【ITBEAR】隨著“雙碳”戰(zhàn)略的深入實施，電動汽車產(chǎn)業(yè)正迎來前所未有的發(fā)展機遇。在這一背景下，電機控制技術(shù)作為電動汽車性能提升的關(guān)鍵，正經(jīng)歷著從傳統(tǒng)到創(chuàng)新的深刻變革。
傳統(tǒng)的PI控制策略以其廣泛的適用性在電機控制領(lǐng)域占據(jù)了一席之地。然而，其固有的局限性，如增益系數(shù)優(yōu)化不足、d、q軸耦合影響動態(tài)性能以及控制量選擇受限等問題，逐漸凸顯出來，限制了電動汽車性能的進(jìn)一步提升。為此，科研人員開始探索新的控制策略，其中，模型預(yù)測控制（MPC）算法以其獨特的優(yōu)勢成為了研究的熱點。
模型預(yù)測控制通過預(yù)測模型及當(dāng)前狀態(tài)量，能夠在復(fù)雜約束條件下求解出最優(yōu)控制序列，實現(xiàn)多輸入多輸出的有效控制。然而，這一算法對算力的需求極高，長期以來限制了其在電力電子和電機控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。隨著近年來計算處理單元的飛速發(fā)展，模型預(yù)測控制終于迎來了在電動汽車領(lǐng)域的春天。
在永磁同步電機（PMSM）控制領(lǐng)域，模型預(yù)測控制根據(jù)其是否需要脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)，被分為有限控制集和連續(xù)控制集兩類。這兩類方法各有千秋，但都存在在線求解困難的問題。為了解決這一難題，顯式模型預(yù)測控制（EMPC）應(yīng)運而生。它將有約束問題的在線求解轉(zhuǎn)化為離線關(guān)于狀態(tài)量的分段仿射函數(shù)顯式表達(dá)，極大地提高了計算效率。
中國科學(xué)院大學(xué)和中國科學(xué)院電工研究所的科研團隊在這一領(lǐng)域取得了重要突破。他們提出了一種應(yīng)用于永磁同步電機的級聯(lián)式高性能顯式模型預(yù)測控制算法。該算法基于多參數(shù)規(guī)劃思想建立系統(tǒng)參數(shù)化模型，離線求解有約束條件下的最優(yōu)解，并以狀態(tài)量的分段仿射函數(shù)形式保存，從而解決了連續(xù)控制集模型預(yù)測控制算法在線求解的算力需求問題。
圖：顯式模型預(yù)測控制電機控制框圖
研究團隊全面介紹了顯式模型預(yù)測控制的應(yīng)用思想及設(shè)計流程，并深入分析了在永磁同步電機控制中模型失配、死區(qū)效應(yīng)、數(shù)字延時等非理想因素帶來的影響，提出了相應(yīng)的應(yīng)對措施。他們表示，相較于傳統(tǒng)的抗飽和策略，該算法將模型及各類約束條件納入控制問題的求解中，包含了控制過程中所有的動態(tài)特征，能夠在保證系統(tǒng)線性穩(wěn)定的同時獲得更好的動態(tài)性能。
圖：顯式模型預(yù)測控制流程
實驗結(jié)果表明，與傳統(tǒng)PI控制算法相比，該算法的高帶寬特性使其具有更快的動態(tài)響應(yīng)速度及諧波抑制能力。同時，基于多變量控制思想的設(shè)計方法使其不再需要考慮系統(tǒng)狀態(tài)之間的耦合作用，基于可行域求解的最優(yōu)控制量則能夠滿足全域的控制需求，避免了繁瑣的調(diào)參工作。
圖：對拖實驗平臺
這一研究成果不僅為電動汽車的電機控制提供了新的解決方案，也為推動電動汽車產(chǎn)業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展注入了新的動力。該研究成果已在《電工技術(shù)學(xué)報》2023年第22期上發(fā)表，并得到了國家重點研發(fā)計劃資助項目的支持。
