文章导读

永磁同步电机 (PMSM) 在现代工业中广泛应用，因其具有高扭矩密度、高效能以及无需电刷和滑环等优势而备受青睐。然而，传统的有限控制集模型预测电流控制 (FCS-MPCC) 方法由于其每个控制周期内仅能选择8个基本电压矢量，导致稳态性能不尽理想，尤其是在电流波动和电磁转矩方面可能会出现显著偏差。来自东南大学电气工程学院的团队在 Electronics 期刊发表了文章，提出了扩展控制集模型预测电流控制 (ECS-MPCC) 策略，通过引入包含818个可选矢量的控制集来优化电压输出，并通过最小化成本函数实现对电流的瞬时响应 (即无差拍响应)。为了解决大幅增加电压矢量带来的计算负担问题，文中设计了一种简化的搜索策略，该策略能够适应多目标成本函数，并且可以推广到其他场合使用。

研究过程与结果

文章首先从分析永磁同步电机 (PMSM) 驱动系统中，有限控制集模型预测电流控制 (FCS-MPC) 存在的稳态性能不足问题入手。传统 FCS-MPC 在每个采样周期仅能从8个基本电压矢量中选择输出，导致实际输出与理想电压矢量之间存在较大差距，这会引发相电流和电磁转矩的波动，在低频段尤为明显。为解决这一问题，研究者提出了扩展控制集模型预测电流控制 (ECS-MPCC) 策略。该策略通过将控制集扩展到818个可选电压矢量，从而极大地细化了电压输出，提高了电流控制的稳态性能，并实现了更接近理想的瞬时响应效果。

ECS-MPCC 方法的控制框图

然而，随着可选电压矢量数量的显著增长，计算负担也随之增大。因此，文章提出了一种简化的搜索策略，旨在减少多目标优化下的遍历计算量，使得 ECS-MPCC 方法能够适应实时计算的需求。为了进一步提升执行效率并降低控制延时，研究人员将 ECS-MPCC 算法部署于现场可编程门阵列 (FPGA) 上。利用 FPGA 固有的并行处理能力，实现对电流环路控制时间的显著压缩，达到0.61微秒的超快速度。

通过理论分析、仿真及实验室环境下 PMSM 驱动器的实际测试，文章详细对比了 ECS-MPCC、基于离散空间矢量调制的无差拍预测电流控制 (DB-PCC with DSVM) 以及传统的 FCS-MPCC在 稳态和动态性能方面的差异。实验结果表明，ECS-MPCC 不仅大幅度降低了相电流总谐波失真，而且在多目标综合优化方面保持了优势，验证了其在改善 PMSM 驱动系统性能上的有效性和实用性。

研究总结

该研究针对永磁同步电机 (PMSM) 控制中的稳态性能优化问题，提出了一种基于现场可编程门阵列 (FPGA) 实现的扩展控制集模型预测电流控制 (ECS-MPCC) 方法，并设计了简化搜索策略以克服传统有限控制集模型预测控制 (FCS-MPCC) 在电压矢量选择上的局限性。传统的 FCS-MPCC 由于仅能从8个基本电压矢量中选择，导致实际输出与理想电压之间存在较大差距，进而影响电流和转矩的稳定性。为改善这一状况，研究人员构建了一个包含818个可选电压矢量的扩展控制集，通过增加虚拟电压矢量数量来缩小实际输出与理想电压之间的间隙，从而提升系统的稳态性能。

为了克服大规模电压矢量下计算复杂度的挑战，文章设计了一种适合多目标优化的简化搜索策略，有效地降低了遍历计算过程所需的资源。同时，利用 FPGA 硬件的并行处理优势，实现了 ECS-MPCC 算法的高效执行，将电流环路的整体控制时间缩短至0.61微秒，显著提高了实时控制能力。实验结果显示，与传统的 FCS-MPCC 相比，所提出的 ECS-MPCC 策略使得 PMSM 驱动器相电流的总谐波失真减少了79%，验证了该方法对提高 PMSM 驱动系统稳态性能的有效性和实用性。此外，尽管 ECS-MPCC 增加了计算负担，但其通过灵活的成本函数设计和遍历搜索方式，依然具备实现多个控制目标综合优化的潜力，这一点是无差拍控制等其他预测控制方法所不具备的。

综上所述，该文的研究成果表明 ECS-MPCC 结合简化搜索策略及 FPGA 实现，不仅提升了 PMSM 驱动器的稳态性能，还保留了良好的实时性和多目标优化能力，具有良好的实际应用前景。

原文出自 Electronics 期刊

Yang, C.; Liu, K.; Hu, M.; Hua, W. FPGA-Based Extended Control Set Model Predictive Current Control with a Simplified Search Strategy for Permanent Magnet Synchronous Motor. Electronics 2023, 12, 4726. 10.3390/electronics12234726

主编：Flavio Canavero, Politecnico di Torino, Italy

期刊涵盖的研究包括但不限于以下领域：电子材料、微电子学、光电子学、工业电子、电力电子、生物电子、微波和无线通信、计算机科学与工程、系统与控制工程、电路和信号处理、半导体器件、人工智能、电动和自动驾驶汽车、量子电子等。期刊致力于快速发表与广泛电子领域相关的、最新的技术突破以及前沿发展。

2022 Impact Factor: 2.92022 CiteScore: 4.7Time to First Decision: 16.6 DaysTime to Publication: 36 Days

返回搜狐，查看更多

责任编辑：

注明：本内容来源网络，不用于商业使用，禁止转载，如有侵权，请来信到邮箱：429562386ⓐqq.com 或联系本站客服处理，感谢配合！