中国研究人员探讨永磁同步电机的控制方案

据外媒报道，目前，市场上的电机种类繁多，其中永磁同步电机（PMSM）具有体积小、效率高、功率因数高等关键优势。因而，在电动汽车驱动系统、高速列车和高端数控加工系统等领域，这种电机赢得了一席之地。

左：MPC与电源转换器、变速器和电流控制系统的关系；右：目前MPC应用中存在的主要问题。（图片来源：ieee-jas.net）

为了使永磁同步电机达到预期运行状态，采用适当的控制策略，与选择电机零部件一样重要。目前在这方面，模型预测控制（MPC）是最具吸引力的方法。简单地说，MPC指的是使用关于需要控制的动态过程的数学模型，并根据该模型的预测来调整控制信号。通过这种方法，人们可以利用成熟的功率转换器和传输系统模型，使PMSM在所需的约束集内运行。

值得一提的是，有限控制集MPC（FCS-MPC）策略，是在PMSM中实现MPC的最直观、最简单的方法之一，已成为MPC研究的热点。然而，为了充分发挥永磁同步电机的潜力，仍有许多挑战需要解决。

最近，中国江苏大学孙晓东教授领导的研究团队在英文版《自动化学报》（IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica）上发表了一篇综述文章。研究人员阐述了FCS-MPC的基本原理、缺点，以及当前针对这些问题而开发的解决技术，还有未来的研究方向。

将FCS-MPC应用于永磁同步电机，更突出的挑战在于，与基础模型预测和确定控制信号适当值的优化算法相关的计算复杂性和延迟。此外，FCS-MPC计算依赖于多个模型参数，这些参数必须精确设置，预测才有意义。

该文从解决这些挑战和潜在解决方案入手，旨在使FCS-MPC在参数不确定性、波动和外部干扰下更加稳健地运行。一些研究侧重于评估可能存在的干扰，并进行弥补；另一些研究则致力于通过改进预测模型来消除参数波动产生的影响，例如无参数预测模型或在线参数识别方法。

该文还介绍了在降低FCS-MPC计算负担方面取得的最新进展。研究人员提出，通过其他一些有吸引力的方案来提高性能，如多向量FCS-MPC策略，以补偿由MPC计算带来的延迟，调整应用于系统必须控制的变量的权重因子，从而实现优先级理念。

最后，该文概述了在永磁同步电机中应用FCS-MPC的几个重要研究方向。其中之一是多步控制策略，可以大大降低开关损耗，提高整个系统的效率。另外涉及推进FCS-MPC理论的重要部分，如稳定性分析，以及探讨结合不同控制方案的新方法，以获得更良好的性能。

孙教授表示：“最近，新的解决方法不断涌现。在实际应用中，可以将永磁同步电机驱动系统与相关解决方案整合在一起，如容错控制和无传感器控制。为了探讨如何结合这些方案，以获得更好的效果，还需要进行深入的研究。”

总的来说，改进MPC技术，有助于在给定环境下更有效地操作永磁同步电机，无论操作条件多么恶劣。反过来说，这将从各个方面转化为社会效益。孙教授表示：“模型预测控制方法，旨在解决具有优化要求的控制问题。随着MPC研究的深入，人们的生活将变得更加经济、安全和环保。”