电动汽车PMSM驱动系统有限控制集无模型预测控制关键技术研究

In permanent magnet synchronous motor (PMSM) drive system with wide speed range operation, the control performance improvement of finite control set model predictive control (FCS-MPC) is faced with many challenges of the accurate stator current reference, the dependence of mathematical model, the enhancement of steady-state control performance and the design of cost function. Therefore, the finite control set model-free predictive control is a pressing issue to address by the innovative combination of model-free control and FCS-MPC. The single-objective optimization of steady-state control performance should be firstly explored for finite control set model-free predictive current control with considering uncertainties and disturbances, and then multi-objective optimization of the method ought to be conducted intensive research. Moreover, the cascade-free finite control set model-free predictive speed control is proposed and the wide speed range operation requires breakthrough. The research is the scientific frontier in the area of electrical engineering, energy and transportation, and provides the theoretical foundation and technical support for wide speed range operation of PMSM drive system taking account of dynamic response, steady-state performance and robustness. The all-round breakthrough on the key technologies bears substantial significance to upgrade the technology level of motor drive system in electric vehicles and illustrates a good prospect of application.

有限控制集模型预测控制（FCS-MPC）的永磁同步电机（PMSM）驱动系统宽调速运行的控制性能提升，面临定子电流指令难以准确生成、FCS-MPC对模型依赖、系统稳态控制精度提升、代价函数设计等控制挑战，亟需将无模型控制与FCS-MPC相融合，开展电动汽车PMSM驱动系统有限控制集无模型预测控制关键技术研究。探究应对多种不确定性和扰动的稳态控制精度单目标优化有限控制集无模型电流预测控制，多目标优化的有限控制集无模型电流预测控制；提出单级控制架构的PMSM驱动系统有限控制集无模型转速预测控制且突破系统宽调速运行实现关键技术。该研究是电气工程学科和能源交通领域的前沿课题，为实现电动汽车PMSM驱动系统宽调速运行时兼顾动态响应速度、稳态控制精度及鲁棒性的全面提升提供理论基础和技术支持，所突破的关键技术对于提升我国电动汽车电驱动系统技术水平，无疑具有重要的理论研究意义，而且必将拥有广阔的应用前景。

电动汽车PMSM驱动系统中多种不确定性与扰动并存，且系统宽调速运行时需满足电流和电压约束，一方面导致基于转矩指令的最优定子电流指令难以准确生成；另一方面则引起预测模型失配，降低系统未来状态的预测精度，导致基于FCS-MPC的PMSM驱动系统电流控制性能、转速控制性能的降低。.兼顾PMSM驱动系统的MTPA控制和弱磁控制，提出了双梯度下降法的电流指令生成方案，实现了基于转矩指令的最优定子电流指令生成。随后，基于PMSM驱动系统电流超局部模型，提出了基于最优参考电压矢量解析解的无模型电流预测控制，将逆变器有限控制集拓展到连续电压控制集，实现了电流稳态控制精度单目标优化控制。接着，揭示了DSVM的双目标FCS-MPC的PMSM驱动系统存在无效优化区域，阐明了其无法获取全局最优解的本质原因，提出了双目标全局最优有限控制集无模型预测控制，实现了兼顾电流稳态控制精度和逆变器开关频率的双目标最优控制。.为了克服多种不确定性与扰动对转速控制的PMSM驱动系统控制性能的影响，同时克服反步控制采用指数型收敛实现速度与电流跟踪，导致转速动稳态控制性能及鲁棒性欠佳的不足，基于转速控制的PMSM驱动系统超局部模型的建立和Lyapunov渐近稳定性理论，提出了离散终端积分滑模反步速度控制，在级联控制架构下实现了转速动稳态控制性能及鲁棒性的同时提升。.为了实现高动态转速控制，提出了基于新型代价函数设计的有限控制集预测转速直接控制，克服了传统MPDSC的代价函数中权重因子难以整定，d轴电流控制瞬态失控等技术难题，攻克了转速与电流不同时间尺度同时控制的技术挑战。同时，提出了基于复合状态变量的连续控制集模型预测转速直接控制，研究出连续控制集下电压与电流约束在线处理方案，实现了PMSM驱动系统宽调速运行时控制品质及运行性能的全面提升。.该项目培养出培养硕士13名，博士1名，在国际学术期刊、国际会议及国内核心期刊上发表论文30篇，其中SCI检索期刊论文17篇，EI检索期刊论文2篇，国际会议论文11篇，授权国家发明专利5项。基于项目部分技术与巨一动力合作开发9款电驱动系统产品，累计销售超20万台套，基于所开发电驱动系统与江淮汽车、奇瑞新能源、广汽本田等多家知名品牌厂商展开深层次合作，搭载项目技术的电驱动系统已匹配江淮iEV系列、奇瑞小蚂蚁、广汽本田缤智等车型，经济效益和社会效益显著。