一种用于电动汽车多级逆变器馈电多相永磁同步电机驱动系统的统一高效模型预测控制方法

《IEEE Open Journal of Vehicular Technology》：A Unified Computationally Efficient Model Predictive Control for Multilevel Inverter–Fed Multiphase PMSM Drives for Electric Vehicles

　　

摘要：

由多电平逆变器驱动的多相永磁同步电机在交通电气化领域具有很大应用潜力，因为它们能提供高可靠性、平稳的扭矩以及良好的电压质量。然而，在这类多相高电平逆变器中，基于有限控制集的模型预测控制会因开关状态候选项的数量呈指数级增长而面临挑战，这不利于在汽车级控制器上实现实时控制。本文旨在开发一种改进的模型预测控制方案，在保持动态性能的同时大幅降低计算负担。所提出的方法将评估范围限制在当前状态周围最多2m（其中m表示相数）个相邻的开关状态，且与逆变器级数无关，从而将搜索空间从nm（其中n为逆变器级数）缩小到一个固定的小范围。一个外部超局部无模型速度控制器可直接根据速度和电流测量值生成i?q的参考值，无需针对不同机器和逆变器配置进行PI参数调整。在采用三电平、五电平及七电平逆变器的三相和五相永磁同步电机驱动系统中进行的仿真以及基于dSPACE的实验结果表明，该方案的电流和扭矩波形较为平稳，接近正弦波，电流总谐波失真和扭矩波动均有所降低，其效果可与传统模型预测控制相媲美甚至更优，同时控制执行时间仍可在10kHz工作频率下的<100?μs时间预算范围内完成控制。这些结果证明了该策略在多相多电平牵引驱动系统中的实时可行性、谐波质量提升效果以及良好的扩展性。