异步电机双矢量模型预测转矩控制（MPTC）

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导读：本期文章主要介绍异步电机双矢量模型预测转矩控制。在一个控制周期内用零矢量和有效电压矢量合成最优电压矢量（占空比控制），可有效改善单矢量发波时的缺陷。

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由于单矢量MPC的转矩纹波依然较大，而且开关频率在整个速度域范围内不固定，针对这一缺陷，引入双矢量MPC。


图1 双矢量模型预测转矩控制的控制框图
双矢量模型预测转矩控制的控制框图如图1所示。其基本原理为：1）与单矢量MPC原理选择出最优电压矢量uopt一样。值得注意的是，在此方法中第二段矢量始终固定为零矢量，因此为确保一个控制周期内有两段电压矢量，uopt只在有效电压矢量也就是非零电压矢量范围内进行筛选。2）根据选择的uopt计算其优化作用时间，根据占空比计算公式求得该矢量的作用时间topt。3）根据所选择的电压矢量以及优化作用时间确定逆变器的驱动脉冲。由于零矢量的引入，与传统MPC相比，双矢量的模型预测转矩控制的电压矢量幅值能实现自我调节，因而控制更加精细，所以能实现比传统MPC更好的控制性能。
一、占空比计算
由现有文献可知，占空比计算的方法大致可以分为以下几类：

（1）、转矩脉动最小；

（2）、无差拍转矩控制；

（3）、平均转矩控制；

（4）、简单占空比。

本文使用简单占空比的方法来计算基本电压矢量和零矢量的作用时间。





其中，T0为转矩初始值。
二、最优电压矢量合成
最优电压矢量是由两个电压矢量合成的。本文选取的双矢量是一个有效电压矢量和零矢量。如公式（1）所示：



假设基本电压矢量为U1（100），那么零矢量就为U0（000）（开关次数最少原则）。


其中t1和t2用简单占空比方法求取。其他基本电压矢量的发波开关状态可以参考U1。
三、仿真分析（没加一拍延迟补偿）
3.1对定子电流进行FFT分析
从图2可以看出，在150r/min时，双矢量MPTC的电流波形比单矢量MPTC的电流波形光滑。



（a）单矢量MPTC



（b）双矢量MPTC

图2运行转速150r/min时的电流THD对比
3.2 转矩波形对比


（a）单矢量MPTC



（b）双矢量MPTC
图3单矢量MPTC与双矢量MPTC的转矩波形对比
由于零矢量的引入，与传统MPC相比，双矢量的模型预测转矩控制的电压矢量幅值能实现自我调节，因而控制更加精细，双矢量MPTC的转矩纹波要比单矢量MPTC要小。

四、一拍延迟补偿



本应在当前k时刻作用的电压矢量要到下一时刻（k+1）时刻才会被更新输出。为消除一拍延迟的影响，控制器可以采用超前一步确定（k+1）时刻电压矢量的方式对延迟进行补偿。



（a）未加一拍延迟补偿



（b）加了一拍延迟补偿
图4单矢量MPTC加一拍延迟补偿前后对比


（a）未加一拍延迟补偿



（b）加了一拍延迟补偿

图5双矢量MPTC加一拍延迟补偿前后对比
从图4和图5波形上看，加了一拍延迟补偿后的双矢量MPTC和单矢量MPTC的转矩脉动都有所改善。


（a）单矢量MPTC



（b）双矢量MPTC
图6双矢量MPTC和单矢量MPTC转矩波形对比（加一拍延迟补偿）
从图6中发现加了一拍延迟补偿后的单矢量MPTC的控制效果与双矢量MPTC相近，这是有问题的，后续会找出原因去解决它！
五、总结
本文的异步电机双矢量模型预测转矩控制发波控制周期中，第一个电压矢量是有效电压矢量，第二个电压矢量为零矢量并通过简单占空比的方法求出两个电压矢量的作用时间。把第二个电压矢量固定为零矢量并不是最好的选择，所以后期会再详细地探讨这一部分内容（广义双矢量和改进广义双矢量）。