中国矿业大学郑长明、公铮教授团队：带LC滤波器的永磁同步电机系统谐振抑制预测转矩控制

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导语

永磁同步电机远距离供电系统常配备LC滤波器，以实现过电压抑制与定子电压正弦化。但系统的复杂性易引发转矩振荡失稳，导致现有预测转矩控制难以直接适用。针对这一挑战，中国矿业大学电气工程学院郑长明、公铮教授团队提出一种谐振抑制预测转矩控制方法。通过改进离散预测模型、无权重PTC设计与有源阻尼技术的深度融合，实现了转矩、磁链高性能跟踪与谐振有效抑制。为解决带LC滤波器的永磁电机系统驱动问题提供了新思路。

研究背景

在永磁同步电机远距离供电场合，逆变器与电机间的长线缆会因行波反射效应引发机侧过电压，加剧绝缘老化。虽可通过接入LC滤波器抑制该过电压，但滤波器与电机定子电感构成了高阶LCL结构，易诱发转矩谐振失稳。

现有预测转矩控制（PTC）多针对无滤波器的常规电机系统设计，受限于动力学模型差异且未考虑谐振抑制，难以直接适用；现有多矢量PTC虽能降低纹波，但面临计算复杂、难以集成谐振抑制的困境。因此，亟需研究一种适用于带LC滤波器的永磁同步电机系统新型PTC策略，以兼顾高性能跟踪与谐振抑制。

图1 LC-PMSM驱动系统基本拓扑

论文所解决的问题及意义

本文解决了传统预测转矩控制无法直接用于LC-PMSM系统、转矩谐振抑制困难、权重系数选取复杂以及稳态纹波较大等问题。所提方法实现了转矩、磁链的快速跟踪与谐振振荡的有效抑制，同时消除了权重因子并降低了计算量。其意义在于为带LC滤波器的永磁同步电机驱动系统提供了一种高性能、高稳定性且易于实现的控制方案，对提升系统寿命和可靠性具有重要意义。

论文方法及创新点

1、基于改进欧拉法的离散预测模型

针对传统欧拉法无法直接构建LC-PMSM系统转矩预测模型的问题，设计了一种改进欧拉离散预测模型。通过与传统欧拉法和递推欧拉法对比可知，所提离散化模型具有计算量低、精度高的优点。

图2 不同离散化预测模型精度对比

2、无权重谐振抑制预测转矩控制器

基于转矩和定子磁链幅值无差拍原理，推导了最优逆变器电压参考，实现了转矩快速精确跟踪控制且无需引入额外权重因子。进一步地，嵌入了滤波电容电流反馈有源阻尼，等效为并联虚拟电阻，有效抑制了LC-PMSM高阶系统产生的谐振峰。

3、低复杂度三矢量最优占空比求解

通过最小化逆变器电压参考加权跟踪误差直接计算占空比，无需遍历寻优或多次预测，计算量降低；此外，采用对称7段式脉冲生成模式实现恒定开关频率，降低了稳态转矩纹波。所设计控制方法的实现框图如图3所示。

图3 所提谐振抑制预测转矩控制策略实现框图

4、实验验证

为了验证所提方法的优越性，分别与传统单矢量PTC、三矢量PTC进行了实验对比，硬件实验平台和稳态实验结果如图4和图5所示。

图4 硬件实验平台

图5 转速1000rpm下稳态性能对比

结论

1）所提改进欧拉法预测模型的离散精度更高，降低了转矩、磁链稳态跟踪误差；

2）所提谐振抑制PTC能有效抑制谐振，显著提升系统稳定性；

3）与传统单矢量、三矢量PTC相比，所提方法转矩、磁链纹波最低，稳、动态性能最优；

4）所提方法对模型参数失配具有最强鲁棒性，且控制器执行时间最短。

团队介绍

团队隶属于中国矿业大学电气工程学院电力电子电能变换与应用研究所：拥有教授5名，副教授7名。主要研究方向为：大功率电力传动及控制、高性能电力电子变换、本安技术、防爆电气及控制等。

郑长明

副教授，硕士生导师。研究方向为永磁电机与电力电子变换器预测控制。主持国家自然科学基金项目、企业委托科技项目等10余项。以第一/通讯作者发表高水平学术论文30余篇，第一发明人授权国家发明专利10余项。入选2024斯坦福大学全球前2％顶尖科学家榜单。获山东省优秀博士学位论文、IEEE国际电力电子与电机驱动预测控制会议"最佳学生论文奖"等荣誉，参编英文专著1部。现任中国电源学会变频电源与电力传动专业委员会委员、中国电源学会高级会员、IEEE Member，IEEE Transactions等多部高水平期刊审稿人。

谢淼

博士研究生在读。研究方向为永磁同步电机模型预测控制。主持江苏省“研究生科研与实践创新计划项目(博士重点项目) ”1项。发表高水平学术论文5篇，获教育部博士研究生国家奖学金等荣誉。

公铮

教授，博士生导师，江苏省优秀青年基金获得者，中国矿业大学英才学者、优秀共产党员、优秀青年骨干教师。长期致力于电力电子变换及控制技术方面的科学研究，主持多项国家级、省部级纵向科研项目，包括国家自然科学基金项目2项、江苏省自然科学基金项目2项、中国博士后科学基金项目2项、江苏省博士后科研资助计划项目1项等；主持、参与横向科研项目10余项。近五年发表高水平学术论文30余篇，授权国内外发明专利20余项。现为中国电源学会青年工作委员会、变频电源与电力传动专委会委员，中国电机工程学会电工数学专业委员会委员，中国自动化学会新能源与储能系统控制专委会委员，江苏省电源学会学术工作委员会、青年工作委员会、新能源发电与电能变换专委会委员，IEEE Member；担任IEEE、IET、Elsivier等多部电气学科高水平学术期刊的审稿人。

本工作成果发表在2026年第12期《电工技术学报》，论文标题为"带LC滤波器的永磁同步电机系统谐振抑制预测转矩控制"。本课题为国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金和江苏省研究生科研与实践创新计划资助项目。

引用本文

郑长明, 邵高, 谢淼, 钟岩, 公铮. 带LC滤波器的永磁同步电机系统谐振抑制预测转矩控制[J]. 电工技术学报, 2026, 41(12): 4052-4065. Zheng Changming, Shao Gao, Xie Miao, Zhong Yan, Gong Zheng. Resonance-Suppressed Predictive Torque Control of Permanent Magnet Synchronous Motor System with an LC Filter. Transactions of China Electrotechnical Society, 2026, 41(12): 4052-4065.