基于MPC的无位置传感器BLDC转矩脉动抑制.pdf

摘要

摘要

无刷直流电机自从问世就由于其更高的效率、更高的转矩重量比和更低的运行噪

音而受到深入研究和广泛应用，而由于BLDC电机自身的反电动势波形为梯形波，换

相不存在理想情况等原因，会产生最大约为平均转矩一半的转矩脉动，这种转矩脉动

对电机在更广泛的场合应用产生了限制，且传统BLDC电机使用的位置传感器会增加

电机体积，不利于电机小型化，因此对于BLDC电机的无位置传感器控制和转矩脉动

抑制有了其研究的必要性和价值，而基于无位置传感器的常规反电动势检测法也会产

生转矩脉动，本文将在其基础上，研究基于无位置传感器的BLDC电机转矩脉动抑

制，并引入模型预测控制进一步抑制转矩脉动。

本文对于BLDC电机、无位置传感器、转矩脉动抑制、模型预测控制在国内外研

究现状进行了研究分析，总结归纳。介绍了BLDC电机的系统结构和工作原理，基于

理想假设建立了BLDC电机的数学模型，并在此基础上分析了采用端电压检测法的无

位置传感器控制如何控制电机换相和起动。

然后，本文分析了无位置传感器控制如何引起转矩脉动，分别对转子位置误差和

滤波电路造成的换相角滞后或超前导致的换相转矩脉动和相电流波形变化进行了推

90−30

导，提出了的超前换相方案。基于精确换相时换相点前后范围电流积分值相

同的原理，提出了通过控制非换相相电流积分差值的比例积分控制方案实现无位置传

感器的换相角误差校正。

本文对基于两两导通的三相星形联结BLDC电机，从换相和非换相两个方面分析

了其转矩脉动的成因，对六种PWM调制方式在换相和非换相对于BLDC电机电磁转

矩和输出转矩的影响进行了分析，

本文提出了基于模型预测的BLDC电机无位置传感器控制方案，基于电机功率开

关有限个开关组合使用了有限控制集MPC，根据电机数学模型和电流价值函数匹配价

值函数选择最优的开关方案实现电机控制。

本文基于仿真方案在FPGA平台上进行了实验验证，包括硬件电路、功率驱动模

块和软件控制模块的设计和实现，通过实验实现了BLDC电机的转矩脉动抑制和模型

预测控制等理论的验证。

关键词：无刷直流电机；无位置传感器；模型预测控制；转矩脉动

Abstract

Abstract

Sinceitsinception,brushlessDCmotorshavebeenextensivelystudiedandapplieddueto

theirhigherefficiency,highertorquetoweightratio,andloweroperatingnoise.However,due

tothetrapezoidalwaveformofthebackelectromotiveforceofBLDCmotorsandtheabsence

ofidealcommutationconditions,theycangeneratetorquepulsationuptohalfoftheaverage

torque.Thistorquepulsationlimitstheapplicationofthemotorinawiderrangeofsituations.

Moreover,thepositionsensorsusedintraditionalBLDCmotorsincreasethemotorvolume,

whichisnotconducivetomotorminiaturization.Therefore,itisnecessaryandvaluabletostudy

thesensor-lesscontrolandtorquepulsationsuppressionofBLDCmo