基于永磁同步电动机预测控制的有限控制集模型研究

蒋炜华 赵斌

摘要：本文提出了一种变频PWM的PMSM（永磁同步电机）预测控制。FCS-MPC高性能可以结合传统调制技术优化其他变量，主要是电流的转矩脉动和总谐波失真（THD）。如果转矩脉动可以预测和控制，找到开关损耗和最大转矩脉动之间的折中通过FPGA实现，结合并行流水线算法。

关键词：MPC；控制策略；FPGA

中图分类号：TM301.2 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）08-0006-02

1 引言

模型预测控制（MPC）是当今的一个行之有效的控制技术[1]，可以很容易地应用于多变量系统。应用到电力电子技术的MPC技术被分为两大类：连续控制（CCS）和有限控制集（FCS-MPC）。由于电力电子转换器、开关状态的数量实际上是限制在一个有限集中，FCS-MPC方法易于实现。然而，这种方法需要很高的采样频率来达到良好的性能。MPC的最大缺点是计算量大，特别是在线实现时的计算必须实时完成。现场可编程门阵列（FPGA）包含基本单元和互连，让他们建立量身定制的硬件架构[2]。

2 控制策略

进行实验和控制的驱动系统是由三相两电平逆变器供电的三相永磁同步电机（PMSM）组成的。PMSM的动态行为由已知的电压方程描述，即d-q参考坐标。通过测量相电流和转换为转子参考坐标得到电流空间相量。施加的速度控制器提供了的参考。逆变器的开关命令通过使用在线自适应性SVM得到，能够改变每个周期的采样时间。控制策略如图1所示。

控制方案如图2所示，其成本函数通过减少和误差减少下个采样的电磁转矩误差。此外，成本函数扩展的方式是通过向电机施加最合适的电压优化转矩脉动。

2.1 电流纹波预测

对于所提出的控制方案，实施了已知的空间矢量调制（SVM）技术[3]。传统上每臂的每个晶体管在每逆变器的每个开关周期将切换两次。电流的预期行为来自调制器的开关信号。通过计算每个矢量的电流偏差，计算纹波电流预测。

2.2 成本函数

优化过程是通过评估不同的替代品，即不同的采样时间和不同的开关频率的预测值来实现的。在每一种情况下，成本函数被评估和最小化。成本函数包含电流、的绝对误差，权重和是用于设置控制的动态；为转矩脉动权重，是开关频率值，假设开关损耗正比于逆变器开关频率，则减小开关频率可减少开关损耗。归一化到额定电流，归一化到最大开关频率，和中定义不利于电流和的绝对误差。最终的成本函数由下式给出：

3 實验结果

实验中，参考速度设置为1500min-1和设为0.25A（的6.1%）。正如图4所示，控制器的动态响应是预期的，得到了理想的开关频率响应；当发生变化时，选择最高开关频率，可以在图3右侧看到；在一些瞬间切换期间，Ts为最低（50 us），在大约200us或四倍时间内，使等于。一旦和之间的误差减少，整套解决方案被认为是最小过程。这将减少开关频率，直到它稳定到最佳值，这将取决于转矩脉动允许的最大值，以这种方式减少开关损耗。

图4可以看出，电流纹波保持在所需的水平。这里可以更清楚地看到稳态误差，约为的1.5%。对成本函数的g1和g2的形式进行测试，但整体成本函数g2没有产生不同的结果。

4 结语

本文提出了具有可变开关调制器频率的FCS-MPC在永磁同步电机控制的FPGA平台上实现，可以获得期望高性能动态控制以及开关频率响应。参考转矩变化时，控制器工作在最大频率时，然后将减少和固定于某个值，这取决于期望的最大转矩脉动。为了减少逆变器上的开关损耗将开关损耗与开关频率直接相关。

参考文献

[1]沈坤.一种多步预测的变流器有限控制集模型预测控制算法[J].中国电机工程学报，2012，32（33）：37-44.

[2]贾达.基于FPGA的电机控制模块[J].计算机工程与设计，2010，31（14）：3237-3240.

[3]高键.基于SVM的永磁同步电机直接转矩控制的仿真研究[J].科学技术与工程，2013，13（1）：63-69.