永磁同步电机的高性能控制（2）电流谐波最优的模型预测控制

        无差拍预测电流控制（DPCC）是属于模型预测控制的一种，这种控制方法一般是结合传统的调制策略，以保证开关频率固定。

        对于有限集模型预测控制而言，通常选取电流预测值与给定值的误差作为代价函数，或是选取各电压矢量与给定值的误差作为代价函数。对于这一类有限集MPC而言，他们的电流谐波往往会大于DPCC的电流谐波。因为DPCC利用了调制环节，一个周期内，具有两个有效电压矢量，以及两个零矢量（以SVPWM为例，其电压矢量排布已经在很大程度上能抑制电流谐波）。而有限集MPC还分为单矢量、双矢量、三矢量，在使用的时候，还需要自己设计开关顺序，而设计者不一定会考虑电压矢量作用顺序对电流谐波的影响。

PMSM-DPCC的原理：

我们将dq电压方程改写为以下形式：

系统的控制框图如下：

        从这个框图中可以看到，相对于传统的矢量控制框图，DPCC只是将电流环改造成了基于模型预测电流的电流环。后边的调制策略仍采用SVPWM. 

考虑系统延时的DPCC策略：

        在理想情况下，DSP控制器采样到电机数据后，可以立刻将计算出的电压矢量作用于电机，其时序图如图 4.1（a）所示。但是在实际情况中，由于进行模数采样转化（AD转化）、电压矢量计算需要消耗一定时间，其时序图如图 4.1（b）所示，当前计算的电压矢量不可直接作用于电机，而是在下一时刻才能作用于电机，即控制系统中存在一拍延时。若不进行延时补偿，就会影响系统的控制性能。

        从上述分析可知，在第k控制周期内，计算出来的电压矢量只能在第k+1周期开始时作用于电机。为进行延时补偿，应当通过当前电流（第k时刻的电流），以及当前周期内作用于电机的电压矢量（第k时刻的电压矢量），利用电流的离散模型计算出第k+1时刻的电流值，进而选取出作用于第k+1时刻的电压矢量，其控制时序图如下图所示。 

        在考虑延时补偿后，需要先进行一拍延时补偿，预测出下一时刻的电流后，再计算电压矢量参考值：（计算一拍延时补偿，需要额外采集当前时刻作用的电压矢量大小） 

仿真的相关参数如下所示：

Tpwm = 1e-4;%开关周期

Tspeed = 5e-4;%转速采样周期，在实际DSP系统中，Tspeed会小于Tpwm

Pn = 4;%电机极对数

Ls = 8.5e-3;%定子电感，采用隐极的，Ld=Lq=Ls

Rs = 3;%定子电阻

flux = 0.1688;%永磁体磁链

Vdc = 311;%直流母线电压

iqmax = 30;%额定电流

J=0.01;%电机转动惯量

系统的仿真框图如下所示：

这是一拍延时补偿模块以及内部函数：

        下面这是SVPWM的内部结构，红色方框部分，是我们采集当前电压矢量大小的计算模块。 

仿真结果展示：（给定转速为1200r/min，在0.2s突加5Nm负载，在0.35s减速至1000r/min） 

无差拍（电流环用DPCC）与传统矢量控制（电流环采用PI）的对比：

        上面的是无差拍，下面是传统控制。可以看到，DPCC的动态响应更快一些，比如说，在转矩启动的时候，传统的矢量控制有一瞬间超过了最大转矩（图中有一个小尖头冒出来），而DPCC启动时的转矩波形就没有这种情况。再然后可以看到，传统矢量控制的转速超调比较大一点，将要顶到方格线的最高处了，但是无差拍最高转速没有达到那么高。

        而且传统矢量控制严重依赖PI参数，我这个PI调的算是很好了，如果PI数据差的话，两者的对比就更明显了。

        就比如下面这幅图，我稍微改了一些PI参数，最下面的是传统矢量控制，上面的时候DPCC。很明显，这时候PI的转速超调量更大了。而且传统矢量控制的转矩响应更慢了。就比如一开始启动的时候，DPCC的转矩基本上是呈现垂直上升的；而传统矢量控制的转矩在准备达到最大值的时候，转矩增加的速度明显减慢了，有一个小小的拐角。

        DPCC具有直接转矩控制（DTC）的快速性，又兼具传统矢量控制（FOC）的稳态性能。但是当出现参数失配时，DPCC的控制效果会急剧下降。