异步电机模型预测控制的转矩脉动抑制研究
摘要
异步电机具有结构简单、造价低廉、运行可靠等优点，且能够在较恶劣的工况下工
作，广泛应用于工业生产中的各个领域。模型预测控制与传统交流调速控制策略相比，
具有工作原理简单、控制方式灵活、可以处理非线性约束和进行多目标之间的控制等优
点，随着现代微处理器性能的高速发展，模型预测控制在电力电子与电力传动领域受到
广泛关注。
模型预测转矩控制是模型预测控制的一个重要分支，可以实现对电磁转矩和定子磁
链幅值的控制，但同时也面临着转矩脉动大、权重系数难以整定等亟待解决的问题。本
文以三相鼠笼式异步电机作为研究对象，通过坐标变换推导了异步电机在αβ两相静止
坐标系下的数学模型，具体阐述了异步电机有限集模型预测转矩控制，实现单矢量模型
预测控制，并针对数字控制系统中存在的延时问题，设计了一拍延时补偿，提升电机稳
态控制性能。
针对模型预测控制权重系数难以整定的问题，研究了级联模型预测控制以及其中存
在的优化顺序的问题，采用一种改进级联预测控制的方法，每个采样周期计算转矩误差
和磁链误差之间的交互误差，消除优化顺序对控制效果影响，取消权重系数设计复杂的
环节。针对传统单矢量模型预测转矩控制中存在的转矩脉动大的问题，分析转矩脉动大
的原因，采用一种双矢量模型预测控制，结合改进级联模型预测控制方法，在选择出最
优电压矢量的基础上，从控制集中选择第二个电压矢量，通过无差拍原则计算两个电压
矢量作用时间，采用改进级联模型预测控制方法选择最优电压矢量。通过仿真对比验证
改进级联模型预测控制和双矢量模型预测控制的有效性。
为了进一步提升稳态性能，利用离散空间矢量调制技术，构建扩张控制集，将控制
集内电压矢量由8个扩展到37个。为了减小计算量，通过划分定子磁链所在扇区，判
断定子磁链幅值和电磁转矩需要增大或者减小从而达到给定值，选择可以使用的电压矢
量，将37个电压矢量缩减到12个，并利用级联结构的权重系数优化方法取消了权重系
数设计的过程，通过仿真对比验证所提控制策略的有效性。
最后，基于1.1kW的异步电机控制系统实验平台，对所采用的控制策略进行实验验
证，通过实验对比分析两种减小转矩脉动控制策略的动稳态性能，证明所设计的控制策
略能够有效减小转矩脉动。
关键词：异步电机；模型预测转矩控制；双矢量；权重系数；离散空间矢量调制
I
异步电机模型预测控制转矩脉动抑制的研究
ABSTRACT
Inductionmotorhastheadvantagesofsimplestructure,lowcost,reliableoperation,and
canworkinharshconditions,widelyusedinvariousfieldsofindustrialproduction.Compared
withthetraditionalACspeedcontrolstrategy,modelpredictivecontrolhastheadvantagesof
simpleworkingprinciple,flexiblecontrolmode,nonlinearconstraintsandmulti-objective
control.Withtherapiddevelopmentofmodernmicroprocessorperformance,modelpredictive
controlhasbeenwidelyconcernedinthefieldofpowerelectronicsandpowertransmission.
Modelpredictivetorquecontrolisanimportantbranchofmodelpredictivecontrol,which
canrealizethecontrolofelectromagnetictorqueandstatorfluxa