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征稿｜第四届轨道交通电气与信息技术国际学术会议
征稿｜中国电工技术学会电机与系统学报（英文季刊）
摘要
同济大学电子与信息工程学院的研究人员康劲松、李旭东等，在2018年第24期《电工技术学报》上撰文（论文标题为“计及参数误差的永磁同步电机最优虚拟矢量预测电流控制”）指出，受电压矢量数目限制，引入占空比优化的有限集预测控制存在较大电流脉动，且电流预测精度对电机参数依赖性较高。运行中电机参数受磁饱和等因素的影响实时变化，电流控制精度降低。为此，提出一种基于最优虚拟矢量的改进预测电流控制策略。
通过基本电压矢量合成虚拟矢量，拓展电压指令范围至六边形区域。采用无差拍控制原理计算最优虚拟矢量所处扇区，确定所需基本矢量，减少电流预测计算次数。在此基础上，设计带有预测误差反馈校正的评价函数，计算各基本矢量作用时间，构建最优虚拟矢量提升电流控制精度。
所提出的改进预测电流控制策略显著降低了计算时间和电流脉动，并且具有较强的参数鲁棒性。基于两电平逆变器永磁同步电机驱动系统进行仿真和实验，结果验证了策略的有效性。
永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）以其高功率密度和高能量密度广泛应用于电动汽车和轨道交通牵引传动等领域。与此同时，永磁同步电机驱动系统高性能控制策略的研究受到了广泛关注。
模型预测控制（Model Predictive Control, MPC）基于预测模型考虑控制量对未来输出的影响，具有动态响应快和便于处理非线性优化问题的特点，随着数字处理器运算性能的提升，在电机驱动领域得到广泛应用。有限控制集模型预测控制（Finite Control Set Model Predictive Control, FCS-MPC）将模型预测与逆变器的开关状态相结合，由于其结构简单，无需参数整定，在电机驱动系统中得到了较多的研究。
FCS-MPC通过预测逆变器各开关状态对应电压矢量的控制效果选取最优矢量，电流响应速度快，但引入较大的电流谐波和转矩脉动。为改善FCS-MPC的控制效果，国内外学者提出了多种改进策略。
文献[8]将控制周期等分成三段，每段时间内选用不同的基本矢量构建38个虚拟矢量，相比仅采用基本矢量，电流脉动和谐波含量有一定减小。文献[9]设计评价函数求解单矢量作用的最优占空比，采用幅值可变的电压矢量有效减小电流谐波，策略实用性较高，但电压矢量相角固定。
文献[10,11]结合矢量选择与作用时间计算，拓展矢量幅值相角选择范围。在每个扇区内构建不同相角的虚拟矢量，并计算最优的电压矢量作用时间。但随着控制集拓展，控制效果提升的同时，预测计算的复杂度相应增加，导致控制策略计算量增加。文献[8,12]研究了采用无差拍原理减少预测计算次数的方法，仅比较无差拍控制电压参考值所在扇区内的电压矢量，显著减小计算量。
此外，在永磁同步电机运行中，受铁心磁饱和等因素影响，电机参数实时变化，影响电流预测精确度和控制效果。文献[13]考虑逆变器非线性，设计在线参数辨识算法，提高策略的参数鲁棒性。文献[14]补偿逆变器死区效应带来的电流畸变，减小模型非线性误差。
文献[15]构建了一种具有较强鲁棒性的转矩预测模型，在转矩预测模型中加入预测误差补偿器，消除参数失配等因素对转矩预测结果的干扰。文献[16]通过计算8个基本电压矢量作用时的预测误差，采用上一时刻电压指令对应的预测误差校正当前时刻的预测结果，参数鲁棒性较好。文献[17-19]引入干扰观测器对参数误差引起的扰动进行准确计算，通过观测结果补偿预测误差，具有准确的参数扰动抑制效果。
针对预测电流控制电流谐波较大、参数依赖性较强等问题，提出一种计及参数误差的最优虚拟矢量预测电流控制。通过基本电压矢量合成幅值相角可变的电压指令，拓展控制集范围至六边形区域。在此基础上，采用无差拍原理确定最优虚拟矢量所处扇区，将预测计算次数从6次减少到1次。设计带有电流预测误差反馈校正的评价函数，通过求解最优化问题计算各基本电压矢量作用时间，提高电流控制效果和参数鲁棒性，并且采用一拍预测补偿数字控制系统中的控制延时。
仿真和实验结果表明本文所提出的策略可有效降低电流脉动和谐波含量，并且具有较强的参数鲁棒性。
图2 改进预测电流控制策略框图
结论
本文在分析永磁同步电机电感误差对电流预测影响的基础上，提出一种计及参数误差的永磁同步电机最优虚拟矢量预测电流控制。基于无差拍原理快速判断最优电压矢量所处扇区，将控制策略中预测计算的次数从6次减少到1次，减小计算量，提高控制策略的实用性。采用由基本电压矢量合成的最优虚拟电压矢量，将控制集从有限个数扩展到基本电压矢量构成的六边形区域内，提高电流控制精度。评价函数引入预测误差反馈校正，补偿预测误差，提高策略的参数鲁棒性。
仿真和实验结果均表明，本文提出的控制策略在不同工况下控制效果良好。相比于单矢量占空比优化MPC可以减小电流THD 70%左右，电流动态响应特性有一定提升。并且在电感失配±30%范围内均能保证相同的控制效果，具有较强的参数鲁棒性。
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