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摘 要：针对传统模型预测控制中采用一个最优电压矢量存在抖动的问题，本文设计了一种多矢量有限控制集模型预测控制（Multi-vector finite control set model predictive control， MV-FCS-MPC）方案。该方法基于离散空间矢量调制（Discrete space vector modulation， DSVM），利用变换器的实际电压矢量和新的虚拟电压矢量，合成并选择各采样周期的开关序列，提高稳态性能。考虑到传统模型预测控制存在的运算量大，本文基于无差拍函数直接从参考电流获得参考电压矢量的方法，减少了所提方法的计算量。通过仿真与传统的FCS-MPC方法进行了比较，验证所提方法动静态性能良好，鲁棒性强。

关键词：模型预测控制；多矢量；无差拍函数

1 引言

模型预测控制（Model predictive control，MPC）因结构简单、动态响应快、鲁棒性强等优点，在电力电子和电气传动领域引起了极大的关注，永磁同步电机（Permanent magnet synchronous motor， PMSM）因高效率、高转矩惯量比和高功率密度等优点广泛应用在伺服系统和电动汽车领域。

复杂的城市工况下，电动汽车由于频繁启停、紧急制动等操作，使系统长时间工作在低效率区间，加剧了续航困扰。本文引入模型预测控制，通过成本函数对系统加以针对性的约束，设计合理的控制器以提高系统效率，通过Matlab中的Simulink搭建基于永磁同步电机的模型，进行仿真分析，验证控制策略的有效性和可行性，达到改善系统续航能力的目的。

2 永磁同步电机FCS-MPC 控制

2.1 永磁轮毂电机模型

本文选择内置式永磁同步电机作为轮毂的电机类型，假设电机的三相绕组完全对称以简化分析，同时忽略涡流损耗和磁滞损耗。在两相旋转d-q坐标系下，电机满足状态方程

三矢量模型预测控制（Three-Vector-based Model Predictive Control， TV-MPC）在每个扇区用相邻两个有效电压矢量和一个零矢量等效地合成一个期望电压矢量。6个扇区合成6个方向和幅值均可变的期望电压矢量作为备选电压矢量，其范围可覆盖任意方向，任意幅值。其控制框图如图3所示。

3 仿真分析

搭建如图3所示的Matlab/Simulink 仿真平台，与传统矢量控制方法对比分析。模型相关参数如表1 所示。

搭建如图3所示的Matlab/Simulink 仿真平台，与传统矢量控制方法对比分析。模型相关参数如表1 所示。

设置负载转矩为10 N·m ，给定转速60r/min进行仿真，对比传统矢量控制和FSC-MPC 控制方法。由图4，图5可知，FSC-MPC 对比传统双闭环PI矢量控制，MPC在转速环参数相同的条件下，转速更快达到给定值，没有超调量且能够稳定运行，在动态性能上具有更好的快速性。

对于稳态特性，本文所采用的id = 0控制策略中，电磁转矩与q轴电流可近似为线性关系，因此以q轴电流作为主要的性能观测量。如图5可知，相比于传统矢量控制，FSC-MPC 系统中，交轴电流纹波明显减小，具有更好的稳态性能。

因此，对比传统PI双闭环控制，FSC-MPC控制策略在其动态性能上的快速性，以及稳态性能上的平稳性，均有着优于传统控制系统的表现，明显改善了系统的稳态性能，提高了控制精度。

参考文献

[1] 张晓光，张亮，侯本帅. 永磁同步电机优化模型预测转矩控制[J]. 中国电机工程学报，2017，37（16）：4800-4809，4905.

[2] 贾成禹，王旭东，周凯. 基于线性变参数模型预测控制的内置式永磁同步电机转速控制器设计[J]. 电工技术学报，2020，35（22）：4666-4677.

[3] 薛诚，宋文胜，武雪松，等. 无差拍优化五相永磁同步电机有限集模型预测转矩控制算法[J]. 中国电机工程学报，2017，37（23）：7014-7023，7093.

[4] 刘佳敏，葛召炎，吴轩，等. 基于占空比调制的永磁同步电机预测电流控制[J]. 中国电机工程学报，2020，40（10）：3319-3328.

[5] 兰志勇，王波，徐琛，等. 永磁同步电机新型三矢量模型预测电流控制[J]. 中国电机工程学报，2018，38（S1）：243-249.