基于永磁同步電動機預測控制的有限控制集模型研究

蔣煒華 趙斌

摘要：本文提出了一種變頻PWM的PMSM（永磁同步電機）預測控制。FCS-MPC高性能可以結合傳統調制技術優化其他變量，主要是電流的轉矩脈動和總諧波失真（THD）。如果轉矩脈動可以預測和控制，找到開關損耗和最大轉矩脈動之間的折中通過FPGA實現，結合并行流水線算法。

關鍵詞：MPC；控制策略；FPGA

中圖分類號：TM301.2 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）08-0006-02

1 引言

模型預測控制（MPC）是當今的一個行之有效的控制技術[1]，可以很容易地應用于多變量系統。應用到電力電子技術的MPC技術被分為兩大類：連續控制（CCS）和有限控制集（FCS-MPC）。由于電力電子轉換器、開關狀態的數量實際上是限制在一個有限集中，FCS-MPC方法易于實現。然而，這種方法需要很高的采樣頻率來達到良好的性能。MPC的最大缺點是計算量大，特別是在線實現時的計算必須實時完成。現場可編程門陣列（FPGA）包含基本單元和互連，讓他們建立量身定制的硬件架構[2]。

2 控制策略

進行實驗和控制的驅動系統是由三相兩電平逆變器供電的三相永磁同步電機（PMSM）組成的。PMSM的動態行為由已知的電壓方程描述，即d-q參考坐標。通過測量相電流和轉換為轉子參考坐標得到電流空間相量。施加的速度控制器提供了的參考。逆變器的開關命令通過使用在線自適應性SVM得到，能夠改變每個周期的采樣時間。控制策略如圖1所示。

控制方案如圖2所示，其成本函數通過減少和誤差減少下個采樣的電磁轉矩誤差。此外，成本函數擴展的方式是通過向電機施加最合適的電壓優化轉矩脈動。

2.1 電流紋波預測

對于所提出的控制方案，實施了已知的空間矢量調制（SVM）技術[3]。傳統上每臂的每個晶體管在每逆變器的每個開關周期將切換兩次。電流的預期行為來自調制器的開關信號。通過計算每個矢量的電流偏差，計算紋波電流預測。

2.2 成本函數

優化過程是通過評估不同的替代品，即不同的采樣時間和不同的開關頻率的預測值來實現的。在每一種情況下，成本函數被評估和最小化。成本函數包含電流、的絕對誤差，權重和是用于設置控制的動態；為轉矩脈動權重，是開關頻率值，假設開關損耗正比于逆變器開關頻率，則減小開關頻率可減少開關損耗。歸一化到額定電流，歸一化到最大開關頻率，和中定義不利于電流和的絕對誤差。最終的成本函數由下式給出：

3 實驗結果

實驗中，參考速度設置為1500min-1和設為0.25A（的6.1%）。正如圖4所示，控制器的動態響應是預期的，得到了理想的開關頻率響應；當發生變化時，選擇最高開關頻率，可以在圖3右側看到；在一些瞬間切換期間，Ts為最低（50 us），在大約200us或四倍時間內，使等于。一旦和之間的誤差減少，整套解決方案被認為是最小過程。這將減少開關頻率，直到它穩定到最佳值，這將取決于轉矩脈動允許的最大值，以這種方式減少開關損耗。

圖4可以看出，電流紋波保持在所需的水平。這里可以更清楚地看到穩態誤差，約為的1.5%。對成本函數的g1和g2的形式進行測試，但整體成本函數g2沒有產生不同的結果。

4 結語

本文提出了具有可變開關調制器頻率的FCS-MPC在永磁同步電機控制的FPGA平臺上實現，可以獲得期望高性能動態控制以及開關頻率響應。參考轉矩變化時，控制器工作在最大頻率時，然后將減少和固定于某個值，這取決于期望的最大轉矩脈動。為了減少逆變器上的開關損耗將開關損耗與開關頻率直接相關。

參考文獻

[1]沈坤.一種多步預測的變流器有限控制集模型預測控制算法[J].中國電機工程學報，2012，32（33）：37-44.

[2]賈達.基于FPGA的電機控制模塊[J].計算機工程與設計，2010，31（14）：3237-3240.

[3]高鍵.基于SVM的永磁同步電機直接轉矩控制的仿真研究[J].科學技術與工程，2013，13（1）：63-69.