CN112003506A - 一种无刷直流电机无位置传感器模型预测控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无刷直流电机无位置传感器模型预测控制系统及控制方法，涉及电机控制领域。本发明为了解决现有无刷直流电机运行过程的位置检测和转矩脉动过大的问题。本发明包括如下步骤：采集母线电压、相电流和无刷直流电机的反电动势，根据反电动势获得转子位置，不需要额外的位置传感器；根据给定转速和反馈转速生成电流控制信号；根据采样模块采集的信号选择对应的预测控制模型，输出占空比可调的PWM信号控制功率变换器。根据电机所处的换相位置输出合适的控制信号，减小电机电流波动，从而降低无刷直流电机转矩脉动。

Description

一种无刷直流电机无位置传感器模型预测控制系统及控制 方法

技术领域

本发明涉及电机控制领域，特别是涉及一种无刷直流电机无位置传感器模型预测控制系统及控制方法。

背景技术

近年来，无刷直流电机凭借着其运行可靠、调速范围广等优点，迅速得到了广泛的关注。但由于位置传感器的存在和转矩脉动问题，限制了在高精度场合中的应用。无刷直流电机的运行和控制需要实时准确的转子位置信息，通常是由位置传感器给出，位置传感器的存在，必然会存在引出线增多、电机体积增大和成本提高等问题。同时由于无刷直流电机自身机械结构和存在的电子换相问题，使得电机在转动过程中出现转矩脉动现象，其中由自身机械结构产生的谐波转矩脉动与齿槽转矩脉动很小，而由电子换相引起的换相转矩脉动较大，这是在电机换相过程中，存在开通相电流增大过程和关断相电流同步减小过程，当两相电流变化不一致时，会引起非换相相电流波动，从而造成无刷直流电机换相转矩脉动。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种无刷直流电机无位置传感器模型预测控制系统及控制方法，根据电机绕组反电动势获得转子位置，不需要额外的位置传感器；根据电机所处的换相区间或非换相区间输出合适的控制信号，以减小电机电流波动，从而降低无刷直流电机转矩脉动。

本发明一方面提供了一种无刷直流电机无位置传感器模型预测控制系统，包括：

采样模块，用以采集母线电压、相电流和无刷直流电机的反电动势，根据所述反电动势获得转子位置，不需要额外的位置传感器；

PI控制器，用以根据给定转速和反馈转速生成控制电流；

模型预测控制器，用以根据采样模块采集的信号选择对应的电流预测模型，输出占空比可调的PWM信号控制功率变换器。

所述模型预测控制器包括：

电流信号选择模块，用以根据转子位置和采集的电流信号选择换相区电流预测模型或非换相区电流预测模型；

换相区电流预测模块，当选择换相区电流预测模型时，利用换相区电流预测模型和实际电流值生成代价函数；

非换相区电流预测模块，当选择非换相区电流预测模型时，利用非换相区电流预测模型和实际电流值生成代价函数；

代价函数模块，根据使代价函数最小最优的原则生成占空比。

本发明另一方面提供了一种无刷直流电机无位置传感器模型预测控制方法，包括如下步骤：

采集母线电压、相电流和无刷直流电机的反电动势，根据所述反电动势获得转子位置；

根据给定转速和反馈转速生成控制电流；

根据采样模块采集的信号选择对应的电流预测模型，输出占空比可调的PWM信号控制功率变换器。

所述用以根据采样模块采集的信号选择对应的电流预测模型，输出占空比可调的PWM信号控制功率变换器的具体包括如下步骤：

根据转子位置和采集的电流信号选择换相区电流预测模型或非换相区电流预测模型；

当选择非换相区电流预测模型时，利用非换相区电流预测模型和实际电流值生成代价函数，根据使代价函数最小最优的原则生成占空比；

当选择换相区电流预测模型时，利用换相区电流预测模型和实际电流值生成代价函数，根据使代价函数最小最优的原则生成占空比；

所述非换相区电流模型为：

其中，i_n(k+1)为非换相时期k+1时刻的电流预测值，n＝a，b，c，t为电流环的控制周期，P_t＝e^-(r/L)t是常数，E(k)＝K_ew(k)，E(k)为反电动势幅值，K_e为反电动势常数，w(k)为转子机械角速度。

非换相时期的代价函数为：

所述换相区电流模型为：

其中，i_m(k+1)为换相时期k+1时刻m相电流预测值，m＝a，b，c，t为电流环的控制周期，

是常数，E(k)为反电动势幅值，且E(k)＝K_ew(k)，K_e为反电动势常数，w(k)为转子机械角速度。

换相时期的代价函数为：

选择换相区电流预测模型或非换相区电流预测模型的方法包括：

根据反电动势计算的转子位置判断开通相、关断相和持续导通相；

根据反电动势过零点由非换相区电流预测模型切换至换相区电流预测模型；

将关断相电流下降为零的时刻作为换相区电流预测模型切换至非换相区电流预测模型的时刻。

与现有技术相比，本申请技术方案具有如下优点：

1、本申请的在特殊场合应用的无刷直流电机控制系统控将转速环与电流环相结合，所述电流环采用模型预测控制器，通过反电动势获取电机转子位置并对控制电流进行选择，再根据分析的电流模型所建立的电流预测函数，对相电流进行预测，运用代价函数对目标系统不断优化，最后将代价函数转化为控制开通相与关断相的占空比给定，从而对功率开关进行控制；

2、本申请的电流环模型预测控制器可以根据电机是否处于换相状态来切换换相区电流预测模型和非换相区电流预测模型，并选择合适的预测模型进行输出，从而避免提前换相或延迟换相影响系统的运行状态，所述模型预测控制器解决了相电流提前导通或关断的问题，从而抑制了传统控制策略中由于换相所导致的转矩脉动问题，即电流换相所引起的转矩失控和运行过程中的抖动问题，增强了系统的稳定性和鲁棒性，并且减小了无刷直流电机转矩脉动大、控制器与电机之间的连线多的弊端；

3、本申请加入了识别非换相期间与换相期间的方法和切换算法，通过反电动势获取电机转子位置并通过转子位置与关断相电流的大小来判断电机控制系统处于非换相期间或换相期间，然后根据模型预测控制器进行控制，使其转速和转矩脉动得到了良好的改善，且不需要额外的位置传感器。

附图说明

图1本发明具体实施例的主电路拓扑图；

图2本发明具体实施例的重构中性点拓扑图；

图3本发明具体实施例的相电流与反电动势波形图；

图4本发明具体实施例的的总体控制结构图；

图5本发明具体实施例的模型预测控制系统原理框图；

图6本发明具体实施例的模型预测控制器原理框图；

图7本发明具体实施例的非换相区电流预测模型代价函数图；

图8本发明具体实施例的换相区电流预测模型代价函数图；

图9本发明具体实施例的实际换相过程关断相反电动势压降图；

图10本发明具体实施例的换相过程中考虑关断相反电动势压降代价函数图；

图11本发明具体实施例的无刷直流电机电流环模型预测控制系统流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图4和图5所示，本发明一个实施例的一种无刷直流电机无位置传感器模型预测控制系统，包括：

整流器和逆变器，将交流电源经单相不控整流电路整流，再经过由IGBT与二极管反向并联组成的三相全桥逆变装置将整流后的直流电逆变为供BLDCM使用的交流电；

采样模块，用以采集母线电压、相电流和无刷直流电机的反电动势，根据所述反电动势获得转子位置，所述采样模块包括母线电压采样电路、相电流采样电路和反电动采样电路；

PI控制器，用以根据给定转速和反馈转速生成控制电流；

模型预测控制器，用以根据采样模块采集的信号选择对应的电流预测模型，输出占空比可调的PWM信号控制功率变换器；

本实施例中的PI控制器和模型预测控制器通过加载在DSP芯片中的程序实现，DSP芯片采用TMS320F28335,其在本实施例中实现的功能包括电压、电流、反电动势采集，对转速环进行PI控制、对电流环进行模型预测控制和输出PWM至功率驱动单元。

本实施例的主电路拓扑如图1所示，U_S是无刷直流电机运行的母线电压；VT₁-VT₆为组成三相全桥逆变电路的6个IGBT,其中，VT₁、VT₃、VT₅分别为A、B、C相的上桥臂，VT₄、VT₆、VT₂分别对应A、B、C相的下桥臂；VD₁-VD₆为6个IGBT对应的续流二极管，以形成BLDCM的控制电路；三个L_M分别对应于BLDCM的三相定子绕组，并在该示意图中它们是星型连接的,e_a，e_b，e_c分别表示每相的反电动势。

如图6所示，本实施例所述的模型预测控制器包括：

电流信号选择模块，用以根据转子位置和采集的电流信号选择换相区电流预测模型或非换相区电流预测模型；

换相区电流预测模块，当选择换相区电流预测模型时，利用换相区电流预测模型和实际电流值生成代价函数；

非换相区电流预测模块，当选择非换相区电流预测模型时，利用非换相区电流预测模型和实际电流值生成代价函数；

代价函数模块，根据使代价函数最小最优的原则生成占空比。

本实施例的模型预测控制器解决了以下两个问题：一、如何识别换相期间或者非换相期间的信号；二、如何选择合适的控制信号输出，以减小电机电流波动，从而降低无刷直流电机转矩脉动，这是本发明需要解决的两个技术问题。本实施例所述的模型预测控制器作用在电流环，在单个模型区间内控制线性化较强、目标少，通过对相电流进行预测，对需要控制的相电流实现稳定控制。模型预测控制器根据转子位置对电流预测模型进行实时选择，并以电流的给定值与检测值的偏差作为代价函数，对目标系统不断优化，最后将得出的目标系统转化为控制开通相与关断相的占空比给定，从而对功率开关进行控制，有效的抑制了换相所导致的转矩脉动问题，使系统达到稳定运行状态。

本申请另一实施例提供了一种无刷直流电机无位置传感器模型预测控制方法，本实施例的控制方法采用转速电流双闭环控制策略，对转速环采用PI控制策略，对电流环采取模型预测控制策略且不需要额外的位置传感器，包括如下步骤：

S1、采集母线电压、相电流和无刷直流电机的反电动势，根据所述反电动势获得转子位置；

无刷直流电机的反电动势包含转子位置信息，在反电动势过零点之后的30度就是电机换相的时刻，由于三相星型连接的电机通常不引出中性点，故需要对中性点进行重构，无刷直流电机中性点重构如图2所示；

S2、根据给定转速和反馈转速生成控制电流；

如图5所示，PI控制器的转速给定为W_r，反馈转速W_f通过同一相反电动势连续两个过零点计算；将PI控制器的输出控制电流i_r作为模型预测控制器的给定；

S3、根据采样模块采集的信号选择对应的电流预测模型，输出到功率变换器的占空比，根据所述占空比生成PWM。

预测模型根据电机三相是否处于换相状态分为换相区电流预测模型i_m(k+1)和非换相区电流预测模型i_n(k+1)，系统根据BLDCM是否处于换相时期切换不同的电流预测模型，当处于换相时期时，模型预测控制器根据转子位置切换换相区电流预测模型i_m(k+1)；当处于非换相时期时，模型预测控制器切换非换相区电流预测模型i_n(k+1)，对下一时刻电流进行预测并通过代价函数不断优化，最终输出控制逆变器的PWM占空比D。

步骤S3具体包括如下步骤：

S31、根据转子位置和采集的电流信号选择换相区电流预测模型或非换相区电流预测模型，具体包括：

通过检测相反电动势的过零点检测电机转子位置，判断三相中哪一相是开通相，哪一相是关断相，哪一相是持续导通相并选择持续导通相进行电流采样，转子位置与通电相之间的关系如表1所示，转子位置与电流采样相选择如表2所示，反电动势过零点与相电流之间的关系如图3所示；采样电路采集三相电流i_a，i_b，i_c、母线电压U_s和每相的反电动势e_a，e_b，e_c供模型预测控制器使用。

表1转子位置与通电相之间的关系表：

表2转子位置与电流采样相关系表：

反电动势过零检测只能用于判断电机是否进行换相，而不能根据反电动势过零点判断电机是否换相完成，模型预测控制器只能根据反电动势过零点由非换相区电流预测模型切换至换相区电流预测模型，而不能由换相区电流预测模型切换至非换相区电流预测模型。但模型预测控制器可以使开通相与关断相的电流斜率一致，由图可得，可将关断相电流下降为零的时刻作为换相完成的时刻，故可将关断相电流下降为零的时刻当做换相区电流预测模型切换至非换相区电流预测模型的时刻。

S32、当选择非换相区电流预测模型时，利用非换相区电流预测模型和实际电流值生成非换相区代价函数，根据使代价函数最小最优的原则生成占空比；

例如，本实施例中当电机此刻无刷直流电机转子位置处于30°-90°区间，则A相上桥臂开关管开通、B相下桥臂开关管持续导通，C相关断不导通，则有i_c＝0，此刻需采集的电流为B相电流，则有：

式中：

x＝a、b、c；r是电机三相定子绕组相内阻，L_M是电机三相定子绕组相自感L减去绕组间互感M，e是相反电动势，D₀是输出至功率器件的调制占空比。

根据公式(1)解出B相电流满足：

式中：E与I_b分别是相反电动势与由采样所得的相电流值。

将式(2)离散化，得到在非换相阶段获得的控制相电流的预测目标函数为：

其中，t为电流环的控制周期，P_t＝e^-(r/L)t是常数，E(k)＝K_ew(k)，E(k)为反电动势幅值，K_e为反电动势常数，w(k)为转子机械角速度。

将连续导通的相电流作为控制目标，这时的电流值与参考值的符号方向不一致，建立代价函数得：

g＝|i′_b-i_b(k+1)|＝i′_b+i_b(k+1) (4)

根据式(3)可知，这时所根据电流预测模型得到的预测电流与调制的占空比成线性关系，因此式(4)可简化得：

如图7所示，此时的代价函数g是以占空比D_O为自变量的一次函数。由于占空比的取值范围为0<D<1,故存在3种可能的情况，即代价函数g(0)>0,g(1)>0、g(0)<0,g(1)<0、g(0)>0,g(1)<0；按照使代价函数最小最优的原则，当g(0)>0、g(1)>0，g位于D轴上方，与D轴没有交点，此时取三相调制占空比为1；当g(0)<0,g(1)<0，g位于D轴下方，与D轴没有交点，取三相调制占空比为0；当g(0)>0,g(1)<0时，此时，g与D轴存在交点，设交点为D′，则取三相调制占空比为D′。

此时，占空比D(k+1)可由式(5)得出：

S33、当选择换相区电流预测模型时，利用换相区电流模型与实际电流值生成换相区代价函数，根据使代价函数最小最优的原则生成占空比。

例如，本实施例中此刻电机转子位子处于90-150°，则电机此刻C相下桥臂开关管开通，A相上桥臂开关管持续导通，B相为关断相不导通，设D₁是开通相的调制占空比，D₂是关断相的调制占空比，则有i_b＝0，此刻需要采集的电流为A相电流，可得：

式中：

x＝a、b、c，r是电机三相定子绕组相内阻，L_M是电机三相定子绕组相自感L减去绕组间互感M，e是相反电动势，D₁、D₂分别是开通相与关断相的调制占空比。

根据公式(7)解出A相电流满足：

式中：E与I_o分别是相反电动势与由采样所得的相电流值。

将式(8)离散化，得到在换相时期的采样控制相电流的预测目标函数：

其中，t为电流环的控制周期为，

是常数，E(k)＝K_ew(k)，E(k)为反电动势幅值，K_e为反电动势常数，w(k)为转子机械角速度。

这时的电流值与参考值的符号方向一致，建立换相时刻的代价函数得：

g＝|i′_a-i_a(k+1)| (10)

结合式(9)可以看出，代价函数可以简化成以(D₁+D₂)为自变量的函数。

对代价函数进行线性简化，因此式(10)可得：

如图8所示，可以看出，此时代价函数g是以(D₁+D₂)为变量的一次函数，由于占空比的取值范围是0<D<1，故0<(D₁+D₂)<2,仍可分为3种情况:g(0)>0,g(2)>0、g(0)<0,g(2)<0、g(0)>0,g(2)<0；按照使代价函数最小最优的原则，当g(0)>0,g(2)>0时，此时g在(D₁+D₂)轴上方，与(D₁+D₂)轴无交点，取(D₁+D₂)为2，即D₁＝1,D₂＝1；当g(0)<0,g(2)<0时，g位于(D₁+D₂)轴下方，与(D1+D2)轴无交点，取占空比(D₁+D₂)为0,即D₁＝0,D₂＝0；当g(0)>0,g(2)<0时，g与(D₁+D₂)轴存在交点，占空比(D₁+D₂)为g与(D₁+D₂)轴的交点(D₁+D₂)′，此时，(D₁+D₂)′可由式(11)得到：

如图9所示，考虑到换相过程中关断相的反电动势被等效为E，而实际上在整个换相过程中，关断相的反电动势存在一定的压降，记为ΔE。ΔE的存在降低了模型预测控制控制器的可靠性，ΔE的大小与关断相电流的速率以及电机的转速，即对应关断相的反电动势下降的速率有关，从而可以将关断相电流的最小化加入优化条件，减小换相时间可以减小ΔE，从而增加预测函数的准确度。

结合式(7)，关断相的电流预测如下：

在(D₁+D₂)最优输入的情况下，调制(D₁、D₂)让公式(13)中的关断相电流最优最小，而D₂越小其相应预测关断相电流越小、换相时间越短，反电动势下降的影响越小；D₁越大即开通相开通时间越快，同时也对应换相时间越短，即取关断相D₂最小值与开通相D₁最大值，以用关断相的电流作为限制条件对D₁、D₂的目标值进行取值。

如图10所示，在g(0)＞0,g(2)＜0时，可分为两种情况：g(0)＞0,g(1)＞0,g(2)＜0时，即交点位于S₂,取D₁＝1,D₂＝S₂-1；g(0)＞0,g(1)＜0,g(2)＜0时，即交点位于S₁,取D₁＝S₁,D₂＝0。

而当换相模型即将结束时，可能出现|i_off(k+1)|<0的情况，考虑实际控制目标与对象，应实时调整D₁与D₂，使|i_off(k+1)|＝0，此时，在切换的最后一次调制应有D₂＝0，而结合(13)D₁应满足公式如下：

本实施例引入无位置传感器模型预测控制方法，通过检测电机反电动势过零点得到电机换相信息，通过电流预测算法和代价函数对输出电流进行控制，使得开通相电流上升变化率与关断相电流下降变化率保持一致，实现非换相相电流保持稳定，从而抑制换相转矩脉动。通过取消位置传感器和对电机相电流实施有效控制，改善电机不同工况下的静态和动态性能，增强其运行的可靠性与稳定性。

本实施例为了抑制无刷电机换相转矩脉动和减少控制器与电机之间的连线，引入无位置传感器模型预测控制方法，无刷直流电机的反电动势包含转子位置信息，通过检测其反电动势过零点可得到转子换相信息；引入电流模型预测控制，把电流模型分为非换相区间和换相区间两个部分，运用电流预测算法和代价函数对输出电流进行控制，使得开通相电流上升变化率与关断相电流下降变化率保持一致，以实现非换相相电流保持稳定，可有效地抑制过程的非线性、并行性和不准确性，并且可以对系统过程中的被控变量和操纵变量中的各种约束进行处理，从而抑制无刷直流电机的换相转矩脉动现象；同时通过对电机相电流实施有效控制，可改善电机不同转速和负载下的静态和动态性能，增强电机运行的可靠性与稳定性。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种无刷直流电机无位置传感器模型预测控制系统，其特征在于，包括：

采样模块，用以采集母线电压、相电流和无刷直流电机的反电动势，根据所述反电动势获得转子位置；

PI控制器，用以根据给定转速和反馈转速生成控制电流；

模型预测控制器，用以根据采样模块采集的信号选择对应的电流预测模型，输出占空比可调的PWM信号控制功率变换器。

2.根据权利要求1所述一种无刷直流电机无位置传感器模型预测控制系统，其特征在于，所述模型预测控制器包括：

电流信号选择模块，用以根据转子位置和采集的电流信号选择换相区电流预测模型或非换相区电流预测模型；

换相区电流预测模块，当选择换相区电流预测模型时，利用换相区电流预测模型和实际电流值生成代价函数；

非换相区电流预测模块，当选择非换相区电流预测模型时，利用非换相区电流预测模型和实际电流值生成代价函数；

代价函数模块，根据使代价函数最小最优的原则生成占空比。

3.一种无刷直流电机无位置传感器模型预测控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

采集母线电压、相电流和无刷直流电机的反电动势，根据所述反电动势获得转子位置，不需要额外的位置传感器；

根据给定转速和反馈转速生成电流控制信号；

根据采样模块采集的信号选择对应的电流预测模型，输出到功率变换器的占空比，根据所述占空比生成PWM。

4.根据权利要求3所述一种无刷直流电机无位置传感器模型预测控制方法，其特征在于，所述用以根据采样模块采集的信号选择对应的电流预测模型，输出占空比可调的PWM信号控制功率变换器的具体包括如下步骤：

根据转子位置和采集的电流信号选择换相区电流预测模型或非换相区电流预测模型；

当选择非换相区电流预测模型时，利用非换相区电流预测模型和实际电流值生成代价函数，根据使代价函数最小最优的原则生成占空比；

当选择换相区电流预测模型时，利用换相区电流预测模型和实际电流值生成代价函数，根据使代价函数最小最优的原则生成占空比。

5.根据权利要求4所述一种无刷直流电机无位置传感器模型预测控制方法，其特征在于，所述非换相区电流模型为：

其中，i_n(k+1)为非换相时期k+1时刻的电流预测值，n＝a，b，c，t为电流环的控制周期，P_t＝e^-(r/L)t是常数，E(k)＝K_ew(k)，E(k)为反电动势幅值，K_e为反电动势常数，w(k)为转子机械角速度。

6.根据权利要求5所述一种无刷直流电机无位置传感器模型预测控制方法，其特征在于，非换相时期的代价函数为：

7.根据权利要求4所述一种无刷直流电机无位置传感器模型预测控制方法，其特征在于，所述换相区电流模型为：

其中，i_m(k+1)为换相时期k+1时刻m相电流预测值，m＝a，b，c，t为电流环的控制周期，

是常数，E(k)为反电动势幅值，且E(k)＝K_ew(k)，K_e为反电动势常数，w(k)为转子机械角速度，D₀是非换相区的调制占空比，D₁是换相区开通相的调制占空比，D₂是换相区关断相的调制占空比。

8.根据权利要求7所述一种无刷直流电机无位置传感器模型预测控制方法，其特征在于，换相时期的代价函数为：

9.根据权利要求3所述一种无刷直流电机无位置传感器模型预测控制方法，其特征在于，所述选择换相区电流预测模型或非换相区电流预测模型的方法包括：

根据反电动势计算的转子位置判断开通相、关断相和持续导通相；

根据反电动势过零点由非换相区电流预测模型切换至换相区电流预测模型；

将关断相电流下降为零的时刻作为换相区电流预测模型切换至非换相区电流预测模型的时刻。

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