【ITBEAR】隨著“雙碳”戰(zhàn)略的深入實(shí)施，電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)正迎來(lái)前所未有的發(fā)展機(jī)遇。在這一背景下，電機(jī)控制技術(shù)作為電動(dòng)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(jī)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(dòng)態(tài)性能以及控制量選擇受限等問(wèn)題，逐漸凸顯出來(lái)，限制了電動(dòng)汽車性能的進(jìn)一步提升。為此，科研人員開(kāi)始探索新的控制策略，其中，模型預(yù)測(cè)控制（MPC）算法以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)成為了研究的熱點(diǎn)。
模型預(yù)測(cè)控制通過(guò)預(yù)測(cè)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(shí)現(xiàn)多輸入多輸出的有效控制。然而，這一算法對(duì)算力的需求極高，長(zhǎng)期以來(lái)限制了其在電力電子和電機(jī)控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。隨著近年來(lái)計(jì)算處理單元的飛速發(fā)展，模型預(yù)測(cè)控制終于迎來(lái)了在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的春天。
在永磁同步電機(jī)（PMSM）控制領(lǐng)域，模型預(yù)測(cè)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(wèn)題。為了解決這一難題，顯式模型預(yù)測(cè)控制（EMPC）應(yīng)運(yùn)而生。它將有約束問(wèn)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(jì)算效率。
中國(guó)科學(xué)院大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院電工研究所的科研團(tuán)隊(duì)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(jī)的級(jí)聯(lián)式高性能顯式模型預(yù)測(cè)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(cè)控制算法在線求解的算力需求問(wèn)題。
圖：顯式模型預(yù)測(cè)控制電機(jī)控制框圖
研究團(tuán)隊(duì)全面介紹了顯式模型預(yù)測(cè)控制的應(yīng)用思想及設(shè)計(jì)流程，并深入分析了在永磁同步電機(jī)控制中模型失配、死區(qū)效應(yīng)、數(shù)字延時(shí)等非理想因素帶來(lái)的影響，提出了相應(yīng)的應(yīng)對(duì)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(wèn)題的求解中，包含了控制過(guò)程中所有的動(dòng)態(tài)特征，能夠在保證系統(tǒng)線性穩(wěn)定的同時(shí)獲得更好的動(dòng)態(tài)性能。
圖：顯式模型預(yù)測(cè)控制流程
實(shí)驗(yàn)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(dòng)態(tài)響應(yīng)速度及諧波抑制能力。同時(shí)，基于多變量控制思想的設(shè)計(jì)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(duì)拖實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
這一研究成果不僅為電動(dòng)汽車的電機(jī)控制提供了新的解決方案，也為推動(dòng)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展注入了新的動(dòng)力。該研究成果已在《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》2023年第22期上發(fā)表，并得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目的支持。
