【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及无刷直流电机控制，特别涉及五电平逆变器拓扑及其驱动无刷直流电机的直接转矩控制方法。
技术介绍
1、无刷直流电机凭借其结构简单、功率密度高和输出转矩大等优点，得以在家用电器、电动汽车、工业自动化设备、医疗设备、无人机、机器人、航空航天、计算机系统等很多领域广泛应用。
2、因其控制简单，两相导通方式成为无刷直流电机常用的驱动方式之一。理想情况下，通入理想方波电流对无刷直流电机进行驱动，但实际应用中，理想的方波电流是必然不存在的，这将引起转矩的脉动，同时在换相过程中，开通相电流和关断相电流的速率不相同导致换相期间的转矩脉动更大；由于电机的机械结构、齿槽效应以及电枢反应等因素的影响，电机的反电势波形是非理想的梯形波，这将进一步加剧转矩的脉动，这严重限制了无刷直流电机在高精尖场合的应用。
3、直接转矩控制技术将转矩直接作为控制对象，拥有更简单的控制结构和控制策略，动态响应速度更快，具有优异的转矩控制性能。由于传统三相桥式逆变器拓扑能够提供给电机的线电压只有三种，因此在一个控制周期内电机绕组中的电流变化量比较大，相应的转矩变化量也比较大，这导致应用了直接转矩控制技术的无刷直流电机的转矩脉动依然很大。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是：提供五电平逆变器拓扑及其驱动无刷直流电机的直接转矩控制方法，以抑制无刷直流电机的转矩脉动，使无刷直流电机的转矩更加平稳、转矩脉动更小。
2、为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
3、一方面
4、所述五电平逆变器拓扑包括：前级分压电路与后级三相桥式逆变电路；
5、所述前级分压电路包括：绝缘栅双极晶体管t7～t10、功率二极管d7～d15以及电解电容c1～c3；其中，电解电容c1～c3从上到下依次串联连接；三个串联电解电容与直流电压源并联；功率二极管d11～d13从上到下依次串联连接；绝缘栅双极晶体管t7～t10分别与对应的功率二极管d7～d10分别反向并联连接；绝缘栅双极晶体管t7的发射极与绝缘栅双极晶体管t9的集电极连接，绝缘栅双极晶体管t10的发射极与绝缘栅双极晶体管t8的集电极连接；绝缘栅双极晶体管t7的集电极与电解电容c1的正极连接，绝缘栅双极晶体管t8的发射极与电解电容c3的负极连接；功率二极管d14的阳极与功率二极管d12的阳极连接，功率二极管d14的阴极与绝缘栅双极晶体管t9的发射极连接；功率二极管d15的阴极与功率二极管d12的阴极连接，功率二极管d15的阳极与绝缘栅双极晶体管t10的集电极连接；
6、绝缘栅双极晶体管t9的发射极、绝缘栅双极晶体管t10的集电极与所述后级三相桥式逆变电路连接。
7、进一步地，所述后级三相桥式逆变电路，包括：绝缘栅双极晶体管t1～t6和功率二极管d1～d6依次构成的a、b、c三相桥臂。
8、又一方面，本专利技术还提供了一种上述五电平逆变器拓扑驱动无刷直流电机的直接转矩控制方法，包括：
9、步骤1、通过位置传感器得到无刷直流电机的转子位置信息θ；
10、步骤2、扇区判断单元根据转子位置信息θ判断出无刷直流电机在该转子位置时所处的扇区s；
11、步骤3、反电势系数查询单元根据转子位置信息θ查询无刷直流电机在该转子位置时的反电势系数kea、keb、kec；
12、步骤4、转速计算单元根据转子位置信息θ计算出无刷直流电机的转速n；
13、步骤5、电流判断单元根据无刷直流电机的三相电流ia、ib、ic以及扇区判断单元输出的扇区信息s判断出关断相电流ioff；
14、步骤6、换相判断单元根据电流判断单元输出的关断相电流ioff以及扇区判断单元输出的扇区信息s判断出换相信号sc，其中，sc为1时表示电机运行于换相期间，sc为0时表示电机运行于非换相期间，即两相导通期间；
15、步骤7、转速区间判断单元根据转速计算单元输出的实际转速n判断出该转速所在的转速区间sn，其中，sn＝0时表示电机转速处于低速区间，sn＝1时表示电机转速处于中低速过渡区间，sn＝2时表示电机转速处于中速区间，sn＝3时表示电机转速处于高中速过渡区间，sn＝4时表示电机转速处于高速区间；
16、步骤8、实际转矩计算单元根据无刷直流电机的三相电流ia、ib、ic以及反电势系数查询单元输出的反电势系数kea、keb、kec计算出实际转矩的瞬时值te；
17、步骤9、给定转速n*与转速计算单元输出的实际转速n作差，得到转速偏差δn，转速偏差δn经过速度pi控制器asr获得转矩参考值te*，转矩参考值te*与实际转矩计算单元输出的实际转矩te作差，得到转矩偏差δte；
18、步骤10、根据换相判断单元输出的换相信号sc以及转速区间判断单元输出的转速区间信号sn，选择相应的转矩滞环控制器，转矩偏差δte经过转矩滞环控制器后输出相应电平状态τcom、τnon，其中，sc为1时选择换相期间各转速区转矩滞环控制器并输出换相期间的电平状态τcom，sc为0时选择非换相期间各转速区转矩滞环控制器并输出非换相期间的电平状态τnon；
19、步骤11、电容电压滞环控制器对五电平逆变器拓扑中的电解电容c1和c3的电压均进行两状态滞环控制；
20、步骤12、根据转矩滞环控制器输出的电平状态τcom和τnon、电容电压状态信号τc和扇区信息s查找相对应的开关管状态查询表，得到五电平逆变器拓扑的开关管状态信号，利用得到的开关管状态信号控制开关管的导通与关断，实现五电平逆变器拓扑对无刷直流电机的直接转矩控制。
21、进一步地，换相判断单元判断换相是否结束以关断相电流绝对值|ioff|减小到零为标准；当电机运行，转子的位置从一个扇区切换到另一个扇区时，换相开始，当电流判断单元输出的关断相电流绝对值|ioff|减小到零，换相结束。
22、进一步地，转速区间判断单元所用的转速区间判断滞环包括：
23、划分低速区、低中速过渡区和中速区的临界转速值nlm1,2为：
24、
25、划分中速区、中高速过渡区和高速区的临界转速值nmh12为：
26、
27、式中，vs为电源电压，vrl为在单个开关周期内足以产生所需转矩变化量的电机相电阻电感上的电压，ke为反电势系数最大值；
28、在临界转速nlm1和nlm2、nmh1和nmh2预设范围内设置预设阈值的滞环。
29、进一步地，实际转矩计算单元计算实际转矩瞬时值te的计算公式为：
30、
31、式中，ia、ib、ic为无刷直流电机的三相相电流，kea、keb、kec为a、b、c三相的反电势系数，单位为v/r·min-1，ke为反电势系本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种五电平逆变器拓扑，其特征在于，所述五电平逆变器拓扑为无刷直流电机提供五种电平的线电压，包括正的电源电压、三分之二的电源电压、三分之一的电源电压、零电压、负的电源电压；
2.根据权利要求1所述的五电平逆变器拓扑，其特征在于，所述后级三相桥式逆变电路，包括：绝缘栅双极晶体管T1～T6和功率二极管D1～D6依次构成的A、B、C三相桥臂。
3.一种如权利要求1或2所述的五电平逆变器拓扑驱动无刷直流电机的直接转矩控制方法，其特征在于，包括：
4.根据权利要求3所述的直接转矩控制方法，其特征在于，换相判断单元判断换相是否结束以关断相电流绝对值|ioff|减小到零为标准；当电机运行，转子的位置从一个扇区切换到另一个扇区时，换相开始，当电流判断单元输出的关断相电流绝对值|ioff|减小到零，换相结束。
5.根据权利要求3所述的直接转矩控制方法，其特征在于，转速区间判断单元所用的转速区间判断滞环包括：
6.根据权利要求5所述的直接转矩控制方法，其特征在于，实际转矩计算单元计算实际转矩瞬时值Te的计算公式为：
7.根据权
8.根据权利要求7所述的直接转矩控制方法，其特征在于，电容电压滞环控制器使用的两状态滞环如下：
9.根据权利要求8所述的直接转矩控制方法，其特征在于，非换相期间开关管状态查询表：
...【技术特征摘要】
1.一种五电平逆变器拓扑，其特征在于，所述五电平逆变器拓扑为无刷直流电机提供五种电平的线电压，包括正的电源电压、三分之二的电源电压、三分之一的电源电压、零电压、负的电源电压；
2.根据权利要求1所述的五电平逆变器拓扑，其特征在于，所述后级三相桥式逆变电路，包括：绝缘栅双极晶体管t1～t6和功率二极管d1～d6依次构成的a、b、c三相桥臂。
3.一种如权利要求1或2所述的五电平逆变器拓扑驱动无刷直流电机的直接转矩控制方法，其特征在于，包括：
4.根据权利要求3所述的直接转矩控制方法，其特征在于，换相判断单元判断换相是否结束以关断相电流绝对值|ioff|减小到零为标准；当电机运行，转子的位置从一个扇区切换到另...
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