1 引言
1.1选题背景及意义
电机是将电能转化成机械能等其他形式能量的设备。新能源的快速发展带动了电机产业的迅速增长，我国电机产业的发展前景广阔[1]。随着电机制造技术的不断发展以及电机工作原理研究的不断深入，除传统的感应电机外，还出现了稀土永磁电机[2][3]，开关磁阻电机[4][5]，同步磁阻电机[6][7]等许多新型电机。但感应电机仍是各类电机中应用最广、需求量最大的一种。各国以电为动力的设备中，约有 90%为感应电机，其中小型感应电动机占 70%以上。在电力系统的总负荷中，感应电机的用电量占相当大的比重，中国感应电动机的用电量约占总负荷的 60%。根据中小型电机分会统计：如表 1-1 所示，2019 年一季度小型交流电动机总产量为 2920.9 万千瓦，同比增长 1.5%，其中永磁电动机产量 88.3 万千瓦，同比增长3.8%；大中型交流电动机产量 1231.4 万千瓦，同比增产 154.8 万千瓦，增长 14.4%；直流电机产量 83.1 万千瓦，同比减产 16.7 万千瓦，下降 16.7%。由此可见，目前，与大中型交流电机和永磁电机相比，我国中小型感应电机的总产量在市场上仍占绝对优势。但是电机效率不高，高效电机的推广情况与全球的水平还存在比较大的差距，与发达国家比，平均效率低 3~5 个百分点，运行效率低 10~20 个百分点。因此，未来电机的发展之路在高效节能的道路上[8]。
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1.2国内外研究现状
1.2.1 经典感应电机控制技术
传统感应电机控制策略主要有恒压频比控制、转差频率控制、磁场定向控制和直接转矩控制，但在实现感应电机高性能控制目标上，它们各有利弊。
（1）恒压频比控制
恒压频比控制是通过给定电机定子频率，保证直流电压和电机定子频率比值恒定的前提下，调节给定电机定子电压。其控制框架简单，易于工程实现；但负载变化时稳态性能差，难以实现电机转速的精准控制。另外，该控制方法动态性能差，加、减速过快会造成电机失速，这对于安全性要求很高且动态性要求很高的场合是致命的。
（2）转差频率控制
在保持气隙磁通一定的条件下，在转差频率很小的范围内，感应电机的电磁转矩与转差频率近似成正比，故可以通过控制转差频率来间接控制电磁转矩。气隙磁通恒定可以通过调节电压频率比或者控制电机定子电流来实现。由于频率控制环节输入的是电机转差频率，电机定子频率跟随着电机实际转速同步上升、下降，加速和减速可以平滑过渡，使系统更容易进入稳定状态。但转差频率的控制规律是建立在感应电机稳态等值电路和稳态转矩上的，恒磁通稳定只是在电机稳态情况下成立；在动态过程中则难以保证磁通稳定。另外，控制器只控制了定子电流幅值，在动态调节过程中，若电流相位没有及时跟踪上，则动态性能会受影响。系统特性很大程度上依赖于电机转速的检测精度，即使很小的转速误差也会影响转差频率的精度，使系统偏离预计状态。
（3）磁场定向控制
矢量控制（Vector Control，VC）也称为磁场定向控制，由德国西门子学者F.Blaschke 和 K.Hasse 在 1971 年提出[25][26]。类似他励直流电机的特性[27][28][29]，它分别对励磁电流和转矩电流控制，通过调制算法输出三相电压给电机，最终实现对电机输出电磁转矩的控制。采用基于矢量控制的转子磁场定向控制，利用线性 PI控制器对励磁电流和转矩电流进行双电流闭环解耦控制；利用电压解耦单元计算出需要的定子侧电压，这在一定程度上解决了交流电机的耦合问题。利用 PI 控制器和空间矢量调制（Space Vector Modulation，SVM）或载波调制（Pulse WidthModulation，PWM）模块协同工作进行发波，实现对感应电机输入电压的控制，使得电机输出转矩跟踪上目标指令。
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2 基本的单边界圆-单矢量策略模型预测电流控制
2.1模型预测控制基本原理
MPC 通过对控制对象进行预测模型的构建，实现对控制变量未来轨迹的预测；而后根据多控制目标及其约束，构建代价函数并完成其滚动寻优，将计算筛选得到的最优解作用于控制系统。因此，建立精确的预测模型和设计便于寻优的代价函数是预测控制的核心。模型预测控制器可同时实现多变量非线性控制，这一点与感应电机的非线性多变量特点不谋而合。模型预测电流控制思想简单，易于实现，动态响应快，代价函数灵活，可以实现多控制目标的实时滚动寻优。
本章首先，介绍了模型预测控制基本原理、控制结构及其在电力电子中的应用示例。然后，推导两相旋转坐标系下的感应电机预测模型；以低开关频率为控制目标，推导分析单边界圆-单矢量策略模型预测电流控制中的代价函数，并完成最优矢量的计算筛选环节。最后，分别在 Matlab 环境和“DSP+FPGA”的硬件实验平台以及半实物仿真平台上完成算法性能的离线验证和实际运行验证。本章是后文章节内容的基础。
模型预测控制基本原理和控制思路如图 2-1，主要由指令曲线、控制变量序列和被控变量曲线三部分组成，其算法实现主要由以下三步完成。
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2.2单边界圆-单矢量策略电机预测模型
2.2.1 电压型逆变器和感应电机数学模型
如图 2-3 所示，电压型逆变器对感应电机的控制，是由三相桥臂上开关管的开通和关断状态以及对直流母线电压的利用决定的。因此，感应电机的控制本质是：直流母线电压的精确测量与逆变器的开关状态控制。
由于鼠笼式感应电机是一个高阶、强耦合、非线性的多变量系统，为了方便对其进行建模，做以下几条假设：
(1) 假设三相定子绕组和转子绕组在空间上对称，互差 120°电角度；定子绕组的与转子绕组的每相参数相同，例如电阻、电感等。
(2) 忽略电机的齿槽效应和端部效应，假设三相定子绕组和转子绕组间的气隙均匀，气隙磁场呈现由中心向外辐射状，每相电流产生的磁场呈正弦分布。
(3) 不考虑电机的铁芯损耗和磁饱和；假定铁芯的磁阻为零，磁导为无穷大。三相鼠笼式感应电机的物理模型如图 2-4 所示，A、B、C 三相定子绕组在空间上对称且互差 120°，a、b、c 三相转子对称绕组轴线随电机转子一起旋转，e是空间磁场旋转角度，用来描述转子磁场相对于定子坐标轴的电角度。接下来主要推导三相感应电机在三相静止坐标系 a-b-c 下的电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程。
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3 引入 0/7 矢量的双矢量组合策略模型预测电流控制......................37
3.1 基本单边界圆-单矢量策略技术局限...................................37
3.2 提升稳态性能的双矢量策略实现....................................38
3.3 仿真与实验.........................41
4 提升动态性能的双边界圆策略模型预测电流控制..............................53
4.1 双边界圆策略感应电机预测模型.....................................53
4.2 提升动态性能的双边界圆策略实现................................54
5 基于低运算负担的多步模型预测电流控制..........................79
5.1 感应电机多步预测模型.......................................79
5.2 多步模型预测电流控制策略实现................................80
5 基于低运算负担的多步模型预测电流控制
5.1感应电机多步预测模型
MPC 是一种基于当前时刻变量值以及指令曲线预测未来变量趋势的优化方法，因此，在一个控制周期内，预测范围越长、预测步长越多，当前时刻优化得到的开关序列的控制效果越好，可以实现更低的电流谐波含量、转矩脉动以及开关频率。但是，多步模型预测电流控制在实际控制应用中仍存在一定问题，如算法计算负担比较大以及代价函数寻优求解中存在的问题等。
本章主要以两电平电压型逆变器感应电机对拖控制系统为对象，研究了多步模型预测电流控制算法的实现及控制性能提升、计算负担低的改进策略。首先，推导感应电机多步预测模型与多步模型预测电流控制的代价函数，并分析代价函数，着重介绍了代价函数的求解过程、球形解译算法的寻优原理及实现过程。然后，针对实际应用中开关权重因子的实时在线调节需求，在多步模型预测电流控制基本算法实现的基础上进行了相应的改进，并对开关权重因子在线可调的改进算法进行性能仿真和实验验证。另外，为进一步降低算法在线计算负担，对电机转速计算部分算法进行改进，并对离线计算电机转速的改进算法进行性能仿真和实验验证。最后，对多步模型预测电流控制的性能优势进行仿真和实验验证，并对五步模型预测电流控制在全速度范围内的性能进行验证。
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6 总结与展望
6.1工作总结
本文以三相两电平电压型逆变器供电的感应电机控制系统为研究对象，从提升控制系统稳态性能、动态性能以及降低多步算法运算负担等方面完成引入0/7矢量的双矢量模型预测电流控制、提升动态性能的双边界圆策略模型预测电流控制以及低运算负担的多步模型预测电流控制的相关研究，获得了以下重要成果：
（1）提出了一种引入0/7矢量的双矢量策略模型预测电流控制方法，解决单边界圆-单矢量策略模型预测电流控制稳态性能差的问题。
推导了旋转坐标系下的感应电机离散预测模型的数学表达式，构建分析了以开关切换次数最少为控制目标的代价函数，详细阐述了单边界圆-单矢量策略对定子电流控制以及对候选矢量筛选的技术实现及性能验证，分析了其在低采样频率下的技术局限。基于上述理论及分析，对提出的引入0/7矢量的双矢量策略在低采样频率下的稳态性能及动态性能进行验证。得出：
1）相同采样频率(10 kHz)下，整个速度范围内双矢量策略的稳态性能更佳，且在0.2s内完成动态切换过程。
2）电机运行在低速区，双矢量策略在采样频率降低一半(10 kHz)的条件下，其电流谐波含量比单矢量策略(20 kHz)的电流谐波含量还低近1%。
（2）提出了一种双边界圆策略模型预测电流控制方法，解决单边界圆-单矢量策略在动态切换过程中性能指标波动大的问题，并分析了边界圆半径和开关权重因子对感应电机输出性能的影响。
推导了两相静止坐标系下的感应电机离散预测模型的数学表达式，构建分析了单边界圆策略中兼顾电流跟踪性能和开关频率的代价函数。在此基础上，推导得到双边界圆策略中分段函数形式的代价函数，完成了双边界圆控制策略的算法实现。基于边界圆半径及开关权重因子对控制性能的影响分析，选出合适的控制参数，完成控制系统的动态性能优势验证。
参考文献（略）