作为电动汽车的核心部件之一,变换器的控制性能直接影响到电动汽车电机的驱动效率。模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)相较于传统用于电机驱动的两电平变换器具有高度模块化,输出电压谐波小,波形质量高,开关损耗低等诸多优势。尤其是集成电池模块的模块化多电平变换器拓扑结构在保有经典模块化多电平变换器优势的基础上,将电动汽车中的电机驱动电路,充电电路以及电池管理(BMS)电路三大电力电子电路集成一体,三者的空间复用,很大程度上提高了控制利用率,并降低了重量,因此,受到广泛关注和研究。模块化多电平变换器是通过使用开关模式实现操作的,是以on/off方式进行控制的,具有电流跟踪、环流控制和子模块均衡等多个控制目标,同时模块化多电平变换器开关器件采用金属氧化物半导体场效应管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET),开关频率一般在几十到上百kHz,要求控制算法具有很高的实时性。本文主要针对模块化多电平变换器以及其衍生拓扑–集成电池模块的模块化多电平变换器,研究有限集预测控制器(Finite Control Set-model Predictive Control,FCS-MPC)的设计及其现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)的硬件加速实现。有限集预测控制将功率变换器看作是一种不连续的非线性执行机构。通过在线选择控制动作的所有可能状态,在离散时间预测模型中寻找使得目标函数最小化的控制量。通过选取合适的目标函数,允许控制具有更大的灵活性,也实现了多个控制目标同时优化的目的,且无需调制。同时,FPGA具有可编程特性和并行计算结构,可以对有限集预测控制算法进行加速,以满足模块化多电平变换器实时性要求。本文的具体工作包含以下三个方面:1.针对经典模块化多电平变换器的三相电流跟踪、环流抑制的控制目标,研究多步有限集预测控制器设计。首先推导了系统离散预测模型,然后设计了上、下两层控制器。为了提高上层有限集预测控制算法计算速度,降低计算量,提出精简寻优方法,在第一步预测中考虑最优和次最优控制量,而在下一预测时域内,只考虑前一时域中得到的最优和次最优控制量以及左右侧组合形式。同时通过下层电压排序算法,转变控制量,由变换器三相开关器件的开关状态为处于“投入”状态的子模块数量,减少了控制变量数量,并实现子模块电容电压的均衡。最后完成了模块化多电平变换器控制系统仿真实验,验证了控制算法的有效性。2.针对电池集成的模块化多电平变换器的三相电流跟踪和电池电量均衡控制目标,研究有限集模型预测控制器设计。首先推导了系统离散预测模型,然后设计了上、中、下三层控制器,用以实现电机驱动和电池电量均衡控制目标。电池电量均衡部分分为桥臂电池单元电量均衡,同相上、下桥臂电池电量均衡以及三相间电池电量均衡。控制策略上层为环流控制器,为电池电量主动均衡控制算法,由多个比例控制器组成,是通过利用同相上、下桥臂电池电量均衡以及三相电池电量均衡分别与环流的第一谐波分量以及直流分量的关系来设计的。中层为有限集预测控制,通过对于相电流的跟踪,实现电机驱动,同时,通过对于上层环流控制器提供的参考电压的跟踪,实现环流控制器的均衡控制目标。下层为电量排序算法,是一种电池电量的被动均衡控制算法,用以实现桥臂电池单元电量均衡。最后完成了电池集成的模块化多电平变换器控制系统仿真实验,验证了控制算法的有效性。3.为了提高模块化多电平变换器有限集预测控制器的实时性,研究了模块化多电平变换器预测控制器的FPGA硬件加速实现。首先对比两种FPGA实现方案,然后针对两种硬件实现方案进行软件设计,其中包括浮点C代码的设计和验证,定点C代码的设计和验证,以及算法的板级验证,之后针对两种实现方案的资源消耗和运算时间以及设计复杂上进行对比,全硬件方案的硬件资源消耗高于异构架构方案,算法的运算时间略短于异构方案的运算时间,但是在设计开发的复杂度上来说,全硬件方案要远远比异构方案更加复杂,因此本文最后选择异构方案进行代码加速,经过优化之后的代码运算速度提升大概13.4倍。然后搭建控制器实时实验平台,该平台由MicroAutoBox、ZYNQ开发板、PC机三个主要部分组成。为了解决实时实验中MicroAutoBox被控对象和FPGA控制器两者之间的高速数据传输需求,设计以太网用户数据报协议(User Datagram Protocol,UDP)高速数据通信,并进行数据传输准确性和实时性验证,通过对7组不同的数据进行收发实验,验证了以太网UDP通信的收发准确性,并且进行传输速度测试,经测速单次传输速率为12.25Mbps。最后,进行硬件在环实验,实验结果验证了算法的实时性和有效性。