一种永磁同步电机的电流控制方法与流程

本发明涉及电流控制技术领域，尤其涉及一种永磁同步电机的电流控制方法。

背景技术：

传统电流环是利用比例调节和积分调节(proportional integral controller，PI)控制器产生下一个脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)周期的电压控制信号Ud(定子d轴电压控制信号)和Uq(定子q轴电压控制信号)，但由于PI控制器属于滞后型的控制器，只能根据偏差给出控制信号，无法提高系统的动态性。针对这一缺陷，目前一种较为流行的电流控制方法是电流预测控制方法，具体思路是通过获取下一个开关周期开始时刻的参考定子电流指令值，并采样当前控制周期的定子电流值，基于永磁同步电机模型方程计算出对应的电压指令值，将指令值转换成对应的开关管占空比，使输出电流在下一个周期等于给定的参考电流。

基于无差拍思想的电流预测控制方法可以达到满意的电流动态特性。但预测控制需要精确的对象模型才能输出准确的控制行为，而电机对象是一个时变系统，在实际运行过程中，电机本体温度会有一定程度的升高，而对温度非常敏感的定子电阻和转子磁链值都会随之变化，且离散电机方程是非线性电机方程的近似离散线性化，忽略相应的高次项会存在一定的模型误差，这样采用标称方程计算得出的电压指令值就会在一定程度上偏离实际所需的电压值，从而无法很好地控制电流精度。因此，如何补偿模型误差成为高精度预测电流控制的关键。

另外，在实际的驱动系统中，除了模型误差外，逆变器的死区时间、开关管的通态压降以及直流端的电压扰动也会影响控制器的性能，给定子电流带来一定的误差和畸变。目前普遍使用的补偿方法是基于固定电压技术，通过死区时间、PWM周期以及直流母线电压值大致估算出所损失的部分电压值，然后将这部分损失的电压值加入到空间电压脉宽调制的各相电压指令值中实现补偿。

基于固定电压补偿的死区补偿方法该种方法实现简单，但没有考虑零电流钳位问题，而且采用固定电压补偿无法实现对死区电压的完全补偿，性能上要打一定折扣。

技术实现要素：

针对现有的电流预测控制方法中存在的电机参数摄动和建模误差所带来的电压指令值偏差，以及目前死区电压补偿方法精度交底的问题，本发明提供了一种能够有效抑制电流预测控制时由于参数摄动、建模不准确以及死去时间的影响，操作简单易行的基于电流预测控制方法的永磁同步电机的电流控制方法。

本发明采用如下技术方案：

一种永磁同步电机的电流控制方法，适用于对所述永磁同步电机中的电流环进行电流控制；所述电流控制方法包括：

步骤S1.以一误差参数为状态量建立一电流控制模型；

步骤S2.采用一第一观测器对所述误差参数进行观测，以获得所述误差参数；

步骤S3.根据获得的所述误差参数和所述电流控制模型处理得到一电压指令值；

步骤S4.采用一第二观测器对所述永磁同步电机的死区电压进行观测，以得到一死区电压值；

步骤S5.将所述死区电压值与所述电压指令值进行比较，并根据比较结果对所述电压指令值进行修正，以得到修正后的所述电压指令值；

修正后的所述电压指令值被输入到一空间矢量脉宽调制装置并进行调制，以获得一用于控制所述电流环中的开关管进行动作的脉冲信号。

优选的，所述步骤S1中，于一预测电流控制器中构建所述电流控制模型，以对所述电压指令值进行计算。

优选的，所述步骤S1中，采用下述公式表示所述电流控制模型：

其中，

u＝[u_d u_q]^T；

表示所述电流环中的定子的电流值的估计量；

表示所述电流环中的所述定子的所述电流值的d轴分量的估计量；

表示所述电流环中的所述定子的所述电流值的q轴分量的估计量；

f表示所述误差参数；

表示所述误差参数的估计量；

f_d表示所述误差参数的d轴分量；

f_q表示所述误差参数的q轴分量；

u表示所述电流环中的所述定子的电压值；

u_d表示所述电流环中的所述定子的所述电压值的d轴分量；

u_q表示所述电流环中的所述定子的所述电压值的q轴分量；

L_d表示所述电流环中的定子绕组的电感值的d轴分量；

L_q表示所述电流环中的所述定子绕组的所述电感值的q轴分量；

R_s表示所述电流环中的所述定子的电阻值；

Ψr表示所述电流环中的转子的磁链值；

ω_r表示所述电流环中的所述转子的转速值。

优选的，所述步骤S2中，采用下述公式计算得到所述误差参数：

其中，

u＝[u_d u_q]^T；

i表示所述电流环中定子的电流值；

表示所述电流环中的所述定子的所述电流值的估计量；

表示所述电流环中的所述定子的所述电流值的d轴分量的估计量；

表示所述电流环中的所述定子的所述电流值的q轴分量的估计量；

表示所述电流环中的所述定子的所述电流值经过降阶处理后得到的值；

表示所述电流环中所述电流值经过降阶处理后得到的值的估计量；

表示所述误差参数的估计量；

表示所述误差参数经过降阶处理后得到的值的估计量；

u表示所述电流环中的所述定子的电压值；

u_d表示所述电流环中的所述定子的所述电压值的d轴分量；

u_q表示所述电流环中的所述定子的所述电压值的q轴分量；

L_d表示所述电流环中的定子绕组的电感值的d轴分量；

L_q表示所述电流环中的所述定子绕组的所述电感值的q轴分量；

R_s表示所述电流环中的所述定子的电阻值；

Ψr表示所述电流环中的转子的磁链值；

ω_r表示所述电流环中的所述转子的转速值；

G为一增益系数矩阵，g11，g12，g21和g22均为所述增益系数矩阵中的矩阵元素。

优选的，所述步骤S3中，采用下述公式计算得到所述电压指令值：

其中，

i_k＝[i_d(k) i_q(k)]^T；

f_k＝[f_d(k) f_q(k)]^T；

u_k表示所述电压指令值；

i_k表示所述电流环中的当前采样时刻的定子的电流采样值；

i^*_k+1表示所述电流环中的所述当前采样时刻的下一个采样时刻的电流指令值；

i_d(k)表示所述电流环中的所述当前采样时刻的所述定子的所述电流采样值的d轴分量；

i_q(k)表示所述电流环中的所述当前采样时刻的所述定子的所述电流采样值的q轴分量；

f_k表示所述电流环中的所述当前采样时刻的所述误差参数；

f_d(k)表示所述电流环中的所述当前采样时刻的所述误差参数的d轴分量；

f_q(k)表示所述电流环中的所述当前采样时刻的所述误差参数的q轴分量；

L_d表示所述电流环中的定子绕组的电感值的d轴分量；

L_q表示所述电流环中的所述定子绕组的所述电感值的q轴分量；

T_s表示所述电流环中的脉冲宽制控制周期值；

R_s表示所述电流环中的所述定子的电阻值；

Ψr表示所述电流环中的转子的磁链值；

ω_r表示所述电流环中的所述转子的转速值。

优选的，所述步骤S3中，在计算所述电压指令值前，采用下述公式对所述误差参数进行变换：

其中，

表示所述误差参数的估计量；

ε表示变换后的所述误差参数；

Gi表示。。。。

优选的，所述步骤S4中，采用下述公式计算得到所述死区电压值：

其中，

表示所述死区电压值经过降阶处理后得到的值的估计量；

γ为自适应系数，所述自适应系数大于零；

e_a表示所述电流环中的定子的a相电流预测值与所述定子的a相电流实际值的差值；

i_a表示所述电流环中的所述定子的所述a相电流实际值；

L_s表示所述电流环中的定子绕组的电感值。

优选的，采用下述公式计算得到所述a相电流实际值：

其中，

i_a表示所述电流环中的所述定子的所述a相电流实际值；

表示所述电流环中的所述定子的所述a相电流实际值经过降阶处理后得到的值；

θ_r表示所述电流环中的转子的角度值；

u_dead表示所述死区电压值；

u_a^*表示所述电压指令值的a相分量；

L_s表示所述电流环中的所述定子绕组的电感值；

R_s表示所述电流环中的所述定子的电阻值；

Ψr表示所述电流环中的所述转子的磁链值；

ω_r表示所述电流环中的所述转子的转速值。

优选的，采用下述公式计算得到所述a相电流预测值：

其中，

i_a表示所述电流环中的所述定子的所述a相电流实际值；

表示所述电流环中的所述定子的所述a相预测电流值经过降阶处理后得到的值的估计量；

θ_r表示所述电流环中的转子的角度值；

表示所述死区电压值经过降阶处理后得到的值的估计量；

u_a^*表示所述电压指令值的a相分量；

L_s表示所述电流环中的所述定子绕组的电感值；

R_s表示所述电流环中的所述定子的电阻值；

Ψr表示所述电流环中的所述转子的磁链值；

ω_r表示所述电流环中的所述转子的转速值。

本发明的有益效果是：在现有的永磁同步电机闭环电流控制中添加模型误差补偿和死区电压补偿，以补偿后的电压指令值对永磁同步电机进行闭环电流控制，将补偿后的电压指令值输入一空间矢量脉宽调制装置进行运算得出控制，使电流信号能够准确跟踪电压指令值，解决现有技术中电流预测控制方法中电机参数摄动和建模误差所带来的电压指令偏差，以及目前死区补偿方法精度较低的问题。

附图说明

图1为本发明的一种优选实施例中，永磁同步电机的电流控制的模型示意图；

图2为本发明的一种优选实施例中，永磁同步电机的电流控制方法的流程图；

图3为无补偿情况下的a相电流波形图；

图4为无补偿情况下的定子dq轴波形图；

图5为完全补偿情况下的a相电流波形图；

图6为完全补偿情况下的定子dq轴波形图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，下述技术方案，技术特征之间可以相互组合。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：

如图1-2所示，

一种永磁同步电机的电流控制方法，适用于对上述永磁同步电机中的电流环进行电流控制；其特征在于，上述电流控制方法包括：

步骤S1.以一误差参数为状态量建立一电流控制模型；

步骤S2.采用一第一观测器对上述误差参数进行观测，以获得上述误差参数；

步骤S3.根据获得的上述误差参数和上述电流控制模型处理得到一电压指令值；

步骤S4.采用一第二观测器对上述永磁同步电机的死区电压进行观测，以得到一死区电压值；

步骤S5.将上述死区电压值与上述电压指令值进行比较，并根据比较结果对上述电压指令值进行修正，以得到修正后的上述电压指令值；

修正后的上述电压指令值被输入到一空间矢量脉宽调制装置并进行调制，以获得一用于控制上述电流环中的开关管进行动作的脉冲信号；

于一预测电流控制器中构建上述电流控制模型，以对上述电压指令值进行计算。

在本实施例中，从三相电压源逆变器(voltage source inverter，VSI)的输出中获取永磁同步电机的三相电流(a相电流i_a和b相电流i_b和图中未示出的c相电流i_c)，通过坐标变换得到在两相旋转坐标系下的电机定子电流(定子d轴上的电流分量i_d和定子q轴上的电流分量i_q)，其中，上述的坐标变换包括三相静止坐标系转两相静止坐标系(3s/2s，即CLARK变换)和两相静止坐标系转两相旋转坐标系(2s/2r，即PARK变换)，将经过坐标变换后得到的定子d轴上的电流分量i_d和定子q轴上的电流分量i_q输入到第一观测器和预测电流控制器中，第一观测器经过计算得到误差参数(定子d轴上的误差参数分量f_d和定子q轴上的误差分量f_q)并将误差参数输入到预测电流观测器中，同时，采集电流环控制中当前时刻的电流指令值(定子d轴上的电流指令值分量i_d和定子q轴上的电流指令值分量i_q)，上述的预测电流控制器经过计算得到电压指令值(定子d轴上的电压指令值的分量u^*_d和定子q轴上的电压指令值的分量u^*_q)。

进一步的，由于三相对称，只要能观测到一相的死区电压即可，因此，第二观测器从三相电压源逆变器的输出中获取永磁同步电机的a相电流i_a经过计算先得到a相死区电压最后得到死区电压值(定子d轴上的死区电压值u_{d dead}和定子q轴上的死区电压值u_{q dead})，利用死区电压值对电压指令值进行修正得到修正后的电压指令值，修正后的死区电压值经过坐标转换(两相旋转坐标系转两相静止坐标系2r/2s)得到两相静止坐标系下的电压指令值，然后，将经过坐标转换的电压指令值输入到空间矢量脉宽调制装置(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)并进行调制，以获得用于控制上述电流环中的开关管(即三相VSI中的开关管)进行动作的脉冲信号。

其中，旋转变压器作为角度位置信号检测传感器，用于检测电机转子的角度位置(θ_r表示电流环中的转子的角度值，为上述角度值的估算量)等信息。

如图3-6所示，通过对比上面补偿前后的电流波形图可知，在补偿前，电流信号不能真实的跟踪电流指令，存在一定的偏差，同时由于死区时间的影响，dq轴电流存在一定的脉动。在应用了本发明所提出的补偿策略后，对定子电流取得了良好的控制效果。

通过图1可以看出，基于两个平行的观测器(第一观测器和第二观测器)对电机方程中的不确定项和死区电压进行观测，不确定项输出到预测电流控制器中参与电压指令值得运算，死区电压对预测电流控制器的输出指令值进行修正，通过上述步骤就能对定子电流产生较好的控制效果。

因此，在现有的永磁同步电机闭环电流控制中添加模型误差补偿和死区电压补偿，以补偿后的电压指令值对永磁同步电机进行闭环电流控制，将补偿后的电压指令值输入一空间矢量脉宽调制装置进行运算得出控制，使电流信号能够准确跟踪电压指令值，解决现有技术中电流预测控制方法中电机参数摄动和建模误差所带来的电压指令偏差，以及目前死区补偿方法精度较低的问题。

本发明优选的实施例中，上述步骤S1中，采用下述公式表示上述电流控制模型：

其中，f_c＝[f_d f_q]^T；u＝[u_d u_q]^T；表示上述电流环中的定子的电流值的估计量；表示上述电流环中的上述定子的上述电流值的d轴分量的估计量；表示上述电流环中的上述定子的上述电流值的q轴分量的估计量；f表示上述误差参数；表示上述误差参数的估计量；f_d表示上述误差参数的d轴分量；f_q表示上述误差参数的q轴分量；u表示上述电流环中的上述定子的电压值；u_d表示上述电流环中的上述定子的上述电压值的d轴分量；u_q表示上述电流环中的上述定子的上述电压值的q轴分量；L_d表示上述电流环中的定子绕组的电感值的d轴分量；L_q表示上述电流环中的上述定子绕组的上述电感值的q轴分量；R_s表示上述电流环中的上述定子的电阻值；Ψr表示上述电流环中的转子的磁链值；ω_r表示上述电流环中的上述转子的转速值。

在本实施例中，采样当前时刻的定子d轴反馈电流信号i_d(k)、定子q轴反馈电流信号i_q(k)，再利用上面的公式计算下一个采样时刻的定子电流值(也即下一时刻的预测电流值)和与传统电机电流方程不同的是，方程加入了误差参数f_d和f_q，由于误差参数在初始阶段是0，采样的实际电流和方程计算所得的预测电流值不完全一致，因此，可以基于这一误差来计算误差参数f_d和f_q。

本发明优选的实施例中，上述步骤S2中，采用下述公式计算得到上述误差参数：

其中，u＝[u_d u_q]^T；i表示上述电流环中定子的电流值；表示上述电流环中的上述定子的上述电流值经过降阶处理后得到的值；表示上述电流环中上述电流值经过降阶处理后得到的值的估计量；表示上述误差参数的估计量；表示上述误差参数经过降阶处理后得到的值的估计量；表示上述电流环中的上述定子的上述电流值的估计量；表示上述电流环中的上述定子的上述电流值的d轴分量的估计量；表示上述电流环中的上述定子的上述电流值的q轴分量的估计量；u表示上述电流环中的上述定子的电压值；u_d表示上述电流环中的上述定子的上述电压值的d轴分量；u_q表示上述电流环中的上述定子的上述电压值的q轴分量；L_d表示上述电流环中的定子绕组的电感值的d轴分量；L_q表示上述电流环中的上述定子绕组的上述电感值的q轴分量；R_s表示上述电流环中的上述定子的电阻值；Ψr表示上述电流环中的转子的磁链值；ω_r表示上述电流环中的上述转子的转速值；G为一增益系数矩阵，g11，g12，g21和g22均为上述增益系数矩阵中的矩阵元素。

在本实施例中，对公式(1)进行降阶得到下述公式：

公式(2)和公式(3)均由公式(1)转换而来，G矩阵中的矩阵元素的选取决定了确定项f_d和f_q收敛的快慢，但是收敛速度不可过快，否则会导致观测器不收敛。

本发明优选的实施例中，上述步骤S3中，采用下述公式计算得到上述电压指令值：

其中，i_k＝[i_d(k) i_q(k)]^T；f_k＝[f_d(k) f_q(k)]^Tu_k表示上述电压指令值；i_k表示上述电流环中的当前采样时刻的定子的电流采样值；i^*_k+1表示上述电流环中的上述当前采样时刻的下一个采样时刻的电流指令值；i_d(k)表示上述电流环中的上述当前采样时刻的上述定子的上述电流采样值的d轴分量；i_q(k)表示上述电流环中的上述当前采样时刻的上述定子的上述电流采样值的q轴分量；f_k表示上述电流环中的上述当前采样时刻的上述误差参数；f_d(k)表示上述电流环中的上述当前采样时刻的上述误差参数的d轴分量；f_q(k)表示上述电流环中的上述当前采样时刻的上述误差参数的q轴分量；L_d表示上述电流环中的定子绕组的电感值的d轴分量；L_q表示上述电流环中的上述定子绕组的上述电感值的q轴分量；T_s表示上述电流环中的脉冲宽制控制周期值；R_s表示上述电流环中的上述定子的电阻值；Ψr表示上述电流环中的转子的磁链值；ω_r表示上述电流环中的上述转子的转速值。

在本实施例中，将公式(3)离散化并移项后，就可以获取控制电压(电压指令值)的计算公式(4)，在第一观测器获取误差参数f_k后，将f_k送入预测电流控制器中经过公式(4)的计算就能够得到电压指令值。

本发明优选的实施例中，上述步骤S3中，在计算上述电压指令值前，采用下述公式对上述误差参数进行变换：

其中，表示上述误差参数的估计量；ε表示变换后的上述误差参数；Gi表示。。。。

在本实施例中，由于电流中高频噪声的存在，在第一观测器中可以直接使用电流微分值会破坏观测器的稳定性，上述方程还不具备工程价值，因此，将其中的状态量作公式(5)的变换。

本发明优选的实施例中，上述步骤S4中，采用下述公式计算得到上述死区电压值：

其中，表示上述死区电压值经过降阶处理后得到的值的估计量；γ为自适应系数，上述自适应系数大于零；e_a表示上述电流环中的定子的a相电流预测值与上述定子的a相电流实际值的差值；i_a表示上述电流环中的上述定子的上述a相电流实际值；L_s表示上述电流环中的定子绕组的电感值。

在本实施例中，在完成了对单相死区电压的观测后，可以通过坐标变换将三相上的死区电压转换到dq两相旋转坐标系上。将第一观测器和第二观测器所得出的观测器值前馈到电压指令信号中，就可以完成对不确定项和死区时间的补偿。

本发明优选的实施例中，采用下述公式计算得到上述a相电流实际值：

其中，i_a表示上述电流环中的上述定子的上述a相电流实际值；表示上述电流环中的上述定子的上述a相电流实际值经过降阶处理后得到的值；θ_r表示上述电流环中的转子的角度值；u_dead表示上述死区电压值；u_a^*表示上述电压指令值的a相分量；L_s表示上述电流环中的上述定子绕组的电感值；R_s表示上述电流环中的上述定子的电阻值；Ψr表示上述电流环中的上述转子的磁链值；ω_r表示上述电流环中的上述转子的转速值。

本发明优选的实施例中，采用下述公式计算得到上述a相电流预测值：

其中，i_a表示上述电流环中的上述定子的上述a相电流实际值；表示上述电流环中的上述定子的上述a相预测电流值经过降阶处理后得到的值的估计量；θ_r表示上述电流环中的转子的角度值；表示上述死区电压值经过降阶处理后得到的值的估计量；u_a^*表示上述电压指令值的a相分量；L_s表示上述电流环中的上述定子绕组的电感值；R_s表示上述电流环中的上述定子的电阻值；Ψr表示上述电流环中的上述转子的磁链值；ω_r表示上述电流环中的上述转子的转速值。

在本实施例中，公式(7)中，是预测电流控制器在经过补偿后给出的a相输入电压(电压指令值在a相上的分量)，用和经过坐标变换后得出，u_dead是未知的，可以将a相实际电流方程(即公式7)作为一个参考模型，再建立一个预测模型(即公式8)，是死区电压的估计值，通过比较上面公式(7)和公式(8)可以看到，如果不等于实际的死区补偿电压，则预测值和实际值i_a之间会存在误差，可以利用此偏差设计相应的自适用率来估计死区电压大小。为此，定义设计相应的第二观测器(采用公式6作为观测器的模型)。

在一个具体实施例中，将本发明应用到电动汽车控制器上，具体实现步骤如下：

建立电动汽车永磁同步电机电流方程，为了提高电流控制的精度，需要在电流方程中加入不确定项f_k，可以得到电压计算方程如下：

设计一个线性降阶观测器(第一观测器)来估计f_k，具体过程如下：

利用离散电机电流方程来估计下一采样时刻的定子dq电流值，在方程中要加入不确定项f，然后将预估定子dq电流值和采样值进行比较，利用它们之间的差值来设计自适应率，第一观测器具体形式如下：

对上式进行离散化。

设计一个死区电压观测器(第二观测器)来估计死区电压u_dead，具体过程如下：

由于三相对称，只要能观测到一相的死区电压即可。以电机定子a相的死区电压u_dead为对象设计第二观测器，建立a相电流方程如下：

其中，u_a^*是预测电流控制器在经过补偿后给出的a相输入电压，用定子d轴上的电压指令值的分量u^*_d和定子q轴上的电压指令值的分量u^*_q经过坐标变换后得出，u_dead是未知的，可以将a相实际电流方程作为一个参考模型，再建立一个预测模型：

通过比较上面两个方程可以看到，如果不等于实际的死区补偿电压，则预测值和实际值i_a之间会存在误差，为此，定义设计相应的第二观测器如下：

上述方程均进行离散化。

建立永磁同步电机电流环，将dq轴上一采样时刻的电流指令值和本采样时刻的电流采样值送入第一观测器中，估计出不确定项；将dq轴下一采样时刻的电流指令值、本采样时刻的电流采样值以及不确定项估计值送入电流预测控制器中，计算出电压指令值；将上一时刻的电压指令值和本时刻的a相电流值送入死区电压观测器中，计算出单相死区电压u_dead，然后进行坐标变换后得出dq轴上的死区电压大小；将此死区电压与电压指令值进行比较后送入SVPWM模块中进行运算，得出最终的控制信号。

通过说明和附图，给出了具体实施方式的特定结构的典型实施例，基于本发明精神，还可作其他的转换。尽管上述发明提出了现有的较佳实施例，然而，这些内容并不作为局限。

对于本领域的技术人员而言，阅读上述说明后，各种变化和修正无疑将显而易见。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本发明的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容，都应认为仍属本发明的意图和范围内。