NPC三电平逆变器供电的BLDC模型预测转矩控制方法技术

本发明专利技术提出的一种NPC三电平逆变器供电的BLDC模型预测转矩控制方法，首先通过电流传感器获取k时刻三相定子电流；然后，通过编码器获取k时刻的转子位置角，并计算不同转子位置处的三相反电动势；再获取k+1时刻的dq轴电流预测值，并计算k+1时刻dq轴的转矩和磁链预测值；然后，计算输出最小的NPC三电平逆变器的基本电压矢量；最后，通过中点电位平衡控制算法，选出更有利于中点电位平衡的基本电压矢量作为最优输出，并将最优输出转化为NPC三电平逆变器的开关信号来驱动逆变器。本发明专利技术将模型预测转矩控制方法应用于BLDC的控制技术中，能够有效提升BLDC的动稳态性能，实现对转矩进行直接控制能够获得脉动更小的转矩输出，同时本发明专利技术也兼顾了中点电位的平衡控制。也兼顾了中点电位的平衡控制。也兼顾了中点电位的平衡控制。

【技术实现步骤摘要】
NPC三电平逆变器供电的BLDC模型预测转矩控制方法


[0001]本专利技术属于电机驱动及控制领域，具体涉及一种NPC三电平逆变器供电的BLDC模型预测转矩控制方法。

技术介绍

[0002]无刷直流电机(Brushless direct current motor,BLDC)是一种由电动机主体和驱动器组成的机电一体化产品，具有响应迅速、启动转矩大、效率高、无换向火花等优点，广泛应用于电动汽车、工业工控、航空航天等领域。传统的BLDC的控制策略主要包括方波控制、正弦波控制和矢量控制(Vector control,VC)。方波控制的算法简单、硬件成本低，但是转矩波动大、效率低下；正弦波控制的转矩波动和电流谐波较低，但是不能将电机的效率发挥到最大；而VC虽然具有转矩波动小、效率高的优点，但是算法复杂、对电机参数的依赖性大。因此，为进一步提高BLDC控制系统的性能，一种模型预测控制(Model predictive control,MPC)受到了研究者们的广泛关注。
[0003]MPC在电机控制领域主要分为模型预测电流控制(Model predictive current control,MPCC)和模型预测转矩控制(Model predictive torque control,MPTC)，MPCC的价值函数以电流作为直接的被控对象，具有算法简单、对电流的控制效果好的优点，但是依然存在较大的转矩脉动。MPTC通过实时求解包含转矩和磁链的价值函数，并结合在线寻优的控制思想来获取最优的转矩和磁链控制矢量，因此，能够有效提高系统的动态响应并减小转矩脉动。然而，目前MPTC主要应用于永磁同步电机、异步电机等交流电机中，如何将MPTC应用到BLDC中来获取更好的控制性能值得深入研究。

技术实现思路

[0004]技术问题：针对上述技术背景，提出一种NPC三电平逆变器供电的BLDC模型预测转矩控制方法，首先通过电流传感器获取k时刻三相定子电流；然后，通过编码器获取k时刻的转子位置角，并计算不同转子位置处的三相反电动势；再获取k+1时刻的dq轴电流预测值，并计算k+1时刻dq轴的转矩和磁链预测值；然后，计算输出最小的NPC三电平逆变器的基本电压矢量；最后，通过中点电位平衡控制算法，选出更有利于中点电位平衡的基本电压矢量作为最优输出，并将最优输出转化为NPC三电平逆变器的开关信号来驱动逆变器。能够通过MPTC算法来进一步的减小BLDC的转矩脉动并提高系统的动态响应性能，同时兼顾了NPC三电平逆变器的中点电位平衡。本专利技术将模型预测转矩控制方法应用于BLDC的控制技术中，能够有效提升BLDC的动稳态性能，实现对转矩进行直接控制能够获得脉动更小的转矩输出，同时本专利技术也兼顾了中点电位的平衡控制。
[0005]技术方案：NPC三电平逆变器供电的BLDC模型预测转矩控制方法，包括如下步骤：
[0006]步骤一、根据转速环PI控制器得到电磁转矩的参考值T
eref
；
[0007]步骤二、从编码器中获取BLDC的电角度θ以及电角速度ω
e
，再通过电流传感器测量k时刻的三相定子电流i
x
(k)并计算不同转子位置的三相反电动势e
x
(k)(x＝a,b,c)，再经
过Clark
‑
Park变换得到k时刻定子电流的dq轴分量i
d
(k)、i
q
(k)和反电动势的dq轴分量e
d
(k)、e
q
(k)；
[0008]步骤三、将编码器测得的电角度θ和电角速度ω
e
根据不同转子位置处的反电动势的表对应出三相反电动势e
x
(k)(x＝a,b,c)，计算后得到k时刻dq轴的反电动势e
d
(k)和e
q
(k)；
[0009]步骤四、获取k+1时刻电磁转矩和定子磁链预测值；
[0010]步骤五、获取最小化价值函数过程来输出使价值函数最小的基本电压矢量；
[0011]步骤六、获取结合中点电位的平衡控制算法来获取逆变器的最优开关状态。
[0012]进一步的，所述步骤一的具体流程如下：
[0013]将参考转速N
rref
与编码器所测得的实际转速N
r
之间的差值e
n
输入转速PI控制器，根据公式(1)获得所述的电磁转矩参考值T
eref
；
[0014][0015]其中，k
p
和k
i
分别为转速PI控制器的比例增益和积分增益，s为复变量。
[0016]进一步的，所述步骤二的具体流程如下：
[0017]从编码器中获取BLDC的电角度θ并通过公式(2)所示的微分方程计算电角速度ω
e
；然后通过电流传感器测量k时刻BLDC的三相定子电流i
x
(k)(x＝a,b,c)，再经公式(3)所示的Clark变换获取k时刻αβ轴的定子电流分量i
α
(k)和i
β
(k)，并经公式(4)的Park变换后得到k时刻dq轴的定子电流分量i
d
(k)和i
q
(k)；
[0018][0019][0020][0021]进一步的，所述步骤三中获取k时刻dq轴的反电动势e
d
(k)和e
q
(k)的获取方法，具体如下：
[0022]所述k时刻dq坐标下的反电动势e
d
(k)和e
q
(k)的获取方法为：首先由编码器测得的电角度θ和电角速度ω
e
结合表1计算不同转子位置处的三相反电动势e
x
(k)(x＝a,b,c)；然后，通过公式(5)的Clark变换获取k时刻αβ轴的反电势e
α
(k)和e
β
(k)；最后，通过公式(6)的Park变换获取k时刻dq坐标下的反电动势e
d
(k)和e
q
(k)；
[0023]表1不同转子位置处的反电动势
[0024]转子位置e
a
e
b
e
c
0～π/3m*ω
e
‑
m*ω
e
m*ω
e
*(
‑
θ/(π/6)+1)π/3～2π/3m*ω
e
m*ω
e
*((θ
‑
π/3)/(π/6)
‑
1)
‑
m*ω
e
2π/3～πm*ω
e
*((2π/3
‑
θ)/(π/6)+1)m*ω
e
‑
m*ω
e
π～4π/3
‑
m*ω
e
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.NPC三电平逆变器供电的BLDC模型预测转矩控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、根据转速环PI控制器得到电磁转矩的参考值T
eref
；步骤二、从编码器中获取BLDC的电角度θ以及电角速度ω
e
，再通过电流传感器测量k时刻的三相定子电流i
x
(k)并计算不同转子位置的三相反电动势e
x
(k)(x＝a,b,c)，再经过Clark
‑
Park变换得到k时刻定子电流的dq轴分量i
d
(k)、i
q
(k)和反电动势的dq轴分量e
d
(k)、e
q
(k)；步骤三、将编码器测得的电角度θ和电角速度ω
e
根据不同转子位置处的反电动势的表对应出三相反电动势e
x
(k)(x＝a,b,c)，计算后得到k时刻dq轴的反电动势e
d
(k)和e
q
(k)；步骤四、获取k+1时刻电磁转矩和定子磁链预测值；步骤五、获取最小化价值函数过程来输出使价值函数最小的基本电压矢量；步骤六、获取结合中点电位的平衡控制算法来获取逆变器的最优开关状态。2.根据权利要求1所述的NPC三电平逆变器供电的BLDC模型预测转矩控制方法，其特征在于：所述步骤一的具体流程如下：将参考转速N
rref
与编码器所测得的实际转速N
r
之间的差值e
n
输入转速PI控制器，根据公式(1)获得所述的电磁转矩参考值T
eref
；其中，k
p
和k
i
分别为转速PI控制器的比例增益和积分增益，s为复变量。3.根据权利要求1所述的NPC三电平逆变器供电的BLDC模型预测转矩控制方法，其特征在于：所述步骤二的具体流程如下：从编码器中获取BLDC的电角度θ并通过公式(2)所示的微分方程计算电角速度ω
e
；然后通过电流传感器测量k时刻BLDC的三相定子电流i
x
(k)(x＝a,b,c)，再经公式(3)所示的Clark变换获取k时刻αβ轴的定子电流分量i
α
(k)和i
β
(k)，并经公式(4)的Park变换后得到k时刻dq轴的定子电流分量i
d
(k)和i
q
(k)；(k)；(k)；4.根据权利要求1所述的NPC三电平逆变器供电的BLDC模型预测转矩控制方法，其特征在于：所述步骤三中获取k时刻dq轴的反电动势e
d
(k)和e
q
(k)的获取方法，具体如下：所述k时刻dq坐标下的反电动势e
d
(k)和e
q
(k)的获取方法为：首先由编码器测得的电角度θ和电角速度ω
e
结合表1计算不同转子位置处的三相反电动势e
x
(k)(x＝a,b,c)；然后，通过公式(5)的Clark变换获取k时刻αβ轴的反电势e
α
(k)和e
β
(k)；最后，通过公式(6)的Park变换获取k时刻dq坐标下的反电动势e
d
(k)和e
q
(k)；表1 不同转子位置处的反电动势
转子位置e
a
e
b
e
c
0～π/3m*ω
e
‑
m*ω
e
m*ω
e
*(
‑
θ/(π/6)+1)π/3～2π/3m*ω
e
m*ω
e
*((θ
‑
π/3)/(π/6)
‑
1)
‑
m*ω
e
2π/3～πm*ω
e
*((2π/3
‑
θ)/(π/6)+1)m*ω
e
‑
m*ω
e
π～4π/3
‑
m*ω
e
m*ω
e
m*ω
e
*((θ
‑
π)/(π/6)
‑
1)4π/3～5π/3
‑
m*ω
e
m*ω
e

【专利技术属性】
技术研发人员：方志平，朱新宇，
申请(专利权)人：南通长江电器实业有限公司，
类型：发明
国别省市：