基于多核并行計(jì)算的永磁同步電機(jī)有限集模型預(yù)測(cè)控制策略

劉 濤 習(xí)金玉 宋戰(zhàn)鋒 王 萌

基于多核并行計(jì)算的永磁同步電機(jī)有限集模型預(yù)測(cè)控制策略

劉 濤1習(xí)金玉1宋戰(zhàn)鋒2王 萌3

（1. 天津工業(yè)大學(xué)電工電能新技術(shù)天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300387 2. 天津大學(xué)電氣自動(dòng)化與信息工程學(xué)院 天津 300072 3. 河南師范大學(xué)電子與電氣工程學(xué)院 新鄉(xiāng) 453007）

有限集模型預(yù)測(cè)控制算法存在較長(zhǎng)程序執(zhí)行時(shí)間與較短控制周期之間的矛盾，算法執(zhí)行效率低于傳統(tǒng)線(xiàn)性控制算法，進(jìn)而影響開(kāi)關(guān)頻率與控制精度的進(jìn)一步提高。針對(duì)此問(wèn)題，結(jié)合近幾年微控制器在多核心領(lǐng)域的發(fā)展，以永磁同步電機(jī)為被控對(duì)象，提出一種基于多核并行計(jì)算的有限集模型預(yù)測(cè)控制策略。由于算法對(duì)數(shù)據(jù)、時(shí)序依賴(lài)度高，與微控制器中多核心獨(dú)立運(yùn)行特點(diǎn)相矛盾，為此，該文設(shè)計(jì)了雙核、四核控制策略架構(gòu)，并提出數(shù)據(jù)交換策略和動(dòng)態(tài)標(biāo)志位。通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)所提方法的動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能、附加約束兼容性、程序執(zhí)行時(shí)間進(jìn)行分析對(duì)比，證明了所提方法能夠在保持原算法控制性能和控制特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，有效降低算法執(zhí)行時(shí)間。

永磁同步電機(jī) 有限集模型預(yù)測(cè)控制 多核心 并行計(jì)算

0 引言

在過(guò)去的十幾年中，有限集模型預(yù)測(cè)控制（Finite Control Set Model Predictive Control, FCS-MPC）算法發(fā)展迅速，并在電力電子變換器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)以及可再生能源等領(lǐng)域得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)的線(xiàn)性控制策略相比，F(xiàn)CS-MPC具有諸如內(nèi)部解耦、動(dòng)態(tài)性能好、易于加入非線(xiàn)性約束等優(yōu)點(diǎn)[1-4]。

但是，相比傳統(tǒng)線(xiàn)性控制算法，F(xiàn)CS-MPC算法需要更大的計(jì)算量[5]。其原因在于：①FCS-MPC算法的實(shí)現(xiàn)依賴(lài)被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的精確描述，計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜[6]；②FCS-MPC算法需要對(duì)變流器所能輸出的所有電壓矢量的作用效果進(jìn)行分別預(yù)測(cè)，相應(yīng)的迭代計(jì)算過(guò)程將大幅增加計(jì)算量[7]；③FCS-MPC算法在尋優(yōu)過(guò)程中，價(jià)值函數(shù)計(jì)算及結(jié)果之間的比較過(guò)程需要耗費(fèi)較大計(jì)算量[8]。

與傳統(tǒng)線(xiàn)性控制算法相比，F(xiàn)CS-MPC不采用脈寬調(diào)制方法，其開(kāi)關(guān)頻率不恒定。因此，為了達(dá)到相近的穩(wěn)態(tài)控制效果，F(xiàn)CS-MPC算法的控制周期必須小于傳統(tǒng)線(xiàn)性控制算法。在基于兩電平逆變器的永磁同步電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，F(xiàn)CS-MPC算法的控制周期接近傳統(tǒng)線(xiàn)性控制算法的六分之一[9]，造成了FCS-MPC算法中較長(zhǎng)程序執(zhí)行時(shí)間與較短控制周期之間的矛盾。目前，在絕大多數(shù)FCS-MPC研究成果中，系統(tǒng)控制周期大于10μs，平均開(kāi)關(guān)頻率一般不高于10kHz[10]。與之相比，基于脈寬調(diào)制技術(shù)的線(xiàn)性控制算法，在采用絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）的電壓源型逆變器中開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)15kHz。隨著微處理器和半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，特別是寬禁帶半導(dǎo)體（氮化鎵和碳化硅）的應(yīng)用，高性能電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)20kHz甚至更高，這意味著FCS-MPC算法的程序執(zhí)行時(shí)間已成為限制其性能提升的瓶頸[11]。算法執(zhí)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)將不利于控制頻率的提高，造成定子電流誤差無(wú)法得到及時(shí)修正，從而降低電機(jī)的穩(wěn)態(tài)控制精度。

為了解決這一問(wèn)題，相關(guān)研究主要分為兩個(gè)方向：①在軟件上簡(jiǎn)化FCS-MPC算法；②在硬件上提高FCS-MPC的算法執(zhí)行效率。針對(duì)軟件方面的簡(jiǎn)化，最近幾年，一些FCS-MPC簡(jiǎn)化方法相繼被提出。文獻(xiàn)[12]通過(guò)對(duì)空間電壓矢量進(jìn)行分區(qū)，減少預(yù)測(cè)過(guò)程中候選矢量的數(shù)量，從而縮短程序運(yùn)行時(shí)間。文獻(xiàn)[13]通過(guò)預(yù)測(cè)式的等效變換和電壓矢量的分區(qū)，簡(jiǎn)化了預(yù)測(cè)過(guò)程和電壓矢量尋優(yōu)過(guò)程。文獻(xiàn)[14]通過(guò)將李雅普諾夫原理引入扇區(qū)分區(qū)方法中，消除了不需要的電壓矢量，簡(jiǎn)化了算法控制結(jié)構(gòu)。對(duì)于其他類(lèi)型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一些學(xué)者針對(duì)六相電機(jī)或雙三相電機(jī)，采用電壓矢量篩選法、查表法、預(yù)測(cè)式轉(zhuǎn)化法等方法簡(jiǎn)化了算法結(jié)構(gòu)和參數(shù)整定復(fù)雜度[15-16]。

上述針對(duì)FCS-MPC的簡(jiǎn)化方法雖然降低了算法復(fù)雜度，減少了計(jì)算時(shí)間，但是存在幾個(gè)問(wèn)題：

（1）大多數(shù)簡(jiǎn)化算法成立的前提基于一些假定，例如：假設(shè)定子磁鏈在控制周期內(nèi)保持不變，或直軸電流保持為零等[17-18]。此類(lèi)假定將造成簡(jiǎn)化算法與原算法不完全等效。特別是在電機(jī)處于弱磁控制模式下，直軸電流通常不為零，導(dǎo)致簡(jiǎn)化算法的前提假設(shè)不成立，從而影響算法的控制性能。

（2）部分算法對(duì)預(yù)測(cè)過(guò)程和價(jià)值函數(shù)進(jìn)行了變換，從而簡(jiǎn)化了算法結(jié)構(gòu)。然而，由于缺少原算法與簡(jiǎn)化算法之間的關(guān)聯(lián)性推導(dǎo)，無(wú)法證明簡(jiǎn)化算法與原算法完全等效，同時(shí)無(wú)法確定簡(jiǎn)化算法能夠保持原算法的所有特性。例如在文獻(xiàn)[19]中，簡(jiǎn)化算法將轉(zhuǎn)矩與磁鏈預(yù)測(cè)過(guò)程轉(zhuǎn)換成單一的磁鏈預(yù)測(cè)過(guò)程，有效降低了算法復(fù)雜度，但簡(jiǎn)化過(guò)程忽略了轉(zhuǎn)矩、磁鏈權(quán)值的調(diào)節(jié)作用，造成簡(jiǎn)化算法失去了原算法中調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩、磁鏈占比重的特性。因此，簡(jiǎn)化算法與原算法并非完全等效。

（3）許多簡(jiǎn)化算法沒(méi)有證明其對(duì)附加約束的兼容性，當(dāng)原算法中加入附加約束時(shí)，無(wú)法確定簡(jiǎn)化算法能夠達(dá)到相同的控制效果。部分文獻(xiàn)僅給出了針對(duì)個(gè)別附加約束的簡(jiǎn)化方法，但是，當(dāng)存在其他附加約束時(shí)，不能確定簡(jiǎn)化方法仍然適用，即無(wú)法證明簡(jiǎn)化算法對(duì)其附加約束的普適性[20]。

由于FCS-MPC簡(jiǎn)化方法存在一定的局限性，部分學(xué)者轉(zhuǎn)而研究在硬件上對(duì)FCS-MPC算法的執(zhí)行效率進(jìn)行優(yōu)化。其中，現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（Field Programmable Gate Array, FPGA）可根據(jù)編程代碼生成邏輯門(mén)結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)芯片內(nèi)邏輯功能的重構(gòu)。由于FPGA內(nèi)的邏輯門(mén)可以并行工作，因此可實(shí)現(xiàn)FCS-MPC算法的并行計(jì)算，減少算法執(zhí)行時(shí)間。目前，國(guó)外已有少量論文進(jìn)行了相關(guān)研究[21-23]。

盡管FPGA可以實(shí)現(xiàn)FCS-MPC的并行計(jì)算，但是，目前大部分電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仍采用微控制器（Micro Control Unit, MCU）或數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processor, DSP）作為其控制核心。相比FPGA，MCU集成了大量外圍設(shè)備，并在電機(jī)實(shí)時(shí)控制方面進(jìn)行了特定優(yōu)化，具有更好的性能/成本優(yōu)勢(shì)。另外，MCU在編程難易程度和程序可移植性方面也有一定優(yōu)勢(shì)，因此，短期內(nèi)FPGA難以在實(shí)時(shí)控制方面取代MCU的地位。近幾年，隨著MCU的發(fā)展，多核心MCU逐漸出現(xiàn)，使其計(jì)算性能成倍提高。然而，與FPGA架構(gòu)不同，多核心MCU中各個(gè)核心是獨(dú)立編程與運(yùn)行的，其設(shè)計(jì)初衷是讓各核心完成不同的任務(wù)，例如雙核心分別完成電機(jī)控制和上位機(jī)通信，或雙核心分別完成交-直-交變流器中的整流側(cè)控制和逆變側(cè)控制[24]。相關(guān)控制的特點(diǎn)在于，各核心的控制算法之間不存在數(shù)據(jù)依賴(lài)，或存在數(shù)據(jù)依賴(lài)但對(duì)時(shí)序依賴(lài)度較弱。由于FCS-MPC的各步驟緊密相連，相鄰步驟間存在很強(qiáng)的數(shù)據(jù)和時(shí)序依賴(lài)度，難以分成兩個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的控制策略，如何在多核心MCU中實(shí)現(xiàn)FCS-MPC并行計(jì)算，是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。目前，針對(duì)多核心MCU的FCS-MPC并行控制策略在國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域還未曾提及?？紤]程序執(zhí)行時(shí)間已成為限制FCS-MPC性能提升的瓶頸，而新興的多核心MCU可以達(dá)到更高的計(jì)算性能，具有提高FCS-MPC算法執(zhí)行速度的潛力，結(jié)合具有高開(kāi)關(guān)速度的寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)，有利于降低電流諧波和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提升電機(jī)系統(tǒng)的控制性能。因此，研究多核MCU中FCS-MPC并行計(jì)算實(shí)現(xiàn)方法具有一定的實(shí)際意義。

本文以德州儀器公司的TMS320F28379D為硬件平臺(tái)，研究“雙CPU+雙CLA”架構(gòu)下FCS-MPC算法的并行計(jì)算實(shí)現(xiàn)方法。通過(guò)對(duì)算法各個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)依賴(lài)度分析，實(shí)現(xiàn)控制策略的分割，構(gòu)建了雙核、四核并行計(jì)算下的FCS-MPC控制流程。為保證FCS-MPC并行計(jì)算的時(shí)序正確性，提出了兩階段數(shù)據(jù)交換策略和動(dòng)態(tài)標(biāo)志位方法。最后，實(shí)驗(yàn)分為三部分：①通過(guò)動(dòng)態(tài)穩(wěn)態(tài)性能評(píng)估和附加約束兼容性測(cè)試，證明并行控制策略能夠保持FCS-MPC算法的控制性能和特性；②分析并行控制策略對(duì)程序執(zhí)行效率的提升效果；③分析并行控制策略運(yùn)行于更短控制周期時(shí)的控制精度，證明所提方法的可行性和有效性。

1 FCS-MPC控制策略

基于FCS-MPC的永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制策略結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 FCS-MPC控制策略結(jié)構(gòu)圖

圖1中可以看到，F(xiàn)CS-MPC主要實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的電流內(nèi)環(huán)控制，而速度外環(huán)控制器可由包括線(xiàn)性控制在內(nèi)的其他控制方法實(shí)現(xiàn)。雖然FCS-MPC減少了復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，但由于其對(duì)電機(jī)狀態(tài)變量的依賴(lài)度較高，需要進(jìn)行反電動(dòng)勢(shì)計(jì)算、Clarke變換、Park反變換以獲得預(yù)測(cè)過(guò)程的輸入量。FCS-MPC控制策略主要由預(yù)測(cè)過(guò)程、價(jià)值函數(shù)、比較尋優(yōu)三個(gè)部分組成，其理論基礎(chǔ)分析如下。

在靜止坐標(biāo)系下，表貼式永磁同步電機(jī)的電壓平衡方程可以表示為

式中，、分別為電機(jī)定子電阻與定子電感；為定子電流矢量，=[αβ]T；為定子反電動(dòng)勢(shì)矢量，=[αβ]T；為逆變器輸出電壓，=[αβ]T，對(duì)于逆變器所有的8種開(kāi)關(guān)狀態(tài)0~7，的取值對(duì)應(yīng)8種電壓矢量0~7，其數(shù)值與直流側(cè)電壓dc相關(guān)。

圖1中FCS-MPC的預(yù)測(cè)過(guò)程對(duì)應(yīng)電流預(yù)測(cè)式。根據(jù)前向歐拉法，電流預(yù)測(cè)式由式（1）得到，即

式中，為控制周期；()為時(shí)刻的電流矢量測(cè)量值；(+1)為(+1)時(shí)刻的電流矢量預(yù)測(cè)值。

FCS-MPC的核心思想是：通過(guò)預(yù)測(cè)電壓矢量0~7對(duì)電流的作用效果，篩選出距離電流參考值*（其中*=[αβ]T）最近的電流預(yù)測(cè)值(+1)，并將所對(duì)應(yīng)最優(yōu)電壓矢量o的開(kāi)關(guān)狀態(tài)輸出至逆變器。在尋優(yōu)過(guò)程之前，需要構(gòu)建價(jià)值函數(shù)對(duì)各個(gè)預(yù)測(cè)值進(jìn)行評(píng)估，有

最優(yōu)電壓矢量為

式中，argming(+1)為最小g(+1)值對(duì)應(yīng)的電壓矢量。

在每一個(gè)控制周期，F(xiàn)CS-MPC將電壓矢量0~7代入電流預(yù)測(cè)式（式（2）），并采用價(jià)值函數(shù)對(duì)所有電流預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估和比較，使價(jià)值函數(shù)達(dá)到最小值的電壓矢量將作為最優(yōu)矢量輸出至逆變器。其控制流程如圖2所示。

2 基于TMS320F28379D的FCS-MPC控制策略并行化方法

2.1 TMS320F28379D微控制器多核架構(gòu)

TMS320F28379D微控制器共有兩個(gè)32位處理核心，即CPU1和CPU2，每個(gè)核心均可提供 200MHz的處理性能；除此之外，微控制器具有兩個(gè)可編程控制律加速器（Control Law Accelerator CLA），即CPU1.CLA1和CPU2.CLA1，CLA是一種獨(dú)立的32位浮點(diǎn)處理器，運(yùn)行速度與主CPU相同。多核架構(gòu)如圖3所示。

圖3 TMS320F28379D微控制器多核架構(gòu)

圖3中可以看到，CPU1與CPU2之間存在多種數(shù)據(jù)交換模式，即IPC模塊、全局共享內(nèi)存、MSG內(nèi)存。由于CPU1與CPU2同時(shí)讀寫(xiě)同一數(shù)據(jù)區(qū)域會(huì)產(chǎn)生沖突問(wèn)題，三種交換模式均包含內(nèi)存讀寫(xiě)權(quán)限，例如在MSG內(nèi)存中，CPU1→CPU2 MSG內(nèi)存允許CPU1進(jìn)行讀寫(xiě)操作，但禁止CPU2進(jìn)行寫(xiě)入操作；相反，CPU2→CPU1 MSG內(nèi)存允許CPU2進(jìn)行讀寫(xiě)操作，但禁止CPU1進(jìn)行寫(xiě)入操作?？紤]IPC模塊中的仲裁機(jī)制較為復(fù)雜，影響數(shù)據(jù)交換速度。而全局共享內(nèi)存需要CPU1預(yù)先進(jìn)行寄存器配置，且CPU2沒(méi)有配置權(quán)限。與之相比，CPU1與CPU2之間的MSG內(nèi)存具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需預(yù)先配置的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)合理設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)交換策略，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的數(shù)據(jù)交換速度。與上述情況類(lèi)似，CPU與CLA之間主要采用MSG內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，需要注意的是，兩個(gè)CLA核心之間不能直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

2.2 FCS-MPC單核順序控制策略

FCS-MPC單核順序控制策略的流程如圖4所示。

圖4 FCS-MPC單核順序控制策略

由圖4可以看到，單核順序控制存在三個(gè)特點(diǎn)：

（1）各個(gè)步驟順序執(zhí)行（部分步驟旁標(biāo)注了該步驟所輸出的變量）。當(dāng)獲得預(yù)測(cè)過(guò)程所需的所有變量時(shí)，控制流程將依次進(jìn)入FCS-MPC算法的預(yù)測(cè)過(guò)程、價(jià)值函數(shù)、比較尋優(yōu)三個(gè)步驟（也稱(chēng)為預(yù)測(cè)、評(píng)估、尋優(yōu)）。此過(guò)程中，控制算法將對(duì)0~7進(jìn)行逐個(gè)預(yù)測(cè)、評(píng)估、尋優(yōu)，最終得到最優(yōu)電壓矢量。

（2）通過(guò)觀(guān)察各個(gè)步驟可以看到，大部分步驟存在依賴(lài)關(guān)系，即前一個(gè)步驟完成之后，才能進(jìn)行下一步驟。例如，Clarke變換必須在A-D轉(zhuǎn)換、電壓電流折算之后進(jìn)行；另一方面，部分步驟之間不存在依賴(lài)關(guān)系，例如A-D轉(zhuǎn)換與eQEP模塊可以同時(shí)運(yùn)行，同理，Clarke變換與反電動(dòng)勢(shì)計(jì)算可以同時(shí)進(jìn)行，因?yàn)樗鼈冎g不存在變量依賴(lài)關(guān)系。

（3）在FCS-MPC算法對(duì)0~7進(jìn)行逐個(gè)預(yù)測(cè)、價(jià)值函數(shù)計(jì)算的兩個(gè)階段中，8個(gè)電壓矢量沒(méi)有先后順序要求，它們之間沒(méi)有時(shí)序依賴(lài)關(guān)系。

2.3 FCS-MPC雙核并行控制策略

通過(guò)分析FCS-MPC中各步驟的數(shù)據(jù)依賴(lài)關(guān)系，可以為算法分割提供一定依據(jù)。然而，F(xiàn)CS-MPC內(nèi)部對(duì)數(shù)據(jù)和時(shí)序的依賴(lài)度高，難以分割出彼此獨(dú)立運(yùn)行的各個(gè)部分。因此，如何建立各核心之間的數(shù)據(jù)聯(lián)系，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)交換對(duì)象、交換次數(shù)及交換時(shí)間點(diǎn)是一個(gè)需要解決的問(wèn)題。

將單核順序控制策略中不存在依賴(lài)關(guān)系的流程分別分配給CPU1與CPU2；同時(shí)，將針對(duì)0~7的預(yù)測(cè)過(guò)程、價(jià)值函數(shù)、比較尋優(yōu)過(guò)程進(jìn)行均分，分別分配給CPU1與CPU2，可以得到FCS-MPC雙核并行控制策略，其流程如圖5所示。

圖5 FCS-MPC雙核并行控制策略

由圖5可以看到，與單核順序控制策略不同，雙核并行控制策略中需要進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，以保證各處理核心中預(yù)測(cè)、評(píng)估、尋優(yōu)過(guò)程的正常進(jìn)行。其中，第一次數(shù)據(jù)交換發(fā)生在預(yù)測(cè)過(guò)程執(zhí)行之前，在此過(guò)程中，CPU1將A-D轉(zhuǎn)換→電流電壓折算→ Clarke變換過(guò)程所得到dc、α、β傳輸至CPU2。與此同時(shí)，CPU2需要將eQEP模塊→轉(zhuǎn)速位置計(jì)算→ Park反變換→反電動(dòng)勢(shì)計(jì)算過(guò)程得到的* α、* β、α、β傳輸至CPU1中。第二次數(shù)據(jù)交換發(fā)生在各處理核心完成預(yù)測(cè)、評(píng)估、尋優(yōu)過(guò)程之后，在此過(guò)程中， CPU2將其得到的局部最優(yōu)電壓矢量發(fā)送至CPU1中，以便CPU1將兩核心分別得到的局部最優(yōu)值電壓矢量進(jìn)行對(duì)比，從而得到最終輸出的電壓矢量。

2.4 FCS-MPC四核并行控制策略

在雙核并行控制策略的基礎(chǔ)上，將部分電壓矢量的預(yù)測(cè)、評(píng)估、尋優(yōu)過(guò)程分配到CLA核心中，從而實(shí)現(xiàn)“雙CPU+雙CLA”的四核并行控制策略。

圖6 FCS-MPC四核并行控制策略

由圖6所示的流程中可以看到，在CPU1與CPU2完成數(shù)據(jù)交換后，CPU1.CLA1與CPU2. CLA1分別從各自對(duì)應(yīng)的CPU核心中獲取預(yù)測(cè)過(guò)程所需的變量值，并針對(duì)所負(fù)責(zé)的電壓矢量，逐步實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)過(guò)程、價(jià)值函數(shù)、比較尋優(yōu)的相應(yīng)計(jì)算，從而使FCS-MPC執(zhí)行效率得到進(jìn)一步優(yōu)化。當(dāng)CLA核心獲得局部最優(yōu)電壓矢量時(shí)，需要在CPU1與CPU2進(jìn)行第二次數(shù)據(jù)交換前，將最優(yōu)值傳輸至各自對(duì)應(yīng)CPU。可以看到相比雙核并行控制策略，四核并行控制策略增加了CPU與CLA之間的數(shù)據(jù)交換。

3 數(shù)據(jù)交換策略

在并行計(jì)算策略中，CPU1、CPU2以及所對(duì)應(yīng)的CLA核心彼此獨(dú)立，各核心內(nèi)的控制算法順序執(zhí)行。然而，由于缺乏時(shí)序控制機(jī)制，無(wú)法保證預(yù)測(cè)、評(píng)估、尋優(yōu)過(guò)程中數(shù)據(jù)的同步性。本文設(shè)計(jì)了一種數(shù)據(jù)交換策略，在保證數(shù)據(jù)完整性的基礎(chǔ)上，保持多核并行計(jì)算的時(shí)序正確。以避免某些核心在其他核心未完成相應(yīng)計(jì)算之前，過(guò)早地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，進(jìn)而將上一控制周期的變量用于本控制周期的計(jì)算中，最終導(dǎo)致預(yù)測(cè)誤差以及控制偏差的情況出現(xiàn)。

3.1 CPU1與CPU2之間的數(shù)據(jù)交換策略

與2.3節(jié)對(duì)應(yīng)，數(shù)據(jù)交換分為兩個(gè)階段進(jìn)行，分別處于FCS-MPC算法的前后，如圖7所示。

圖7 CPU1和CPU2的數(shù)據(jù)交換策略

CPU1與CPU2不能直接傳輸數(shù)據(jù)，而是通過(guò)MSG內(nèi)存間接傳輸數(shù)據(jù)；同時(shí)，考慮到2.1節(jié)中所述的兩種MSG內(nèi)存在讀寫(xiě)權(quán)限上的差異，在數(shù)據(jù)交換策略的設(shè)計(jì)中：①收發(fā)數(shù)據(jù)過(guò)程必須選擇特定的MSG內(nèi)存；②通過(guò)設(shè)置標(biāo)志位以確保CPU1與CPU2按照一定時(shí)序進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。其中，F(xiàn)1：第一階段CPU1→CPU2數(shù)據(jù)傳輸完成的標(biāo)志位；F2：第一階段CPU2→CPU1數(shù)據(jù)傳輸完成的標(biāo)志位；F3：第二階段CPU2→CPU1數(shù)據(jù)傳輸完成的標(biāo)志位。

在第二階段中，當(dāng)CPU2獲得局部最優(yōu)電壓矢量后，將矢量序號(hào)和相應(yīng)的價(jià)值函數(shù)計(jì)算結(jié)果發(fā)送到CPU2→CPU1 MSG內(nèi)存中，并將F3標(biāo)志位賦值為P；另一方面，在CPU1計(jì)算得到局部最優(yōu)電壓矢量后，不斷地對(duì)F3標(biāo)志位進(jìn)行檢查，當(dāng)檢測(cè)到F3=P時(shí)，將讀取最優(yōu)值，并進(jìn)行最終比較和輸出。

由上述過(guò)程可以看到，采用標(biāo)志位可以保證CPU1與CPU2在每個(gè)控制周期中，利用最新采集的電機(jī)狀態(tài)量，同步地對(duì)電機(jī)未來(lái)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)、評(píng)估、尋優(yōu)。反之，如果沒(méi)有標(biāo)志位對(duì)交換過(guò)程進(jìn)行時(shí)序控制，在第一階段中，CPU1或CPU2可能在沒(méi)有接收到對(duì)方數(shù)據(jù)的情況下，提前進(jìn)行預(yù)測(cè)；在第二階段中，CPU1可能在CPU2未獲得局部最優(yōu)電壓矢量的情況下，提前進(jìn)行最終比較與輸出。這兩種情況均會(huì)造成FCS-MPC控制誤差，以至影響整個(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

由圖中可以看到，當(dāng)兩個(gè)階段完成之后，標(biāo)志位F1、F2、F3均賦值為P，由于P在此控制周期中的意義為數(shù)據(jù)傳輸完成，因此在下一個(gè)控制周期開(kāi)始前，必須將標(biāo)志位F1、F2、F3復(fù)位。但是，在雙核系統(tǒng)中，CPU1和CPU2只對(duì)各自的MSG內(nèi)存具有寫(xiě)入權(quán)限，因此將所有標(biāo)志位復(fù)位需要CPU1與CPU2之間進(jìn)行多次數(shù)據(jù)傳輸和判斷，這將在一定程度上增加算法的復(fù)雜性。為解決這一問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種動(dòng)態(tài)標(biāo)志位，即

式中，“~P”表示對(duì)變量P進(jìn)行取反運(yùn)算，即“非運(yùn)算”。

可以看到，F(xiàn)1、F2、F3的對(duì)應(yīng)數(shù)值的意義是隨著控制周期交替變化的。在=2控制周期結(jié)束時(shí)，F(xiàn)1,F2,F3=P，意味著數(shù)據(jù)交換的兩個(gè)階段均已完成，而在下一控制周期的起始，即=21時(shí)，F(xiàn)1, F2,F3=P表示兩次數(shù)據(jù)交換均未完成。通過(guò)標(biāo)志位賦值意義的動(dòng)態(tài)交替轉(zhuǎn)換，簡(jiǎn)化了相應(yīng)的標(biāo)志位復(fù)位過(guò)程。

圖8顯示了動(dòng)態(tài)標(biāo)志位復(fù)位方法與傳統(tǒng)標(biāo)志位復(fù)位方法的區(qū)別。

圖8中可以看到，傳統(tǒng)標(biāo)志位復(fù)位方法中，標(biāo)志位F1必須先于F2、F3進(jìn)行復(fù)位，否則可能造成CPU1未完成第二階段數(shù)據(jù)交換時(shí)，CPU2對(duì)F3提前復(fù)位，造成控制時(shí)序錯(cuò)誤。為此，標(biāo)志位復(fù)位過(guò)程存在大量MSG內(nèi)存的讀寫(xiě)與標(biāo)志位檢測(cè)過(guò)程，這些過(guò)程均會(huì)造成一定的延遲，影響算法執(zhí)行效率。與之相比，在動(dòng)態(tài)標(biāo)志位復(fù)位方法中，各核心只需要對(duì)變量P進(jìn)行取反運(yùn)算，算法簡(jiǎn)單，基本無(wú)延遲。

3.2 CPU與CLA之間的數(shù)據(jù)交換策略

與CPU之間數(shù)據(jù)交換策略類(lèi)似，CPU與CLA之間的數(shù)據(jù)交換同樣分為兩個(gè)階段。所不同的是，兩個(gè)階段的數(shù)據(jù)傳輸方向均是單向的，另外，數(shù)據(jù)交換策略采用預(yù)設(shè)標(biāo)志位與中斷標(biāo)志位相結(jié)合的方法保證時(shí)序正確性。以CPU1與CLA1之間的數(shù)據(jù)交換為例，相應(yīng)的交換策略如圖9所示。

圖9 CPU1和CLA1的數(shù)據(jù)交換策略

在第一階段數(shù)據(jù)交換過(guò)程完成時(shí)，CPU1將預(yù)測(cè)過(guò)程所需的變量dc、α、β、* α、* β、α、β發(fā)送至CPU1→CLA1 MSG內(nèi)存，并將其中預(yù)先設(shè)置的標(biāo)志位F4賦值為1。與此同時(shí)，CLA1不斷地檢查標(biāo)志位F4，當(dāng)檢測(cè)到F4=1時(shí)，則意味著數(shù)據(jù)傳輸已完成，CLA1將逐個(gè)讀取變量。在此之后，CPU1與CLA1執(zhí)行各自所分配電壓矢量的預(yù)測(cè)、評(píng)估、尋優(yōu)過(guò)程，并得到局部最優(yōu)值。在控制算法進(jìn)入數(shù)據(jù)交換的第二階段之前，CLA1將發(fā)送局部最優(yōu)值至CLA1→CPU1 MSG內(nèi)存，而CPU1將不斷地檢查標(biāo)志位H，以判斷CLA1是否完成數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)標(biāo)志位H為0時(shí)，CPU1將讀取MSG內(nèi)存中的局部最優(yōu)值，將標(biāo)志位F4復(fù)位為0，并進(jìn)行局部最優(yōu)值的比較過(guò)程。標(biāo)志位H為中斷標(biāo)志位Cla1Regs. MIRUN.bit.INT1，當(dāng)CLA1程序執(zhí)行完成后，該標(biāo)志位將由1轉(zhuǎn)變?yōu)?，因此可以將其作為CLA1數(shù)據(jù)發(fā)送完成的標(biāo)志。

4 硬件平臺(tái)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于代碼生成技術(shù)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖10所示。

圖10 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖10中，控制器為德州儀器的浮點(diǎn)型微控制器TMS320F28379D。電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元基于氮化鎵半橋功率元件LMG5200，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的功率密度和開(kāi)關(guān)頻率。被測(cè)電機(jī)與負(fù)載電機(jī)均為表貼式永磁同步電機(jī)，集成1 000脈沖/圈正交編碼器，相應(yīng)的電機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1。另外，系統(tǒng)的控制周期=20μs。

表1 電機(jī)參數(shù)

Tab.1 Motor parameters

基于代碼生成技術(shù)，構(gòu)建多核并行計(jì)算的FCS-MPC控制策略，相應(yīng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境與圖形化程序結(jié)構(gòu)（以CPU1為例）如圖11所示。為了補(bǔ)償FCS-MPC的計(jì)算過(guò)程造成的單位控制周期的延遲，控制程序中加入了延遲補(bǔ)償算法[25]。

圖11 基于代碼生成技術(shù)的開(kāi)發(fā)環(huán)境與圖形化程序

4.1 控制性能等效性驗(yàn)證

直流側(cè)電壓dc=48V，定子電流參考值由3A階躍到6A，相應(yīng)的定子電流波形如圖12所示。

通過(guò)對(duì)圖12a和圖12b進(jìn)行對(duì)比，可以看到，四核并行控制策略的電流諧波含量、電流階躍時(shí)間基本與單核順序控制相一致，這意味著并行控制保持了FCS-MPC的動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能。

在永磁同步電機(jī)中，常見(jiàn)的附加約束有開(kāi)關(guān)頻率約束與共模電壓約束。其中，開(kāi)關(guān)頻率的高低直接影響電機(jī)逆變器的開(kāi)關(guān)損耗和散熱溫度；共模電壓直接影響電機(jī)的中性點(diǎn)絕緣性和電磁兼容性。

為評(píng)估四核并行控制策略對(duì)附加約束的兼容性，設(shè)置dc=36V，定子電流參考值為5A。當(dāng)加入開(kāi)關(guān)頻率約束時(shí)，F(xiàn)CS-MPC的價(jià)值函數(shù)變?yōu)?/p>

圖13 定子電流與開(kāi)關(guān)切換次數(shù)波形

在加入開(kāi)關(guān)頻率約束的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步加入共模電壓約束，F(xiàn)CS-MPC的價(jià)值函數(shù)變?yōu)?/p>

設(shè)置開(kāi)關(guān)頻率約束sw=0.01，共模電壓約束cm分別設(shè)為0.05、0.3、0.5，記錄定子電流與共模電壓的波形，如圖14所示。

從圖14中可以看到，隨著共模電壓約束cm的逐漸增大，共模電壓cm的變動(dòng)范圍逐漸縮小，表明共模電壓逐漸得到抑制。與之相對(duì)，定子電流畸變率隨著cm增大而逐漸上升，表明電流約束與共模電壓約束存在互相制約關(guān)系。對(duì)比圖14a與圖14b可知，四核并行控制方法在定子電流、共模電壓的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與單核順序控制方法基本保持一致。

對(duì)比圖13和圖14實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可驗(yàn)證單核順序控制與四核并行控制在附加約束兼容性上是一致的。

4.2 程序執(zhí)行時(shí)間對(duì)比與分析

對(duì)于附加上述兩種約束的FCS-MPC算法，圖15顯示了單核順序控制、雙核并行控制，及四核并行控制的程序執(zhí)行時(shí)間測(cè)量結(jié)果。

從圖15中可以看到，在單核順序控制中，F(xiàn)CS-MPC所對(duì)應(yīng)的模型預(yù)測(cè)、價(jià)值函數(shù)計(jì)算、比較尋優(yōu)過(guò)程在程序執(zhí)行時(shí)間中所占比重最大（約62%）。當(dāng)采用雙核并行控制時(shí)，上述過(guò)程在各個(gè)核心中的執(zhí)行時(shí)間下降了近50%；而在四核并行控制中，該過(guò)程的執(zhí)行時(shí)間得到了進(jìn)一步的下降。與此同時(shí)，相比單核順序控制，并行控制方法通過(guò)把不存在依賴(lài)關(guān)系的步驟（1）與步驟（2）分?jǐn)偟紺PU1與CPU2中分別執(zhí)行，進(jìn)一步減少了計(jì)算時(shí)間。另外，由于并行控制依賴(lài)數(shù)據(jù)交換過(guò)程，相關(guān)的通信和時(shí)序等待時(shí)間將消耗額外程序執(zhí)行時(shí)間，這將對(duì)進(jìn)一步降低程序執(zhí)行時(shí)間產(chǎn)生影響。

通過(guò)對(duì)各計(jì)算步驟進(jìn)行合理分配，采用四核并行控制的FCS-MPC算法可將程序執(zhí)行時(shí)間降低到低于10μs。通過(guò)分析各步驟的執(zhí)行時(shí)間，可以預(yù)見(jiàn)，隨著多核微控制器的發(fā)展以及核心間通信帶寬的增加，基于并行計(jì)算的FCS-MPC算法仍有較大的程序執(zhí)行效率提升空間。

4.3 并行控制方法對(duì)控制精度的提升效果

對(duì)于低壓高速永磁同步電機(jī)，定子電感相對(duì)較小，定子電流頻率較高，F(xiàn)CS-MPC算法需要更小的控制周期以保持電流控制效果。設(shè)置dc=36V，圖16顯示了四核并行控制與單核順序控制在不同控制周期下的定子電流穩(wěn)態(tài)波形以及相應(yīng)的開(kāi)關(guān)頻率、電流諧波分析結(jié)果。

圖16 不同控制周期下定子電流波形對(duì)比

圖17顯示了四核并行控制與單核順序控制在不同控制周期下的定子電流暫態(tài)響應(yīng)波形。圖17中，電流幅值由3A階躍到5A。

由圖17中可以看到，相比單核順序控制，四核并行控制方法在電流階躍過(guò)程中具有更快的響應(yīng)速度，這主要是因?yàn)樗暮瞬⑿锌刂品椒軌驅(qū)崿F(xiàn)更短的控制周期，進(jìn)而達(dá)到更快的電流控制速度。

圖18顯示了四核并行控制與單核順序控制在不同控制周期下的電磁轉(zhuǎn)矩紋波對(duì)比。

圖18 不同控制周期下電磁轉(zhuǎn)矩紋波對(duì)比

由圖18中可以看到，四核并行控制方法具有更低的電磁轉(zhuǎn)矩紋波，同時(shí)可以看到，在電流幅值發(fā)生階躍時(shí)，四核并行控制所對(duì)應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度更快。

四核并行控制方法有利于提高定子電流的動(dòng)、穩(wěn)態(tài)性能，同時(shí)能夠有效地抑制轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，提高轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度。在未來(lái)的發(fā)展中，有利于FCS-MPC應(yīng)用于具有高開(kāi)關(guān)頻率的寬禁帶半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件中。

5 結(jié)論

本文針對(duì)永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，提出了一種基于多核并行計(jì)算的FCS-MPC控制策略。其中，針對(duì)新型微控制器TMS320F28379D的雙CPU+雙CLA架構(gòu)以及FCS-MPC的算法結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分別構(gòu)建了雙核、四核并行控制策略，并設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)交換策略和動(dòng)態(tài)標(biāo)志位方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)將FCS-MPC算法的各個(gè)部分合理分配到微控制器的各核心，可以在保持原算法控制性能和控制特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，有效降低算法的執(zhí)行時(shí)間。有利于進(jìn)一步縮短FCS-MPC算法的控制周期，提高開(kāi)關(guān)頻率和控制精度。相比FPGA方法，該方法基于多核微控制器，具有更為成熟的電機(jī)系統(tǒng)軟硬件開(kāi)發(fā)環(huán)境和更低的開(kāi)發(fā)難度，為改善FCS-MPC程序執(zhí)行效率提供了一條新思路。

[1] Vazquez S, Rodriguez J, Rivera M, et al. Model predictive control for power converters and drives: advances and trends[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2016, 64(2): 935-947.

[2] 陳卓易, 邱建琪, 金孟加. 內(nèi)置式永磁同步電機(jī)無(wú)位置傳感器自適應(yīng)集總電動(dòng)勢(shì)模型預(yù)測(cè)控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2018, 33(24): 5659-5669. Chen Zhuoyi, Qiu Jianqi, Jin Mengjia.Sensorless adaptive lumped electromotive-force model predictive control of interior permanent magnet synchronous motors[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(24): 5659-5669.

[3] 姚駿, 劉瑞闊, 尹瀟. 永磁同步電機(jī)三矢量低開(kāi)關(guān)頻率模型預(yù)測(cè)控制研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2018, 33(13): 2935-2945. Yao Jun, Liu Ruikuo,Yin Xiao. Research on 3-vector model predictive control with low switching frequency of permanent magnet synchronous motor[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(13): 2935-2945.

[4] 苗磊, 張勇軍, 童朝南, 等. 基于模型預(yù)測(cè)直接轉(zhuǎn)矩控制的永磁同步發(fā)電機(jī)效率優(yōu)化研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2018, 33(15): 3535-3546. Miao Lei, Zhang Yongjun, Tong Chaonan, et al. Efficiency optimization of permanent magnet synchronous generators based on model predictive direct torque control[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(15): 3535-3546.

[5] Shen Kun, Feng Jianghua, Zhang Jing. Finite control set model predictive control with feedback correction for power converters[J]. CES Transactions on Electrical Machines and Systems, 2018, 2(3): 312-319.

[6] 陳卓易, 邱建琪, 金孟加. 永磁同步電機(jī)有限集無(wú)參數(shù)模型預(yù)測(cè)控制[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào), 2019, 23(1): 19-26. Chen Zhuoyi, Qiu Jianqi, Jin Mengjia.Finite control set nonparametric model predictive control for permanent magnet synchronous machines[J]. Electric Machines and Control Application, 2019, 23(1): 19- 26.

[7] 楊興武, 牛夢(mèng)嬌, 李豪, 等. 基于開(kāi)關(guān)狀態(tài)函數(shù)計(jì)算的改進(jìn)模型預(yù)測(cè)控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2018, 33(20): 4834-4844. Yang Xingwu, Niu Mengjiao, Li Hao, et al. Improved model predictive control based on switching state function calculation[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(20): 4834-4844.

[8] 於鋒, 朱晨光, 吳曉新, 等. 基于矢量分區(qū)的永磁同步電機(jī)三電平雙矢量模型預(yù)測(cè)磁鏈控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(10): 2130-2140. Yu Feng, Zhu Chenguang, Wu Xiaoxin, et al. Two-vector-based model predictive flux control of three-level based permanent magnet synchronous motor with sector subregion[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(10): 2130-2140.

[9] Zhou Zhanqing, Xia Changliang, Yan Yan. Torque ripple minimization of predictive torque control for PMSM with extended control set[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2017, 64(9): 6930-6939.

[10] Rodriguez J, Kazmierkowski M P, Espinoza J R, et al. State of the art of finite control set model predictive control in power electronics[J]. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2013, 9(2): 1003-1016.

[11] Shirabe K, Swamy M, Kang J K, et al. Advantages of high frequency PWM in AC motor drive applications[C]// IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), Raleigh, USA, 2012: 2977-2984.

[12] Liu Tao, Cai Yan, Song Zhanfeng. Simplified predictive torque control for surface-mounted PMSM based on equivalent transformation and partition method[J]. IEEE Access, 2020, 8(1): 35048-35062.

[13] Xia Changliang, Liu Tao, Shi Tingna, et al. A simplified finite-control-set model-predictive control for power converters[J]. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2014, 10(2): 991-1002.

[14] Liu Xing, Wang Dan, Peng Zhouhua. A computationally efficient FCS-MPC method without weighting factors for NNPCs with optimal duty cycle control[J]. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2018, 23(5): 2503-2514.

[15] Luo Yixiao, Liu Chunhua. A flux constrained predictive control for a six-phase PMSM motor with lower complexity[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2019, 66(7): 5081-5093.

[16] Luo Yixiao, Liu Chunhua. Model predictive control for a six-phase PMSM motor with a reduced-dimension cost function[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2020, 67(2):969-979.

[17] Sun Chong, Sun Dan, Zheng Zhihao, et al. Simplified model predictive control for dual inverter-fed open-winding permanent magnet synchronous motor[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2018, 33(4): 1846-1854.

[18] Xiao Meng, Shi Tingna, Gu Xin, et al. Simplified predictive torque control for permanent magnet synchronous motor with discrete duty cycle control[J]. IET Electric Power Applications, 2019, 13(3): 294-301.

[19] Kodumur M R E, Kunisetti V P K, Kumar T V. Enhanced predictive torque control for open end winding induction motor drive without weighting factor assignment[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2019, 34(1): 503-513.

[20] 李耀華, 師浩浩, 孟祥臻. 表面式永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化預(yù)測(cè)控制策略[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào), 2020, 24(4): 96-103. Li Yaohua, Shi Haohao, Meng Xiangzhen. Simplified predictive control for direct torque control of surface permanent magnet synchronous motor[J]. Electric Machines and Control Application, 2020, 24(4): 96-103.

[21] Zhang Zhenbin, Li Zhen, Kazmierkowski M P, et al. Robust predictive control of three-level NPC back-to-back power converter PMSG wind turbine systems with revised predictions[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2018, 33(11): 9588-9598.

[22] Gulbudak O, Santi E. FPGA-based model predictive controller for direct matrix converter[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2016, 63(7): 4560-4570.

[23] Zhang Zhenbin, Wang Fengxiang, Sun Tongjing, et al. FPGA-based experimental investigation of a quasi-centralized model predictive control for back-to-back converters[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2016, 31(1): 662-674.

[24] Akin B, Bhardwaj M, Choudhury S. An integrated implementation of two-phase interleaved PFC and dual motor drive using single MCU with CLA[J]. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2013, 9(4): 2082-2091.

[25] Cortes P, Rodriguez J, Silva C, et al. Delay compensation in model predictive current control of a three-phase inverter[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2012, 59(2): 1323-1325.

Finite Control Set Model Predictive Control of Permanent Magnet Synchronous Motor Based on Multi-Core Parallel Computing

Liu Tao1Xi Jinyu1Song Zhanfeng2Wang Meng3

（1.Tianjin Key Laboratory of Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy Tiangong University Tianjin 300387 China 2. School of Electrical and Information Engineering Tianjin University Tianjin 300072 China 3. College of Electronic and Electric Engineering Henan Normal University Xinxiang 453007 China）

Finite control set model predictive control (FCS-MPC) has a contradiction between long program execution time and short control period, and its algorithm execution efficiency is lower than the traditional linear control algorithm, which further affect the improvement of the switching frequency and control accuracy. In order to solve this problem, combined with the development of multi-core microcontrollers in recent years, this paper proposed a multi-core parallel computing based FCS-MPC strategy for permanent magnet synchronous motor. FCS-MPC has a high dependence on data and timing, which contradicts the independent characteristics of multi-core microcontrollers. This paper designed the dual-core and quad-core control architectures, and proposed the data exchange strategy and dynamic flags. With the experimental system, the transient and steady state performance, the additional constraint compatibility, and the program execution time of the proposed method were analyzed and compared. It is proved that the proposed method can effectively reduce the execution time of FCS-MPC strategy while maintaining the performance and characteristics of the original algorithm.

Permanent magnet synchronous motor (PMSM), finite control set model predictive control (FCS-MPC), multi-core, parallel computing

TM351; TM341

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.200717

國(guó)家自然科學(xué)基金（51807139）、天津市自然科學(xué)基金（19JCQNJC03600）和天津工業(yè)大學(xué)學(xué)位與研究生教育改革項(xiàng)目（Y20180108）資助。

2020-06-28

2020-07-29

劉 濤 男，1984年生，博士，講師，研究方向?yàn)殡姍C(jī)系統(tǒng)及其控制。E-mail：taoliu@tju.edu.cn（通信作者）

習(xí)金玉 男，1996年生，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姍C(jī)系統(tǒng)及其控制。E-mail：xjy@tiangong.edu.cn

（編輯 郭麗軍）