郑州轻工业大学郭磊磊团队：不同代价函数下永磁同步电机模型预测控制参数失配可视化分析

由于电流预测模型中的电阻、电感和磁链等参数易受非线性因素和负载变化的影响，导致模型参数失配，那么不同参数失配在模型预测控制系统中如何影响最优电压矢量的选择值得进一步研究。同时，模型预测控制系统中常用的三种代价函数之间的区别和联系仍然缺乏必要的理论分析和实验验证。因此，郑州轻工业大学郭磊磊团队提出了一种可视化分析方法，以研究在不同代价函数下，不同参数失配对永磁同步电机模型预测控制系统的影响。

研究背景

电流预测模型中的电阻、电感和磁链等参数易受非线性因素和负载变化的影响，导致模型参数失配，最终会削弱模型预测控制的鲁棒性和动态响应能力。此外，模型预测控制系统中常用的三种代价函数通常被认为是等价的，然而，三种代价函数之间的区别和联系仍然缺乏必要的理论分析和实验验证。

论文所解决的问题及意义

针对永磁同步电机模型参数不匹配问题，传统的分析方法是通过推导预测模型电感、电阻参数不匹配与预测电流误差之间的定量关系，进而分析电感、电阻参数不匹配对预测输出电流的影响，但磁链参数的影响却很少分析。同时，不同代价函数对参数灵敏性的影响也值得进一步研究。因此，本文所提可视化分析方法不仅可以分析电感、电阻和磁链等参数失配对系统的影响，同时还可以分析不同代价函数对模型预测控制方法的参数敏感性的影响，为实现模型预测误差补偿控制提供坚实的理论依据。

论文方法及创新点

1、原始泰森多边形分割图

图1 原始泰森多边形分割图

以始泰森多边形分割图作为所有参考电压矢量下最优电压矢量的标准区域分布，进而在参数匹配情况下，利用所提可视化方法分析模型预测控制中不同代价函数对最优电压矢量选择的差异。

2、可视化分析方法

图2 参数匹配的模型预测控制可视化平面图

利用可视化分析方法，可以分别得到三种代价函数对7种电压矢量最优选择的可视化表达，如图2所示。其中，黑色实线为原始泰森多边形分割线。通过对比可知，两种欧氏范数代价函数使得每个扇区所对应的三个电压矢量利用率相等，与泰森多边形分割图一致。而模和代价函数下最优电压矢量的区域划分与泰森多边形分割并不完全相同，因此，从最优电压矢量区域划分可见，两种欧氏范数形式的代价函数的控制效果较好。

图3 参数失配的模型预测控制可视化平面图

同样采用可视化分析方法，可分别得到不同代价函数下参数失配对电压矢量最优选择区域的可视化平面图，如图3所示。由图3可知，不同参数失配对模型预测控制方法的最优电压矢量选择有不同的影响。同时，不同代价函数对模型预测控制方法具有不同的参数敏感性。此外，从电压矢量最优控制区域来看，欧氏范数代价函数具有较小的控制误差。

3、实验验证

为了验证本文所提可视化方法的有效性和可行性，本文搭建了图4所示HIL测试实验平台。

图4 HIL测试实验平台

对不同代价函数下的不同参数失配进行实验分析，所得实验结果与所提可视化分析结果一致，表明了本文所提可视化方法的正确性与有效性。

结论

本文结合无差拍控制原理针对永磁同步电机模型预测控制中模型参数失配问题提出了一种可视化分析方法，分别研究了在不同代价函数下，电阻、电感以及磁链等不同模型参数失配对模型预测控制系统的影响。

从理论和实验分析中可以得出以下结论：（1）参数失配将影响模型预测控制方法的最优电压矢量选择；（2）基于不同代价函数的模型预测控制方法具有不同的参数敏感性。（3）两种欧氏范数形式的代价函数是模型预测控制的首选，因为当参数不匹配时，它们具有较小的控制误差。

团队介绍

郑州轻工业大学电力电子与电能变换团队入选河南省高校科技创新团队，团队依托河南省信息化电器重点实验室、中国轻工业电力电子与电能变换重点实验室、河南省智能微电网国际联合实验室，长期从事新能源并网发电、交流电机控制和无线电能传输等技术研究。

围绕上述研究方向，团队近年来主持国家自然科学基金项目4项，各类省部级项目10余项，与国家电网河南省电力公司、中国电力科学研究院、河南省电力科学研究院、许继集团等单位保持长期的合作关系。已发表SCI/EI论文百余篇，授权发明专利60余项，先后获河南省科技进步二等奖5项。

郭磊磊

博士，副教授，中国电源学会新能源电能变换技术专业委员会委员，主要研究方向为新能源并网发电与交流电机控制技术。

王朋帅

硕士研究生，主要研究方向为逆变器及其永磁同步电机模型预测控制技术。

李琰琰

博士，讲师，主要研究方向为新能源并网发电系统的模型预测控制技术。

武洁

博士，副教授，主要研究方向为交流电机设计与控制技术。

本文编自2023年第4期《电工技术学报》，论文标题为“不同代价函数下永磁同步电机模型预测控制参数失配可视化分析”。本课题得到河南省青年人才托举工程项目和河南省科技攻关计划项目的支持。

引用本文

郭磊磊, 王朋帅, 李琰琰, 武洁, 王明杰. 不同代价函数下永磁同步电机模型预测控制参数失配可视化分析[J]. 电工技术学报, 2023, 38(4): 903-914. Guo Leilei, Wang Pengshuai, Li Yanyan, Wu Jie, Wang Mingjie. Visual Analysis of Parameters Mismatch in Model Predictive Control for Permanent Magnet Synchronous Motor Under Different Cost Functions. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(4): 903-914.

【原】郑州轻工业大学郭磊磊团队：不同代价函数下永磁同步电机模型预测控制参数失配可视化分析

本文编自2023年第4期《电工技术学报》，论文标题为“不同代价函数下永磁同步电机模型预测控制参数失配可视化分析”。本课题得到河南省青年人才托举工程项目和河南省科技攻关计划项目的支持。