重磅！双三相永磁同步电机模型预测电流控制方法来了

沈阳工业大学研究者提出一种双三相永磁同步电机的模型预测电流控制方法，可有效减少谐波电流、计算负担和系统共模电压！

与三相电机相比，双三相永磁同步电机具有更好的容错能力、更高的转矩密度、更低的单相电流和更高的效率。这些优点使得双三相永磁同步电机广泛应用于大功率、高可靠性的应用领域，如电动滑翔伞、电动汽车、电动飞机等。由于一些完全成熟的三相技术可以直接拓展应用，因此双三相永磁同步电机比四相、五相和七相电机更具有优势。

近15年来，模型预测控制因具有动态响应快、结构简单、添加约束容易等优点，逐渐成为研究热点。根据控制目标的不同，可分为模型预测电流控制和模型预测转矩控制。模型预测电流控制以电流为控制目标，适用于电力电子领域，已广泛应用于三相驱动系统中，预测计算所有电压矢量并通过价值函数选取最优电压矢量。

但对于多相系统而言，电压矢量呈指数倍增长，如果对满足期望条件的电压矢量进行遍历的预测计算，将严重增加控制器的计算负担。此外，多相驱动系统具有谐波平面。为了改善电流质量，需要引入谐波项的权重系数。因为没有关于权重系数调整的理论基础，这使得方法复杂化，同时带来了额外的计算负担。因此，模型预测电流控制应用于多相驱动系统时，谐波电流和计算负担是需要考虑的两个问题。

针对双三相永磁同步电机模型预测控制中存在共模电压较大、xy平面上谐波电流较大和控制器计算负担严重的问题，沈阳工业大学电气工程学院的孙全增、张志锋，提出一种低共模电压的模型预测电流控制方法。

首先，研究者将虚拟电压矢量作为输入控制集，通过具有小共模电压的虚拟电压矢量对xy平面进行控制。然后，在每个采样周期中，通过计算参考电压矢量位置来减少候选电压矢量的数量。再通过无权重系数的价值函数对候选电压矢量进行评估，选择出最优电压矢量。

该方法有效地减少了xy平面上的谐波电流，消除了价值函数中的权重系数；减少了控制器的计算负担和双三相永磁同步电机驱动系统中固有的共模电压。

本工作成果发表在《电工技术学报》，论文标题为“双三相永磁同步电机低共模电压模型预测电流控制”。本课题得到国家自然科学基金资助项目的支持。

西安航空学院学者提出五相永磁同步电机串级模型预测电流控制方法

在五相永磁同步电机模型预测控制中，权重系数取值关系到各被控量性能以及系统整体性能的均衡，通过繁琐的计算法获取权重系数难以保证系统控制性能最优。西安航空学院学者采用级联模型预测控制的思想，提出两种无权重系数的成本函数设计方案。基波电流优化方案可提高直流母线电压利用率和动态响应能力；谐波电流优化方案能够减小定子电流谐波，以降低系统噪声和振动。

研究背景

在当今大力发展新能源应用技术的背景下，多相永磁同步电机与升降压功率变换器组成的电驱系统迎合了新能源发展的趋势。模型预测控制应用于多相永磁同步电机具有实现简单、动态响应快、无需调制等优点，很好地解决了多变量和非线性的控制问题。成本函数及权重系数设计、运算效率、多步预测、参数鲁棒性等都是多相永磁同步电机模型预测控制的研究热点。

论文所解决的问题及意义

由于成本函数各被控量的量纲不同，须匹配合理的权重系数才能使系统趋于稳定。然而，权重系数与被控变量之间没有明确的数学关系，无法通过解析法求得权重系数。本文所提方法通过设置基波电流和谐波电流的控制优先级建立级联结构的成本函数，在无需权重系数的情况下可计算得到平衡基波电流和谐波电流性能的最优电压矢量，具有更好的电流谐波抑制能力和动态响应速度。

论文方法及创新点

本文基于级联模型预测控制的思想，提出一种适用于五相永磁同步电机的串级模型预测电流控制。将包含定子基波电流和三次谐波电流的成本函数拆分为两个独立的成本函数，构建基波电流优化方案和谐波电流优化方案，如图1所示。

图1 串级模型预测电流控制的成本函数设计

两种方案按照被控量的优先级确定成本函数的排列次序，逐级选出最优电压矢量。此外，为了降低算法的运算量，采用扇区判断法排除不合理的电压矢量。五相永磁同步电机串级模型预测电流控制的实现流程如图2所示。

图2 五相永磁同步电机串级模型预测电流控制实现流程

1）基波电流优化方案

基波电流优化方案的原理是以基波电流为主要控制对象，谐波电流为次要控制对象。从所有候选电压矢量中选出能够较好跟随基波电流参考指令的电压矢量，再从这些矢量中选出消除三次谐波电流的电压矢量。

图3 基波和谐波空间的电压矢量

施加给五相永磁同步电机的电压矢量如图3所示，先利用基波电流成本函数选出两个大矢量和零矢量，作为三次谐波电流成本函数的输入。再计算出这3个电压矢量在三次谐波电流成本函数中的值，选择基波电流优化方案的最优电压矢量。

2）谐波电流优化方案

谐波电流优化方案的目标是抑制三次谐波电流、减小转矩脉动，因此以谐波电流为主要控制对象，基波电流为次要控制对象，电压矢量从大矢量、中矢量和零矢量中选择。从大矢量和中矢量中分别选出一个使三次谐波电流成本函数值最小的电压矢量和零矢量作为基波电流成本函数的输入。计算出这3个电压矢量在基波电流成本函数中的值，选择谐波电流优化方案的最优电压矢量。采用谐波电流优化方案的实验对比数据如图3所示。

图4 相电流的谐波含量

结论

本文提出了一种用于五相永磁同步电机的串级模型预测电流控制，解决权重系数整定繁琐的问题。通过设置基波电流和谐波电流的控制优先级建立级联结构的成本函数，因此在无需权重系数的情况下成本函数能够选择平衡基波电流和谐波电流性能的最优电压矢量。实验结果表明，所提方法具有比传统模型预测电流控制更好的电流谐波抑制能力和动态响应速度。

团队介绍

西安航空学院电气控制科研团队长期致力于电力电子变换器、电力传动调速系统和电气控制系统的研究与应用。主要以伺服电机在军事武器平台、导航定位和侦查监视方面应用为背景，开展伺服系统高精度、高动态响应控制方法及在极端环境下的故障预测、诊断和处理技术研究。近年来，团队承接了多项省部级和校企合作项目。

肖海峰，电子工程学院副院长，教授，研究方向为永磁同步电机的非线性控制。

许宇豪，讲师，研究方向为功率变换器和交流电机控制。

本工作成果发表在2023年第8期《电气技术》，论文标题为“五相永磁同步电机串级模型预测电流控制”，作者为肖海峰、许宇豪 等。本课题得到陕西省科技厅项目、陕西省教育厅项目、西安航空学院科研基金项目的支持。

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