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永磁同步電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）以其高功率密度和高能量密度廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車和軌道交通牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。與此同時(shí)，永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高性能控制策略的研究受到了廣泛關(guān)注。

模型預(yù)測控制（Model Predictive Control, MPC）基于預(yù)測模型考慮控制量對未來輸出的影響，具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快和便于處理非線性優(yōu)化問題的特點(diǎn)，隨著數(shù)字處理器運(yùn)算性能的提升，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。有限控制集模型預(yù)測控制（Finite Control Set Model Predictive Control, FCS-MPC）將模型預(yù)測與逆變器的開關(guān)狀態(tài)相結(jié)合，由于其結(jié)構(gòu)簡單，無需參數(shù)整定，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中得到了較多的研究。

FCS-MPC通過預(yù)測逆變器各開關(guān)狀態(tài)對應(yīng)電壓矢量的控制效果選取最優(yōu)矢量，電流響應(yīng)速度快，但引入較大的電流諧波和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。為改善FCS-MPC的控制效果，國內(nèi)外學(xué)者提出了多種改進(jìn)策略。

文獻(xiàn)[8]將控制周期等分成三段，每段時(shí)間內(nèi)選用不同的基本矢量構(gòu)建38個(gè)虛擬矢量，相比僅采用基本矢量，電流脈動(dòng)和諧波含量有一定減小。文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)評價(jià)函數(shù)求解單矢量作用的最優(yōu)占空比，采用幅值可變的電壓矢量有效減小電流諧波，策略實(shí)用性較高，但電壓矢量相角固定。

文獻(xiàn)[10,11]結(jié)合矢量選擇與作用時(shí)間計(jì)算，拓展矢量幅值相角選擇范圍。在每個(gè)扇區(qū)內(nèi)構(gòu)建不同相角的虛擬矢量，并計(jì)算最優(yōu)的電壓矢量作用時(shí)間。但隨著控制集拓展，控制效果提升的同時(shí)，預(yù)測計(jì)算的復(fù)雜度相應(yīng)增加，導(dǎo)致控制策略計(jì)算量增加。文獻(xiàn)[8,12]研究了采用無差拍原理減少預(yù)測計(jì)算次數(shù)的方法，僅比較無差拍控制電壓參考值所在扇區(qū)內(nèi)的電壓矢量，顯著減小計(jì)算量。

此外，在永磁同步電機(jī)運(yùn)行中，受鐵心磁飽和等因素影響，電機(jī)參數(shù)實(shí)時(shí)變化，影響電流預(yù)測精確度和控制效果。文獻(xiàn)[13]考慮逆變器非線性，設(shè)計(jì)在線參數(shù)辨識算法，提高策略的參數(shù)魯棒性。文獻(xiàn)[14]補(bǔ)償逆變器死區(qū)效應(yīng)帶來的電流畸變，減小模型非線性誤差。

文獻(xiàn)[15]構(gòu)建了一種具有較強(qiáng)魯棒性的轉(zhuǎn)矩預(yù)測模型，在轉(zhuǎn)矩預(yù)測模型中加入預(yù)測誤差補(bǔ)償器，消除參數(shù)失配等因素對轉(zhuǎn)矩預(yù)測結(jié)果的干擾。文獻(xiàn)[16]通過計(jì)算8個(gè)基本電壓矢量作用時(shí)的預(yù)測誤差，采用上一時(shí)刻電壓指令對應(yīng)的預(yù)測誤差校正當(dāng)前時(shí)刻的預(yù)測結(jié)果，參數(shù)魯棒性較好。文獻(xiàn)[17-19]引入干擾觀測器對參數(shù)誤差引起的擾動(dòng)進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，通過觀測結(jié)果補(bǔ)償預(yù)測誤差，具有準(zhǔn)確的參數(shù)擾動(dòng)抑制效果。

針對預(yù)測電流控制電流諧波較大、參數(shù)依賴性較強(qiáng)等問題，提出一種計(jì)及參數(shù)誤差的最優(yōu)虛擬矢量預(yù)測電流控制。通過基本電壓矢量合成幅值相角可變的電壓指令，拓展控制集范圍至六邊形區(qū)域。在此基礎(chǔ)上，采用無差拍原理確定最優(yōu)虛擬矢量所處扇區(qū)，將預(yù)測計(jì)算次數(shù)從6次減少到1次。設(shè)計(jì)帶有電流預(yù)測誤差反饋校正的評價(jià)函數(shù)，通過求解最優(yōu)化問題計(jì)算各基本電壓矢量作用時(shí)間，提高電流控制效果和參數(shù)魯棒性，并且采用一拍預(yù)測補(bǔ)償數(shù)字控制系統(tǒng)中的控制延時(shí)。

仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文所提出的策略可有效降低電流脈動(dòng)和諧波含量，并且具有較強(qiáng)的參數(shù)魯棒性。

圖2 改進(jìn)預(yù)測電流控制策略框圖

結(jié)論

本文在分析永磁同步電機(jī)電感誤差對電流預(yù)測影響的基礎(chǔ)上，提出一種計(jì)及參數(shù)誤差的永磁同步電機(jī)最優(yōu)虛擬矢量預(yù)測電流控制?；跓o差拍原理快速判斷最優(yōu)電壓矢量所處扇區(qū)，將控制策略中預(yù)測計(jì)算的次數(shù)從6次減少到1次，減小計(jì)算量，提高控制策略的實(shí)用性。采用由基本電壓矢量合成的最優(yōu)虛擬電壓矢量，將控制集從有限個(gè)數(shù)擴(kuò)展到基本電壓矢量構(gòu)成的六邊形區(qū)域內(nèi)，提高電流控制精度。評價(jià)函數(shù)引入預(yù)測誤差反饋校正，補(bǔ)償預(yù)測誤差，提高策略的參數(shù)魯棒性。

仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，本文提出的控制策略在不同工況下控制效果良好。相比于單矢量占空比優(yōu)化MPC可以減小電流THD 70%左右，電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性有一定提升。并且在電感失配±30%范圍內(nèi)均能保證相同的控制效果，具有較強(qiáng)的參數(shù)魯棒性。