20、PID与FCS预测控制在电气驱动和功率变换器中的应用

PID与FCS预测控制在电气驱动和功率变换器中的应用

1. PID控制器调优

1.1 电流控制器

在电流控制系统设计中，高增益控制器更受青睐，原因主要有以下三点：
- 快速动态响应 ：高增益电流控制器能确保对参考变化和干扰具有快速的动态响应。
- 减少PWM误差 ：PWM误差被建模为输入干扰，其具有以PWM开关频率为中心频率的周期性信号特征。为减少调制误差影响，输入灵敏度函数在中低频区域的幅值需较小。
- 级联控制优势 ：在速度和电压控制中，需采用级联控制结构。高增益电流控制使电流控制的闭环时间常数变小，被忽略的动态特性对级联控制系统性能的影响可忽略不计。

若采用PI控制器进行电流控制，且电流控制系统带宽指定为 $𝑤_n = \frac{1}{1 - \gamma a}$ rad/s（其中 $s = -a$ 是电流系统的开环极点），则建议 $\gamma$ 在0.9到0.95的范围内，这是开环带宽的10到20倍。

1.2 速度、位置和电压控制器

速度和电压控制器位于控制系统结构的外环。外环主要关注闭环系统对未建模动态和机械部分建模误差的鲁棒性。在外环控制系统设计中，速度和电压控制采用PI控制器，位置控制采用PID控制器，以满足稳态性能要求。

对于电气驱动控制，当 $𝑤_n = \frac{1}{1 - \gamma a}$ rad/s（其中 $s = -a$ 是机械系统的开环极点）时，建议 $\gamma$ 在0.6到0.9的范围内。较小的 $\gamma$ 会使闭环