应用模型预测PWM的变流器示意图及技术特征

传统的脉宽调制策略是一种开环驱动过程：参考电压/电流信号转换成占空比，最终以脉冲的形式作为输出，并没有利用相关预测模型来优化系统性能。然而，脉宽调制过程与系统电流纹波、电压纹波等物理量有直接联系，建立相关物理量的实时预测模型是可行的。区别于传统的脉宽调制策略，模型预测的脉宽调制技术（Model Predictive PWM，MPP）基于相关物理量的实时预测模型，充分利用脉宽调制自由度，在同样满足系统相关标准的前提下，能有效改善系统的开关损耗和传导EMI等。图5-1是一个典型的应用模型预测PWM的变流器示意图。该变流器的控制结构与普通的控制系统完全一样，由转速外环和电流内环组成。其主要区别在于脉宽调制环节上，占空比不再是直接转换为门极驱动信号，而是根据预测模型实现PWM信号的优化。

图5-1 应用于电机驱动的变流器模型预测PWM示意图

模型预测PWM具有两个重要特征：一是利用脉冲自由度来改善变换器性能；二是自由度的控制须基于预测模型。第3章中介绍的随机PWM虽然应用了开关频率这个自由度来改善传导EMI，但是其控制方法是随机的，没有根据预测模型实现，因此不属于模型预测PWM的范畴。同时，由于随机PWM没有利用预测模型来控制开关频率，而是依赖于统计结果，并不能有效控制变换器的电流纹波和开关损耗，存在应用局限性。

与模型预测PWM所对应的还有目前学术界很流行的模型预测控制（Model Predictive Control，MPC）。图5-2所示是以电力传动为例的模型预测控制框图。和普通矢量控制不同的是，MPC没有通过电流环来实现对电机转矩的控制，而是直接以电流参考量为输入，通过预测模型选择合适的输出电压矢量，最终实现对电机的优化控制。对于其他应用，包括并网逆变器等同样适用。控制对象的预测模型直接用于输出矢量的合成，而优化目标也可以根据应用选取不同的参数^[1-4]。

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图5-2 模型预测控制框图

模型预测PWM与模型预测控制虽然都应用了预测模型，但是两者还是有质的不同。首先，模型预测控制没有内环（电流环），是通过直接合成矢量的方法实现电流（转矩）控制，但是模型预测PWM仍然基于传统的解耦控制方法，包括外环和内环（电流环），最终通过电流环输出的参考电压，再经PWM实现对电流（转矩）的控制，只是在PWM环节中应用了预测模型来实现优化；模型预测控制的对象是直接控制转矩和电流，但是模型预测PWM仍然通过控制电压的方式间接控制转矩和电流；模型预测控制可以认为是基于非线性的控制架构，改变了传统控制的结构，但是模型预测PWM仍然基于传统的控制方法，只是改变了PWM中脉冲发出的方式。相关比较见表5-1。

表5-1 模型预测控制与模型预测PWM的比较

以上分析用于对比和说明模型预测PWM技术与模型预测控制的不同。本书的核心内容在于通过预测模型改进PWM方式，关于控制方法没有过多描述。以前述章节介绍的预测模型为基础，本章利用开关频率等自由度进行了PWM方法的优化。