基于三电平NPC逆变器的PMSM增强型模型预测电流控制策略及直流母线电压自平衡机制研究

为解决三电平中性点钳位(3L-NPC)逆变器驱动永磁同步电机(PMSM)时存在的计算复杂度高、直流母线电容电压平衡困难等问题，研究人员提出了一种增强型有限控制集模型预测控制(FCS-MPC)策略。该研究通过两阶段优化流程重构中矢量电压，采用P型小矢量开关状态，将评估向量从27个降至19个，在保证动态性能的同时降低30%计算负荷，并实现全工况下的电容电压自平衡。实验表明该方法在500rpm时使定子电流总谐波失真(THD)降低49.8%，为高功率电机驱动系统提供了更高效的解决方案。

　　

在电动汽车和工业驱动领域，永磁同步电机(PMSM)因其高功率密度和卓越效率成为首选，而三电平中性点钳位(3L-NPC)逆变器凭借其低开关损耗、高输出质量等优势，成为高功率PMSM系统的理想选择。然而传统有限控制集模型预测控制(FCS-MPC)存在两大痛点：一是需要遍历27种开关状态导致计算负担沉重，二是直流母线电容电压平衡依赖权重因子调节，尤其在低速工况下易受中矢量电压影响而失衡。这些问题严重制约了3L-NPC逆变器在高性能电机驱动中的应用效果。

为突破这些技术瓶颈，来自国内的研究团队在《Results in Engineering》发表创新成果，提出了一种融合直流母线电压自平衡机制的增强型模型预测电流控制策略。该研究通过重构中矢量电压的数学建模和两阶段优化流程设计，实现了计算效率与控制性能的双重提升。

研究主要采用离散时间建模结合一阶前向欧拉法建立预测模型，运用二阶拉格朗日外推法进行电流预测，并通过19种精简开关状态的滚动优化实现控制目标。特别设计了基于P型小矢量的自平衡算法，将中矢量电压重构为两个小矢量的线性组合（如V_M7=(V_1N+V₇+V_2P)/3），有效抵消了中矢量对中性点电压的干扰。

研究结果部分，稳态性能测试显示：在2000rpm工况下，所提方法的d-q轴电流均方根误差(RMSE)分别为0.32%和0.3%，与传统FCS-MPC的0.33%/0.27%相当。动态响应实验中，从静止加速至1500rpm仅需0.12秒，负载突变时的转矩建立时间为7.2ms，展现出优异的动态跟踪能力。特别值得注意的是，在500rpm低速工况下，直流母线电压波动控制在±3V以内，定子电流THD从先前方法的2.27%降至1.14%，降幅达49.8%。处理器在环(PIL)验证进一步证实，采用TMS320F28379D控制器可实现THD<5%的实时控制性能。

该研究的突破性在于：首先，通过开关状态空间重构将计算负荷降低30%，使采样周期缩短成为可能；其次，创新的电压自平衡机制无需权重因子调节，解决了传统方法参数整定复杂的难题；最后，中矢量影响补偿技术攻克了低速工况下的电压失衡顽疾。这些创新为电动汽车等高动态要求的应用场景提供了更可靠的驱动方案，也为多电平逆变器的模型预测控制研究开辟了新思路。未来研究可进一步探索该策略在直接模型预测速度控制中的扩展应用，以及在更复杂工况下的鲁棒性验证。