三相四开关逆变器因其拓扑结构简单、硬件成本低并可作为传统三相逆变器的故障重构结构等优势,在电机调速系统中有广阔的应用前景。同时考虑到永磁同步电机作为高效电机的节能优势和模型预测控制作为高性能控制策略的应用潜力,开展三相四开关逆变器驱动永磁同步电机系统的模型预测控制技术的研究工作有重要的理论和现实意义。本文从电机系统数学建模、电容电压平衡控制、模型预测控制目标函数设计和电压矢量选择过程简化等多个方面进行深入分析和算法优化。从以下几个方面展开了研究工作:1.为消除传统模型预测转矩控制目标函数中针对磁链幅值和电容电压等控制项的调节因子系数,本文针对三相四开关逆变器驱动永磁同步电机系统提出一种模型预测磁链控制算法。通过提出一种基于自适应陷波器电容电压平衡控制的定子磁链补偿器,实现将转矩、电容电压控制项转化为对磁链矢量的单一控制,从而消除了调节因子系数。实验结果表明该算法有很好的静态和动态性能,通过自适应陷波器来消除电容电压正弦分量对系统运行性能控制的影响,改善了电容电压的稳态控制效果。2.在所提出的模型预测磁链控制的基础上,对三相四开关逆变器的电压矢量特性进行深入分析,通过引入偏移电压矢量的概念,由此计算出偏移磁链误差矢量作为最优电压矢量选择的判断标准。只需一次预测计算,就能在理想电压矢量平面上通过扇区判断选出目标控制电压矢量。这种方法简化了电压矢量选择的步骤,使得计算时间大大减少,称为简化模型预测磁链控制方法。为进一步改善系统运行的稳态性能,本文研究了一种基于三矢量合成的简化模型预测磁链控制方法,在一个控制周期作用更多的基本电压矢量,使得理论上磁链矢量跟踪误差为零。实验结果证明了简化电压矢量选择算法的可行性,在缩短了算法计算时间的基础上,控制性能不会被牺牲。而由于多个电压矢量的作用,使得稳态控制性能得到改善。3.提出了一种与模型预测磁链控制对偶存在的控制策略。通过定义了一个与无功功率相关的虚拟转矩,提出拓展转矩矢量的概念。并由此计算出在id = 0控制模型下的给定拓展转矩矢量,将转矩、电容电压控制项转化为对转矩矢量的控制,这种控制方法称为模型预测转矩矢量控制。该方法实现目标函数中调节因子系数的消除,减少相应的整定工作。4.提出一种简化模型预测电流控制,与传统三相四开关永磁同步电机模型预测电流控制相比,通过将简化电压矢量选择的方法移植到预测电流控制中,结合虚拟占空比的调制技术,减少系统稳态时电流的脉动并缩短算法计算时间。实验结果证明了本文提出的针对三相四开关驱动系统的简化电压选择方法的有效性,并具备在不同控制方法中的可移植性。