三相逆变器有限控制集模型预测电流控制仿真

资 源 简 介

该项目实现了一套完整的基于有限控制集模型预测控制（FCS-MPC）的三相逆变器电流控制系统。其核心原理是利用逆变器开关状态的离散特性，省去传统的脉宽调制（PWM）及空间矢量调制（SVPWM）环节。系统通过建立逆变器在离散域下的数学模型，实时采集当前的电流与电压信号，通过离散模型预测下一采样时刻所有可能的八种电压矢量对应的输出电流值。通过预设的代价函数，将各个预测电流值与参考指令值进行对比，筛选出使电流跟踪误差最小的开关状态，并将其直接应用于逆变器桥臂。该方法具有极快的动态响应速度，能够有效应对非线性负载和

详 情 说 明

三相逆变器有限控制集模型预测电流控制系统 (FCS-MPC)

项目介绍

本项目实现了一套基于有限控制集模型预测控制（FCS-MPC）的三相电压源逆变器电流控制仿真系统。该系统摒弃了传统的脉宽调制（PWM）或空间矢量调制（SVPWM）环节，利用逆变器开关状态的离散特性，通过优化代价函数直接输出最优开关信号。系统具备极快的动态响应速度，能够实现对参考电流的高精度跟踪，并提供完整的系统性能评估工具，包括时域波形图、空间矢量轨迹及总谐波失真（THD）分析。

功能特性

• 离散控制集优化：直接利用逆变器的 8 种基本开关状态（包括 6 个有效矢量和 2 个零矢量）作为控制搜索空间。
• 无采样调制环节：无需 carrier-based PWM 或 SVPWM，通过每采样周期一次的滚动优化直接决定桥臂通断。
• 动态性能优异：基于离散预测模型实时更新控制逻辑，能够迅速应对电流指令变化。
• 完整闭环仿真：集成了参考信号生成、坐标变换、预测模型、代价函数评定及负载动态反馈。
• 频谱评估功能：内置基于 FFT 更新的电流总谐波失真（THD）分析功能，量化控制算法的稳态质量。

系统要求

• 软件环境：MATLAB 2018b 或更高版本。
• 工具箱：基础 MATLAB 环境（无需额外的 Simulink 模块即可运行该核心算法脚本）。

核心实现逻辑与功能说明

1. 参数初始化与离散控制集建模

系统首先定义仿真步长、负载参数（电阻 R、电感 L）及直流母线电压。关键部分在于构建逆变器的 8 个开关状态矩阵。通过 Clarke 逆变换原理，将这 8 种开关组合预先转换为 alpha-beta 坐标系下的电压矢量，为后续的滚动优化提供物理预测基础。

2. 参考电流生成与坐标变换

在每个采样时刻，系统生成标准的三相正弦参考电流。为了简化计算量，系统采用 Clarke 变换将当前采集的三相实际电流以及参考电流映射到静止 alpha-beta 坐标系中，从而将三相冗余变量转化为互不耦合的两个轴分量。

3. 基于欧拉法的一阶预测模型

核心算法使用一阶前向欧拉法将连续域的负载状态空间方程离散化。预测方程利用当前的电流测量值、采样的直流母线电压和 8 种备选电压矢量，实时计算出下一采样时刻（k+1）所有可能的 8 组预测电流值。

4. 滚动优化与代价函数判定

系统定义了一个欧氏距离平方作为代价函数（Cost Function），用于衡量 8 组预测电流与参考指令值之间的偏差。通过遍历循环，对比每种矢量产生的预测结果，自动筛选出使该代价函数最小的最优矢量。该过程体现了 MPC 的“滚动优化”思想，即仅将当前最优结果的第一步操作作用于系统。

5. 负载模型实时反馈

为了模拟真实物理环境，系统建立了一个基于离散状态方程的负载响应模型。将选出的最优开关状态带入电压方程，计算出负载侧真实的相电压响应，并据此更新下一时刻的电流状态，形成闭环控制回路。

6. 结果后处理与可视化

仿真完成后，系统会自动执行以下分析：

• 时域跟踪分析：对比显示 A 相参考电流与实际输出电流的跟踪情况。
• 空间矢量分析：绘制 alpha-beta 平面的电流运行轨迹，观察其圆度。
• 误差监控：记录并绘制每一时刻代价函数的变化情况。
• 脉冲序列观察：提取单桥臂的开关脉冲逻辑，直观展示变频特性。
• 频域质量分析：对输出电流进行快速傅里叶变换（FFT），计算基波幅值并自动计算 THD 指标，以柱状图频谱形式展现。

使用方法

1. 运行主仿真脚本。
2. 程序将自动进行 0.1 秒（或预设时长）的系统仿真。
3. 仿真结束后，系统将自动弹出可视化窗口，展示包含电流跟踪、平相轨迹、误差曲线、开关逻辑及频谱分析在内的六组分析图表。
4. 可通过修改参数部分的 R、L 负载值或直流母线电压 Vdc 观察系统的稳定性与鲁棒性。