一种三电平无刷直流电机模型预测电流控制方法与流程

1.本发明涉及一种三电平无刷直流电机模型预测电流控制方法，属于电机驱动及控制领域。


背景技术：

2.直流电机因为其响应速度快、起动转矩大等优点得到了广泛的应用。然而，传统的直流电机为产生额定负载下恒定转矩的性能，需要碳刷和整流子来维持电枢磁场和转子磁场的恒90度。而碳刷及整流子在电机转动时会产生火花和碳粉，这不仅会造成组件损坏，而且使电机的应用场合受到限制。因此一种无需碳刷和整流子的无刷直流电机(brushless direct current motor,bldc)以其运行噪声小、无换向火花、使用寿命长、运行速度高等优点在新能源汽车、航空航天等领域得到了广泛的关注和应用。
3.传统的bldc控制方法主要有方波控制、正弦波控制和矢量控制(vector control,vc)。方波控制通过霍尔传感器或者无传感器控制算法，根据转子位置在360度电气周期内每60度电角度进行一次换向，能够获得接近于方波的相电流波形，具有算法简单、硬件成本低的优点，也因此存在转矩波动大、效率低的缺点，通常应用于对电机性能要求不高的场合；而正弦波控制输出的是三相正弦波电压，相应的电流也是正弦波电流，不存在方波控制中的换向的概念，因此能够获得更小的转矩波动和更低的电流谐波含量，但是对于控制器的性能有了更高的要求且存在电机效率不能发挥到最大值的缺陷；而vc可以使电机定子磁场与转子磁场时刻保持在90度，实现一定电流下的最大转矩输出，因此，具有转矩波动小、效率高、噪声小、动态响应快的优点，但是其算法复杂，对硬件要求较高，而且对电机参数依赖性大。


技术实现要素：

4.技术问题：针对上述现有技术，提出一种三电平无刷直流电机模型预测电流控制方法，能够通过较为简单的控制算法进一步的减小转矩脉动、提高系统的动态响应，而且能够获得较好的参数鲁棒性，同时兼顾了三电平逆变器的中点电位平衡。
5.技术方案：一种三电平无刷直流电机模型预测电流控制方法，包括如下步骤：
6.步骤1、根据转速环pi控制器得到q轴电流的参考值i
qref
；
7.将给定转速和编码器采集的电机实际转速nr之间的偏差量输入转速pi控制器，得到q轴电流的参考值i
qref
并给定d轴电流参考
8.步骤2、获取dq轴的k时刻定子电流分量id(k)和iq(k)；
9.根据编码器中得到的无刷直流电机的电角度θ计算电角速度ωe，从而获取k时刻的三相反电动势e
x
(k)(x＝a,b,c)，同时通过传感器得到k时刻的三相定子电流i
x
(k)，两者经过clark变换后得到k时刻定子电流和反电动势的αβ分量i
α
(k)、i
β
(k)和e
α
(k)、e
β
(k)，再经过park变换得到dq坐标下的k时刻的定子电流id(k)、iq(k)和反电动势ed(k)、eq(k)；然后，利用一阶欧拉方程将dq坐标下的电流微分方程离散化处理获取k 1时刻定子电流的预
测值id(k 1)和iq(k 1)；
10.步骤3、获取k时刻dq轴的反电动势ed(k)和eq(k)；
11.根据不同转子位置处的反电动势表计算不同转子位置处的三相反电动势；然后，通过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park变换计算ed(k)和eq(k)；
12.步骤4、计算k 1时刻定子电流的预测值id(k 1)和iq(k 1)；
13.步骤5、通过价值函数的滚动优化来获取满足最小化价值函数输出的基本电压矢量；
14.步骤6、通过中点电位的平衡控制算法来获取有益于中点电位平衡的最优逆变器开关状态。
15.进一步的，所述步骤1中q轴电流的参考值i
qref
具体获得方法如下：
16.将参考转速与编码器所测得的实际转速nr之间的差值en输入转速pi控制器，根据公式(1)获得所述的q轴电流的参考值i
qref
；
[0017][0018]
其中，k
p
和ki分别为转速pi控制器的比例增益和积分增益，s为复变量。
[0019]
进一步的，所述步骤2dq轴的k时刻定子电流分量id(k)和iq(k)具体获取方法如下：从编码器中获取无刷直流电机的电角度θ并通过公式(2)计算电角速度ωe；然后获取无刷直流电机k时刻的三相定子电流i
x
(k)(x＝a,b,c)，经公式(3)所示的clark变换后获取k时刻定子电流在αβ轴的分量i
α
(k)和i
β
(k)，再经公式(4)的park变换后得到dq轴的k时刻定子电流分量id(k)和iq(k)；
[0020][0021][0022][0023]
进一步的，所述步骤3k时刻dq轴的反电动势ed(k)和eq(k)具体获取方法如下：所述k时刻dq轴的反电动势ed(k)和eq(k)的获取方法为：首先根据表1计算不同转子位置处的三相反电动势；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)所示的park变换计算ed(k)和eq(k)；
[0024]
表1不同转子位置处的反电动势
[0025]
转子位置eaebec0～π/3m*ω
e-m*ωem*ωe*(-θ/(π/6) 1)π/3～2π/3m*ωem*ωe*((θ-π/3)/(π/6)-1)-m*ωe2π/3～πm*ωe*((2π/3-θ)/(π/6) 1)m*ω
e-m*ωeπ～4π/3-m*ωem*ωem*ωe*((θ-π)/(π/6)-1)4π/3～5π/3-m*ωem*ωe*((4π/3-θ)/(π/6) 1)m*ωe5π/3～2πm*ωe*((θ-5π/3)/(π/6)-1)-m*ωem*ωe[0026][0027][0028]
其中，m＝2pψf，p表示极对数，ψf表示永磁体磁链。
[0029]
进一步的，所述步骤4中k 1时刻定子电流的预测值id(k 1)和iq(k 1)计算方法具体如下：
[0030]
所述的k 1时刻定子电流的预测值id(k 1)和iq(k 1)的计算方法为：
[0031]
根据公式(7)所示的一阶欧拉方程将公式(9)所示的电流微分方程离散化处理后，可得公式(10)所示的k 1时刻定子电流的预测方程；
[0032][0033][0034][0035][0036]
其中，y(k 1)和y(k)表示k 1时刻和k时刻的状态；u
dc
表示逆变器直流侧母线电压；s
x
(i)表示逆变器的开关状态(i＝1,2,
…
,27；s
x
(i)＝-1,0,1；x＝a,b,c)；u
α
(k)和u
β
(k)表示αβ轴的定子电压分量；ud(k)和ud(k)表示dq轴的定子电压分量；ts表示采样时间；r表示定子电阻；ls表示定子电感。
[0037]
进一步的，所述步骤5通过价值函数的滚动优化来获取满足最小化价值函数输出的基本电压矢量的方法，具体如下：
[0038]
首先，令k时刻公式(1)的输出i
qref
＝i
qref
(k 1)，并定义然后，将iqref(k 1)、id(k 1)和iq(k 1)送入价值函数(11)中，计算不同i下的价值函数输出gi；再通过公式(12)获取最小化的价值函数输出g
min
；最后输出满足g
min
的基本电压矢量uopt
(u
opt
对应的开关状态为s
x
(min)，min＝1,2,
…
,27)；
[0039][0040]gmin
＝min{gi},i＝1,2,...,27
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)。
[0041]
进一步的，所述步骤6通过中点电位的平衡控制算法来获取有益于中点电位平衡的最优逆变器开关状态的方法，具体如下：
[0042]
首先根据步骤5中所获取的基本电压矢量u
opt
，判断是否为小矢量，如果不是小矢量则不进行中点电位的平衡控制，直接输出u
opt
所对应的开关状态驱动逆变器；如果是小矢量，则通过电压传感器获取当前中点电位u0的状态，并根据公式(13)计算中点电流i
np
，如果i
np
》0同时u0》0则选择负小矢量作为控制输出，如果i
np
《0同时u0《0则选择正小矢量作为控制输出，其他情况则不需要调控中点电位；
[0043][0044]
有益效果：本发明基于二极管中点钳位式(neutral-point-clamped,npc)三电平逆变器无刷直流电动机，通过对下一时刻电流状态的预测，构建了以定子电流为控制变量的价值函数，进而获得了最优的电流控制矢量，因此，能够有效地提高bldc的动稳态性能，同时，通过正负冗余小矢量对中点电位作用效果相反的特性，兼顾了中点电位的平衡。
附图说明
[0045]
图1为本发明提供的一种三电平无刷直流电机模型预测电流控制原理图；
[0046]
图2为本发明提供的一种三电平无刷直流电机模型预测电流控制流程图；
[0047]
图3为三电平无刷直流电机模型预测电流控制的稳态仿真图；
[0048]
图4为三电平无刷直流电机模型预测电流控制的动态仿真图，图4(a)为突变转速条件下的动态性能仿真，图4(b)为突变负载条件下的动态性能仿真；
[0049]
图5为三电平无刷直流电机模型预测电流控制的中点电位平衡仿真图。
具体实施方式
[0050]
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
[0051]
一种三电平无刷直流电机模型预测电流控制的方法原理图如图1所示，包括转速环pi控制器模块1、最小化价值函数模块2、中点电位平衡模块3、npc三电平逆变器模块4、无刷直流电机模块5、编码器模块6、坐标变换模块7和电流预测模块8；npc三电平逆变器模块4直接与无刷直流电动机模块5连接，控制电机转动，编码器模块6采集无刷直流电动机模块5的运行信息将数据传输给转速环pi控制器模块1、坐标变换模块7、电流预测模块8；所述坐标变换模块7接受编码器传输过来的数据，同时还采集无刷直流电动机模块5定子信息，处理后将数据传输给电流预测模块8，所述电流预测模块8对输送过来的信息处理后传输给最小化价值函数模块2，所述最小化价值函数模块2同时还接受转速环pi控制器模块1发送过来的信息，最小化价值函数模块2对数据处理后传输给中点电位平衡模块3；中点电位平衡模块3直接处理后的数据发送给npc三电平逆变器模块4。
[0052]
如图2所示，本方法包括如下步骤：
[0053]
步骤1：根据转速环pi控制器得到q轴电流的参考值i
qref
：
[0054]
将参考转速与编码器所测得的实际转速nr之间的差值en输入转速pi控制器，根据公式(1)获得所述的q轴电流的参考值i
qref
；
[0055][0056]
其中，k
p
和ki分别为转速pi控制器的比例增益和积分增益，s为复变量；
[0057]
同时并给定d轴电流参考
[0058]
步骤2：从编码器中获取无刷直流电机的电角度θ并通过公式(2)计算电角速度ωe；然后获取无刷直流电机k时刻的三相定子电流i
x
(k)(x＝a,b,c)，经公式(3)所示的clark变换后获取k时刻定子电流在αβ轴的分量i
α
(k)和i
β
(k)，再经公式(4)的park变换后得到dq轴的k时刻定子电流分量id(k)和iq(k)；
[0059][0060][0061][0062]
步骤3：k时刻dq轴的反电动势ed(k)和eq(k)的获取方法：
[0063]
首先根据表1计算不同转子位置处的三相反电动势；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)所示的park变换计算ed(k)和eq(k)。
[0064]
表1不同转子位置处的反电动势
[0065]
转子位置eaebec0～π/3m*ω
e-m*ωem*ωe*(-θ/(π/6) 1)π/3～2π/3m*ωem*ωe*((θ-π/3)/(π/6)-1)-m*ωe2π/3～πm*ωe*((2π/3-θ)/(π/6) 1)m*ω
e-m*ωeπ～4π/3-m*ωem*ωem*ωe*((θ-π)/(π/6)-1)4π/3～5π/3-m*ωem*ωe*((4π/3-θ)/(π/6) 1)m*ωe5π/3～2πm*ωe*((θ-5π/3)/(π/6)-1)-m*ωem*ωe[0066][0067][0068]
其中，m＝2pψf，p表示极对数，ψf表示永磁体磁链。
[0069]
步骤4：k 1时刻定子电流的预测值id(k 1)和iq(k 1)的计算方法：
[0070]
根据公式(7)所示的一阶欧拉方程将公式(9)所示的电流微分方程离散化处理后，可得公式(10)所示的k 1时刻定子电流的预测方程。
[0071][0072][0073][0074][0075]
其中，y(k 1)和y(k)表示k 1时刻和k时刻的状态；u
dc
表示逆变器直流侧母线电压；s
x
(i)表示逆变器的开关状态(i＝1,2,
…
,27；s
x
(i)＝-1,0,1；x＝a,b,c)；u
α
(k)和u
β
(k)表示αβ轴的定子电压分量；ud(k)和ud(k)表示dq轴的定子电压分量；ts表示采样时间；r表示定子电阻；ls表示定子电感。
[0076]
步骤5：通过价值函数的滚动优化来获取满足最小化价值函数输出的基本电压矢量：
[0077]
首先，令k时刻公式(1)的输出i
qref
＝i
qref
(k 1)，并定义然后，将i
qref
(k 1)、id(k 1)和iq(k 1)送入价值函数(11)中，计算不同i下的价值函数输出gi；再通过公式(12)获取最小化的价值函数输出g
min
；最后输出满足g
min
的基本电压矢量u
opt
(u
opt
对应的开关状态为s
x
(min)，min＝1,2,
…
,27)。
[0078][0079]gmin
＝min{gi},i＝1,2,...,27
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0080]
步骤6：通过中点电位的平衡控制算法来获取有益于中点电位平衡的最优逆变器开关状态：
[0081]
首先根据步骤5所获取的基本电压矢量u
opt
，判断是否为小矢量，如果不是小矢量则不进行中点电位的平衡控制，直接输出u
opt
所对应的开关状态驱动逆变器；如果是小矢量，则通过电压传感器获取当前中点电位u0的状态，并根据公式(13)计算中点电流i
np
，如果i
np
》0同时u0》0则选择负小矢量作为控制输出，如果i
np
《0同时u0《0则选择正小矢量作为控制输出，其他情况则不需要调控中点电位。
[0082]
[0083]
本发明方法首先获取k时刻的定子三相电流i
x
(k)和三相反电动势e
x
(k)(x＝a,b,c)，转子电角度θ，转子电角速度ωe以及给定转速和永磁体磁链ψf；然后通过pi控制器获得k 1时刻q轴电流的参考值i
qref
(k 1)，并给定再通过电流预测模块计算k 1时刻的dq轴电流预测值iq(k 1)和id(k 1)；然后通过价值函数的滚动优化选出使价值函数gi最小的基本电压矢量；最后通过中点电位平衡控制模块输出最优的逆变器开关状态。
[0084]
三电平无刷直流电机模型预测电流控制稳态性能仿真结果如图3所示，可以看出基于预测电流控制的无刷直流电机能够获得正弦度较高的相电流和较为平稳的电磁转矩。图4为动态性能的仿真结果，可以看出模型预测电流控制算法下的无刷直流电机具有快速的动态响应。图5为中点电位平衡的仿真图，从图5中可以看出对中点电位的抑制效果显著。
[0085]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。