本文提出了基于MPCC的永磁同步推进电机控制策略，并在此基础上通过改变电压合成方式、增加预测备选电压矢量、设计约束条件、改变电压矢量选择方式等方法进行控制策略的改进优化，以降低电机转矩脉动，提高控制系统稳态性能。

1  绪论

1.2  国内外研究现状

1.2.1  船舶电力推进技术研究现状

电力推进技术是指将电力作为主动力的先进推进技术，其在船舶上的应用已有百年的历史。随着电力电子和交流技术的进步，船舶电力推进技术自上世纪80年代进入高速发展阶段。

国外对船舶电力推进技术的研究日益成熟。在电力推进技术应用方面：20世纪80年代，美军将电力推进技术应用于水声监测船；1989年，瑞典ABB公司研发出第一台吊舱推进器Azipod，并于1993年首次成功将吊舱式电力推进器Azipod应用于破冰船上；2006年，俄罗斯建成了基于电力推进系统的“五十年胜利号”核动力破冰船，用于破碎冰层和开辟航道，对开辟北极航线起到关键作用[7]。目前世界上主要占据电力推进市场的电力推进器仍然是Azipod推进器和SSP推进器[8]。

在电力推进技术控制理论研究方面：文献[9]在研究分析了船舶电力推进系统的发展历史的基础上，分析预测了电力推进船舶未来的发展趋势；文献[10-12]对应用于船舶的综合全电力推进系统进行了模型的搭建和仿真的分析，并为了降低模型的复杂性，开发了电力推进系统的简化模型；文献[13]以永磁同步推进电机和感应推进电机作为研究对象，对其分别所在的推进系统进行建模仿真分析，为研究推进电机控制策略奠定基础；文献[14]推导了基于螺旋桨推力和扭矩数学模型的大信号螺旋桨动力学模型，并提出了船舶动态定位和船舶精确定位的控制方法；文献[15]以船舶电力推进用双馈感应电机为例，介绍了船舶电力推进中常用的两种控制策略——双定子磁场定向控制和双直接转矩控制；文献[16]讨论了将智能控制方法用于电推船控制系统中，可以降低系统的复杂性，增加控制系统的可集成性和可靠性；文献[17]介绍了船舶电力推进电机的调速特性，并在分析了矢量控制调速方法的基础上，结合模糊控制理论，提出了改进的PID控制策略，提高了电力推进系统的响应速度和抗干扰性；文献[18]以五相永磁同步推进电机为例，在DTC的基础上，提出了更好的转矩和磁链调节方法，以提高控制系统的稳定性；文献[19]利用Matlab/Simulink对船舶电力推进系统进行建模，以分析研究永磁同步推进电机在负载突变时的电机动态响应特性，有利于后续对船舶供电厂稳定性的研究；文献[20]提出多种改进船舶电力推进系统的技术方案，以达到简化电力推进系统功能电路的目的。 

3  基于模型预测电流控制的永磁同步电机控制系统研究

3.1  模型预测控制技术基本原理

MPC是一种以预测模型为控制基础的计算机控制算法，即利用预测模型根据当前时刻采样值预测系统未来一段时间内可能存在的输出状态，并通过优化的目标函数对所有可能存在的输出状态进行择优筛选，选择出使优化目标函数最小的输出状态对应的最优控制量，使其更好的跟踪参考期望值，并将其作为被控对象的输入参与控制过程。由于控制系统是实时进行的，因此每个采样周期都会对变量进行重新测量采样并重复完整的控制过程。针对不同的控制对象或者不同的控制方法，MPC会有不同的表现形式，但其主体框架是相同的，即都包含预测模型、滚动优化和反馈校正这三个环节。

预测模型是MPC的基础，根据预测模型中控制对象的历史工作状态和未来可能的输入状态，预测出控制对象未来所有可能存在的工作状态，预测输出轨迹与参考输出轨迹的接近度会随着预测模型中预测步数的增多而增大。对于MPC来说，预测模型有很多表现形式，比如传递函数、阶跃响应、状态空间方程等模型形式，与其他控制方式相比其具有比较强的适用性。

5  基于模型预测电流控制的PMSM控制系统硬件在环仿真验证

5.1  硬件在环仿真平台

5.1.1  硬件在环仿真平台结构

本实验以大功率船舶电力推进永磁同步电机为控制对象，实际电机和硬件控制电路所占空间大且电流电压等级存在高危险性，因此实验室不具备实际硬件系统的实验验证条件。而采用纯虚拟仿真虽然能方便的模拟船舶电力推进系统，但其属于离线仿真模拟，系统仿真时间远超实际运行时间，不能实时的对系统进行控制及观测，没有实时在环仿真更逼近于实际工况。为此，本文选用可实时仿真模拟的硬件在环仿真平台对所提控制策略进行对比验证。相比于实物系统，硬件在环系统可以很安全和便利的完成各种大电流、高电压工况下的在线仿真验证。

本次实验选用的是上海远宽能源（ModelingTech，MT）推出的硬件在环仿真平台，包括MT硬件在环（Hardware In the Loop，HIL）测试系统和MT快速控制原型（Rapid Control Prototyping，RCP）控制器。其中，永磁同步推进电机及其硬件电路通过MT HIL实现1μs步长实时仿真模拟，电机控制算法运行在MT RCP控制器上，MT HIL和MT RCP之间通过真实的硬件IO端口互相连接，可通过示波器实时观测电机的响应曲线，并且可通过上位机软件实时控制和监测电机的运行状态。硬件在环仿真平台的整体结构如图5.1所示。

5.2  控制系统软件设计

5.2.1  软件程序设计

为了更加贴近实际地对大功率永磁同步推进电机改进模型预测电流控制策略进行对比验证，本文选择了可实时仿真模拟的硬件在环仿真平台。其控制优势之一在于可基于Matlab/Simulink仿真环境创建StarSim HIL上位机软件可识别的实时硬件仿真模型及编写并转换StarSim RCP软件可下载至FPGA板卡的软件程序。由于软件开发环境是基于电机控制算法研发人员熟知的Matlab/Simulink仿真软件，是在离线仿真的基础上完成的软件开发，大幅缩减了前期准备时间。

应用Matlab/Simulink搭建MT PXI系列HIL实时硬件仿真模型的步骤如下：

（1）打开成熟的Simulink离线仿真模型，去掉控制算法部分，保留其电气拓扑部分，并放置好电机及硬件电路所需的输入输出端口。

（2）将电机及硬件电路的仿真环境设置成离散仿真ode3，并设置为固定步长Fixed-step模式，仿真步长设置为1e-6（μs级实时仿真模拟）。

（3）电机及硬件电路在Simulink中创建完毕后，无需编译，可通过StarSim HIL上位机软件直接加载至HIL的实时仿真器中。

根据HIL实时硬件仿真模型的创建步骤搭建的电机及硬件电路实时仿真模型如图5.4所示。

结论

PMSM具有效率高、温升低、功率密度大等优点，可确保船舶电力推进系统拥有良好的工作性能，因此，PMSM作为船舶电力推进电机得到了广泛的应用。故对船舶电力推进用PMSM控制策略的研究具有重要的意义。SVM-DTC以其控制简单且相较于传统控制策略可以有效降低转矩脉动等优点，成为目前船舶电力推进系统用PMSM控制系统众多改进优化策略中的研究热点之一，但其仍然存在转矩脉动较大且参数整定困难等问题。因此，本文提出了基于MPCC的永磁同步推进电机控制策略，并在此基础上通过改变电压合成方式、增加预测备选电压矢量、设计约束条件、改变电压矢量选择方式等方法进行控制策略的改进优化，以降低电机转矩脉动，提高控制系统稳态性能。针对本课题研究内容，本文主要完成了如下工作：

（1）搜集了大量与船舶电力推进控制技术、PMSM控制技术、用于PMSM的MPC技术相关的文献，了解并分析国内外在相关领域的研究现状，阐述了开展本课题研究的意义。

（2）介绍了PMSM的结构特点及数学模型，叙述了两电平逆变器和三电平逆变器的拓扑结构、工作原理及电压空间矢量。研究了目前船舶电力推进系统用PMSM控制系统常用的改进优化策略SVM-DTC的工作原理及实现方式。

（3）根据MPC的基本原理和PMSM的数学模型，提出了基于MPCC的PMSM控制系统，并设计了基于双矢量MPCC的两电平逆变器PMSM控制系统，为了进一步提高电机的稳态性能，设计了基于双矢量MPCC的三电平逆变器PMSM控制系统，并给出了控制系统的约束条件和改进的价值函数表达式，之后设计了基于三矢量MPCC的三电平逆变器PMSM控制系统，并建立了作用时间再分配的规则。

（4）对所设计的控制系统进行了建模仿真实验，在Matlab/Simulink环境下搭建了SVM-DTC控制系统和本文设计的三个控制系统的Matlab/Simulink仿真模型，并分别在电机分阶段启动及负载突变情况下进行仿真对比分析，验证了本文所设计控制系统的有效性和优越性。

（5）通过硬件在环仿真平台对控制系统进行了软件程序的设计和上位机界面的设计，对本文所提的四种控制系统在电机转速突变和电机负载突变情况下进行了在线实时的硬件在环仿真对比验证，验证了本文设计的控制系统的可行性和有效性。

参考文献（略）

（本文摘自网络）