效地減輕系統(tǒng)的滯后特性，但會出現(xiàn)靜差。積分調(diào)節(jié)中控制器的輸出與輸入誤差的積分成正比關(guān)系，雖然這樣可以有效的消除系統(tǒng)的靜差，但會使系統(tǒng)的響應(yīng)速度下降，并且會增加系統(tǒng)的超調(diào)量。PI 調(diào)節(jié)綜合了比例和積分調(diào)節(jié)的兩種優(yōu)點(diǎn)，既能夠快速抵消干擾，也能夠消除靜差，因此在實(shí)際工程中應(yīng)用十分廣泛。

由式1可以看出，PI 調(diào)節(jié)器的比例、積分參數(shù)對整個控制系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性影響巨大，因此PI 參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。目前 PI 參數(shù)整定的方法有很多，如自適應(yīng)PI、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，這些方法在實(shí)際應(yīng)用中的控制設(shè)計(jì)太過復(fù)雜.目前，一般工程仍然采用的試湊，這不僅工作繁瑣，誤差也比較大。

圖1 傳統(tǒng)PI電流調(diào)節(jié)器

圖2 傳統(tǒng)PI電流調(diào)節(jié)器q軸電流階躍響應(yīng)

基于傳統(tǒng)PI電流調(diào)節(jié)器的FOC中q軸電流階躍響應(yīng)雖然具有較快的上升速度但超調(diào)量很大。

1.2復(fù)矢量PI電流調(diào)節(jié)器

傳統(tǒng)的線性 PI 調(diào)節(jié)器將電流內(nèi)環(huán)分離成 d、q 軸兩個控制環(huán)，由于兩個環(huán)路之間存在交叉耦合項(xiàng)并不能實(shí)現(xiàn)完全獨(dú)立設(shè)計(jì)。而復(fù)矢量調(diào)節(jié)器將 d、q軸的電流環(huán)當(dāng)作一個整體，與傳統(tǒng)方法相比具有更優(yōu)的控制性能和參數(shù)魯棒性。

將電機(jī)數(shù)學(xué)模型的狀態(tài)方程中的反電動勢項(xiàng)略掉后進(jìn)行拉普拉斯變換，得到定子電流到電壓的傳遞函數(shù)如式（2）所示。

根據(jù)公式（2），可以設(shè)計(jì)復(fù)矢量調(diào)節(jié)器如式（3）.

圖（3）是基于復(fù)矢量調(diào)節(jié)器的電流環(huán)的控制框圖。

圖3 基于復(fù)矢量調(diào)節(jié)器的控制框圖

圖4 復(fù)矢量PI電流調(diào)節(jié)器

圖5 復(fù)矢量PI電流調(diào)節(jié)器q軸電流階躍響應(yīng)

基于復(fù)矢量PI電流調(diào)節(jié)器的FOC中q軸電流相比較于基于傳統(tǒng)PI電流調(diào)節(jié)器的動態(tài)效果要好一些，穩(wěn)態(tài)時的諧波也更小一些。

二、無差拍電流預(yù)測控制器

傳統(tǒng)異步電機(jī)矢量控制一般為轉(zhuǎn)速外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)均采用PI 調(diào)節(jié)器，但數(shù)字 PI 調(diào)節(jié)器存在著固有的滯后特性，會對異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流跟蹤性能和動態(tài)響應(yīng)特性造成一定影響，影響控制的效率，實(shí)際效果不能完全盡如人意，并且整個控制性能受電機(jī)參數(shù)影響較大。電流預(yù)測控制能夠?qū)崿F(xiàn)在當(dāng)前控制周期下，預(yù)測出下一個周期的控制指令，從而從本質(zhì)上解決 PI 調(diào)節(jié)的滯后性，提升系統(tǒng)的帶寬。

圖6 基于無差拍電流預(yù)測控制器的異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)框圖

無差拍電流預(yù)測控制器的思路：利用系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和當(dāng)前時刻的采樣值，求出給定電壓矢量，并使逆變器輸出電壓矢量，達(dá)到實(shí)際電流在下一采樣周期能跟蹤上給定電流的效果。

2.1電流預(yù)測控制器原理

異步電機(jī)在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，選擇定子電流和轉(zhuǎn)子磁鏈作為狀態(tài)變量，得到異步電機(jī)的狀態(tài)方程如式4所示。

設(shè)計(jì)無差拍電流預(yù)測控制器需要將異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型離散化，由式4可得電機(jī)離散化狀態(tài)方程，如式5所示。

圖7 無差拍電流預(yù)測控制器

圖8 無差拍電流預(yù)測控制器q軸電流階躍響應(yīng)

三、仿真分析

圖9 基于傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器的異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真

圖10 基于復(fù)矢量PI調(diào)節(jié)器的異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真

圖10 基于無差拍電流預(yù)測控制器的異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真

圖a 傳統(tǒng)PI

圖b 復(fù)矢量PI

圖c 無差拍電流預(yù)測控制器

通過以上仿真結(jié)果可以看出，相比較于傳統(tǒng)PI電流調(diào)節(jié)器，采用電流預(yù)測控制器時轉(zhuǎn)矩電流的跟蹤特性明顯改善且能明顯的提升系統(tǒng)的動態(tài)性能，并在整個過程也能略過試湊PI 參數(shù)的繁瑣過程。未考慮改變電機(jī)參數(shù)和其他特殊的運(yùn)行方式時，兩種調(diào)節(jié)器在仿真中的性能區(qū)別不是很大。但是總體上而言，復(fù)矢量PI調(diào)節(jié)器不像傳統(tǒng) PI 調(diào)節(jié)器那樣將兩個電流環(huán)分開考慮，所以復(fù)矢量PI調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)要簡單很多。