永磁同步电机的I/F控制中电磁转矩计算及反馈控制方法与流程

本公开涉及一种永磁同步电机的i/f控制中电磁转矩反馈控制系统及方法、及一种永磁同步电机的i/f控制中电磁转矩计算装置及方法。

背景技术：

永磁同步电机具有功率密度高、损耗小及动态响应快等优点，已被广泛应用于皮带机、数控机床及电动汽车等领域。无传感器矢量控制技术具有结构简单、成本低廉、可靠性高等优点，在工业领域已得到广泛应用。然而，将无传感器矢量控制技术应用于永磁同步电机，面临的首要问题是如何高性能地启动电机。当电机处于中高速运行区间，基于电机基波模型的转速及转子位置辨识方法具有良好的精度，然而在低速运行区间，电机的反电动势很小，加之由于控制死区和变频器非线性的影响，基于基波模型的转速及转子位置辨识方法的误差较大，难以满足实际应用需求。

为解决此问题，当前典型的低速运行区间的转子位置辨识方法通常利用电机的凸极特性获取转子位置信息，主要包括旋转高频信号注入法、脉振高频信号注入法等，然而这些方法的计算复杂度较高，对处理器计算资源的需求较大，而且存在硬件损耗和高频噪音等。

现有技术中，另一种典型的无传感器矢量控制技术为电流/频率(i/f)控制。已知永磁同步电机的转矩与电流幅值以及电流矢量和转子位置之间的夹角有关，通过直接控制注入到永磁同步电机定子绕组中的电流的幅值和频率，可以间接控制永磁同步电机的电磁转矩，从而达到驱动永磁同步电机的目的。i/f控制技术的优点是实现简单、成本低廉，而且可通过电流的直接控制避免过电流现象。但是，i/f控制技术的致命缺点之一为系统的稳定性不高，这是因为在i/f控制中由于未知转子位置且采用速度开环控制，系统的阻尼仅由摩擦阻尼提供，当遭受负载扰动时，极易引发电机振荡甚至失步。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题中的至少一个，本公开提供了一种永磁同步电机的i/f控制中电磁转矩反馈控制系统及方法、一种永磁同步电机的i/f控制中电磁转矩计算装置及方法、一种计算设备及计算机可读介质。

根据本公开的第一方面，一种永磁同步电机的i/f控制中电磁转矩反馈控制系统，包括：计算单元，用于计算永磁同步电机的电磁转矩；滤波单元，用于对电磁转矩进行高通滤波处理；增益单元，对进行高通滤波后的电磁转矩进行增益处理，得到电流空间矢量转速差值；以及转速指令值生成单元，通过电流空间矢量转速预设值与电流空间矢量转速差值来生成电流空间矢量转速指令值。

根据本公开的至少一个实施方式，该系统还包括：积分单元，用于对电流空间矢量转速指令值进行积分处理，来生成反馈角度；以及坐标变换角度生成单元，通过假定坐标系的初始角度与反馈角度来生成用于电流空间矢量控制的坐标变换角度。

根据本公开的至少一个实施方式，电流空间矢量转速预设值为永磁同步电机的转速期望值。

根据本公开的至少一个实施方式，在永磁同步电机的启动阶段，电流空间矢量转速预设值设置为以预定斜率上升至转速期望值。

根据本公开的至少一个实施方式，电流空间矢量转速差值其中，kf为增益单元的反馈增益值，τ为滤波单元进行高通滤波时的时间常数，s为拉普拉斯算子，te为计算单元计算出的电磁转矩。

根据本公开的至少一个实施方式，该系统还包括：获取单元，用于获取永磁同步电机的三相定子电压及三相定子电流，计算单元计算假定旋转坐标系领先转子旋转坐标系的夹角的正弦值，并且计算夹角的近似余弦值，根据近似余弦值的正负来分别通过正弦值来计算夹角的准确余弦值，通过准确余弦值来计算电磁转矩。

根据本公开的至少一个实施方式，三相定子电压为测量得到的定子电压或者永磁同步电机的电流控制器输出的调制电压。

根据本公开的至少一个实施方式，计算单元包括：定子功率计算单元，根据三相定子电压及三相定子电流来计算永磁同步电机的定子瞬时无功功率及定子瞬时有功功率；定子电流幅值计算单元，根据三相定子电流来计算永磁同步电机的定子电流幅值；夹角正弦值计算单元，根据公式计算夹角的正弦值，其中δ为夹角，q为定子瞬时无功功率，ωi为电流空间矢量转速指令值，l为永磁同步电机定子电感值、i为定子电流幅值及ψr为永磁同步电机转子磁链；夹角近似余弦值计算单元，根据公式计算夹角的近似余弦值，其中δ为夹角，p为永磁同步电机的瞬时有功功率，r为永磁同步电机定子内阻，i为定子电流幅值，ωi为电流空间矢量转速指令值及ψr为永磁同步电机转子磁链；判断计算单元，判断近似余弦值的正负，当近似余弦值为正时，通过公式计算准确余弦值，当近似余弦值为负时，通过公式计算准确余弦值；以及电磁转矩计算单元，根据判断计算单元得到的准确余弦值，通过公式计算电磁转矩，其中，te为电磁转矩，pn为永磁同步电机的极对数，ψr为永磁同步电机转子磁链，及i为定子电流幅值。

根据本公开的第二方面，一种永磁同步电机的i/f控制中电磁转矩反馈控制方法，包括：计算永磁同步电机的电磁转矩；对电磁转矩进行高通滤波处理；对进行高通滤波后的电磁转矩进行增益处理，得到电流空间矢量转速差值；以及通过电流空间矢量转速预设值与电流空间矢量转速差值来生成电流空间矢量转速指令值。

根据本公开的至少一个实施方式，该方法还包括：对电流空间矢量转速指令值进行积分处理，来生成反馈角度；以及通过假定坐标系的初始角度与反馈角度来生成用于电流空间矢量控制的坐标变换角度。

根据本公开的至少一个实施方式，电流空间矢量转速预设值为永磁同步电机的转速期望值。

根据本公开的至少一个实施方式，在永磁同步电机的启动阶段，电流空间矢量转速预设值设置为以预定斜率上升至转速期望值。

根据本公开的至少一个实施方式，电流空间矢量转速差值其中，kf为反馈增益值，τ为高通滤波的时间常数，s为拉普拉斯算子，te为计算出的电磁转矩。

根据本公开的至少一个实施方式，该方法还包括：获取永磁同步电机的三相定子电压及三相定子电流，在计算永磁同步电机的电磁转矩时，计算假定旋转坐标系领先转子旋转坐标系的夹角的正弦值，并且计算夹角的近似余弦值，根据近似余弦值的正负来分别通过正弦值来计算夹角的准确余弦值，通过准确余弦值来计算电磁转矩。

根据本公开的至少一个实施方式，三相定子电压为测量得到的定子电压或者永磁同步电机的电流控制器输出的调制电压。

根据本公开的至少一个实施方式，计算永磁同步电机的电磁转矩的步骤包括：根据三相定子电压及三相定子电流来计算永磁同步电机的定子瞬时无功功率及定子瞬时有功功率；根据三相定子电流来计算永磁同步电机的定子电流幅值；根据公式计算夹角的正弦值，其中δ为夹角，q为定子瞬时无功功率，ωi为电流空间矢量转速指令值，l为永磁同步电机定子电感值、i为定子电流幅值及ψr为永磁同步电机转子磁链；根据公式计算夹角的近似余弦值，其中δ为夹角，p为定子瞬时有功功率，r为永磁同步电机定子内阻，i为定子电流幅值，ωi为电流空间矢量转速指令值及ψr为永磁同步电机转子磁链；判断近似余弦值的正负，当近似余弦值为正时，通过公式计算准确余弦值，当近似余弦值为负时，通过公式计算准确余弦值；以及根据计算的准确余弦值，通过公式计算电磁转矩，其中te为电磁转矩，pn为永磁同步电机的极对数，ψr为永磁同步电机转子磁链，及i为定子电流幅值。

根据本公开的第三方面，一种永磁同步电机的i/f控制中电磁转矩计算装置，包括：夹角正弦值计算模块，根据公式计算假定旋转坐标系领先转子旋转坐标系的夹角的正弦值，其中δ为夹角，q为定子瞬时无功功率，ωi为电流空间矢量转速指令值，l为永磁同步电机定子电感值、i为定子电流幅值及ψr为永磁同步电机转子磁链；夹角近似余弦值计算模块，根据公式计算夹角的近似余弦值，其中p为定子瞬时有功功率，及r为永磁同步电机定子内阻；夹角准确余弦值计算模块，基于夹角的近似余弦值的正负，来通过夹角的正弦值计算夹角的准确余弦值；以及电磁转矩计算模块，根据准确余弦值，通过公式计算电磁转矩，其中pn为永磁同步电机的极对数。

根据本公开的至少一个实施方式，该装置还包括：定子功率计算模块，根据三相定子电压及三相定子电流来计算永磁同步电机的定子瞬时无功功率及定子瞬时有功功率；以及定子电流幅值计算模块，根据三相定子电流来计算永磁同步电机的定子电流幅值。

根据本公开的至少一个实施方式，夹角准确余弦值计算模块，判断近似余弦值的正负，当近似余弦值为正时，通过公式计算准确余弦值，当近似余弦值为负时，通过公式计算准确余弦值。

根据本公开的至少一个实施方式，三相定子电压为测量得到的定子电压或者永磁同步电机的电流控制器输出的调制电压。

根据本公开的至少一个实施方式，在定子功率计算模块中，通过公式计算定子瞬时无功功率，其中q为定子瞬时无功功率，uabc为三相定子电压，上标t表示转置，iabc为三相定子电流，并且通过公式计算定子瞬时有功功率，其中ρ为定子瞬时有功功率，uabc为三相定子电压，上标t表示转置，iabc为三相定子电流。

根据本公开的至少一个实施方式，在定子电流幅值计算模块中，通过公式计算定子电流幅值，其中i为定子电流幅值，ia，ib，ic分别为三相中各相定子电流。

根据本公开的第四方面，一种永磁同步电机的i/f控制中电磁转矩计算方法，包括：根据公式计算假定旋转坐标系领先转子旋转坐标系的夹角的正弦值，其中δ为夹角，q为定子瞬时无功功率，ωi为电流空间矢量转速指令值，l为永磁同步电机定子电感值、i为定子电流幅值及ψr为永磁同步电机转子磁链；根据公式计算夹角的近似余弦值，其中p为定子瞬时有功功率，及r为永磁同步电机定子内阻；基于夹角的近似余弦值的正负，来通过夹角的正弦值计算夹角的准确余弦值；以及根据准确余弦值，通过公式计算电磁转矩，其中pn为永磁同步电机的极对数。

根据本公开的至少一个实施方式，该方法还包括：根据三相定子电压及三相定子电流来计算永磁同步电机的定子瞬时无功功率；以及根据三相定子电流来计算永磁同步电机的定子电流幅值。

根据本公开的至少一个实施方式，夹角准确余弦值计算模块，判断近似余弦值的正负，当近似余弦值为正时，通过公式计算准确余弦值，当近似余弦值为负时，通过公式计算准确余弦值。

根据本公开的至少一个实施方式，三相定子电压为测量得到的定子电压或者永磁同步电机的电流控制器输出的调制电压。

根据本公开的至少一个实施方式，通过公式计算定子瞬时无功功率，其中q为定子瞬时无功功率，uabc为三相定子电压，上标t表示转置，iabc为三相定子电流，并且通过公式计算定子瞬时有功功率，其中ρ为定子瞬时有功功率，uabc为三相定子电压，上标t表示转置，iabc为三相定子电流。

根据本公开的至少一个实施方式，通过公式计算定子电流幅值，其中，i为定子电流幅值，ia，ib，ic分别为三相中各相定子电流。

根据本公开的至少一个实施方式，上述永磁同步电机为表贴式永磁同步电机。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是本公开的至少一个实施方式的具有电磁转矩闭环反馈控制的i/f控制的示意图。

图2是本公开的至少一个实施方式的电磁转矩计算单元的示意图。

图3是本公开的至少一个实施方式的具有电磁转矩闭环反馈控制方法的示意图。

图4是本公开的至少一个实施方式的电磁转矩计算方法的示意图。

图5是本公开的至少一个实施方式的控制方法仿真结果中电磁转矩与负载转矩的比较视图。

图6是本公开的至少一个实施方式的控制方法仿真结果中转速指令值与实际值的比较视图。

图7是本公开的至少一个实施方式的控制方法仿真结果中电子转矩计算值与实际值的比较视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。

在本公开中为改善永磁同步电机、尤其是表贴式永磁同步电机的i/f控制的稳定性、增强系统阻尼、提升转速收敛特性，针对基本的i/f控制提出一种附加的电磁转矩闭环反馈控制方法，该方法能够改善i/f控制下永磁同步电机的稳定性，以及提升系统的抗扰性能。

图1示出了根据本公开的具有电磁转矩闭环反馈控制的i/f控制示意图。其中，虚线部分示出了附加的电磁转矩闭环反馈控制模块100。

在i/f控制中，设定直轴(d轴)电流id的指令值id_ref为零，交轴(q轴)电流iq的指令值iq_ref为i；设定电流空间矢量的转速期望值ω0为期望电机转速，例如，在电机启动阶段可设定以预定斜率上升至期望转速的额定值。

在该反馈控制模块100中，包括电磁转矩计算单元101、滤波单元102及增益单元103。

电磁转矩计算单元101用于计算永磁同步电机的电磁转矩，其中通过代数表达式得到电磁转矩te。

滤波单元102对电磁转矩te进行高通滤波处理，并且增益单元103可以为增益放大器的形式，用于对进行高通滤波后的电磁转矩te进行增益处理，得到电流空间矢量转速差值δωi。

通过上述单元的处理，则电磁转矩闭环反馈控制律可表述为其中，kf表示增益单元的反馈增益，τ表示高通滤波的时间常数，s表示拉普拉斯算子。

转速指令值生成单元200将电流空间矢量转速差值δωi与设定的电流空间矢量的转速期望值ω0进行运算，得到电流矢量空间转速指令值ωi。据此，具有电磁转矩闭环反馈的电流矢量空间转速指令值为ωi＝ω0+δωi，然后通过积分单元300将ωi进行积分，坐标变换角度生成单元400将其加上假定旋转坐标系的初始位置θ0，可得到用于电流空间矢量控制中坐标变换的角度θi。之后将角度θi用于电流空间矢量控制。

电磁转矩计算单元101基于获取的永磁同步电机的三相定子电压及三相定子电流来进行电磁转矩计算。三相定子电压为测量得到的定子电压或者永磁同步电机的电流控制器输出的调制电压。

如图2所示，电磁转矩计算单元101可以包括以下单元：

定子功率计算单元1011，根据三相定子电压及三相定子电流来计算永磁同步电机的定子瞬时无功功率及定子瞬时有功功率，其中可以通过公式计算定子瞬时无功功率，其中q为定子瞬时无功功率，uabc为三相定子电压，上标t表示转置，iabc为三相定子电流，但是此处定子瞬时无功功率的公式可以存在其他等价变换，并且通过公式计算定子瞬时有功功率，其中ρ为定子瞬时有功功率，uabc为三相定子电压，上标t表示转置，iabc为三相定子电流，但是此处定子瞬时有功功率的公式可以存在其他等价变换；

定子电流幅值计算单元1012，根据三相定子电流来计算永磁同步电机的定子电流幅值，在本公开中，可以通过公式计算定子电流幅值，其中i为定子电流幅值，ia，ib，ic分别为三相中各相定子电流，但是此处定子电流幅值的公式可以存在其他等价变换；

夹角正弦值计算单元1013，根据公式计算夹角的正弦值，其中δ为夹角，q为定子瞬时无功功率，ωi为电流空间矢量转速指令值，l为永磁同步电机定子电感值、i为定子电流幅值及ψr为永磁同步电机转子磁链；

夹角近似余弦值计算单元1014，根据公式计算夹角的近似余弦值，其中δ为夹角，p为定子瞬时有功功率，r为永磁同步电机定子内阻，i为定子电流幅值，ωi为电流空间矢量转速指令值及ψr为永磁同步电机转子磁链；

判断计算单元1015，判断近似余弦值的正负，当近似余弦值为正时，通过公式计算准确余弦值，当近似余弦值为负时，通过公式计算准确余弦值；以及

电磁转矩计算单元1016，根据判断计算单元1015得到的准确余弦值，通过公式计算电磁转矩，其中，te为电磁转矩，pn为永磁同步电机的极对数，ψr为永磁同步电机转子磁链，及i为定子电流幅值。

根据本公开，还提供了根据上述一种永磁同步电机的i/f控制中电磁转矩反馈控制装置的控制方法。

参照图2，该方法包括：

s1：计算永磁同步电机的电磁转矩；

s2：对电磁转矩进行高通滤波处理；

s3：对进行高通滤波后的电磁转矩进行增益处理，得到电流空间矢量转速差值；以及

s4：通过电流空间矢量转速预设值与电流空间矢量转速差值来生成电流空间矢量转速指令值。

进一步地，该方法还可以包括：

s5：对电流空间矢量转速指令值进行积分处理，来生成反馈角度；以及

s6：通过假定坐标系的初始角度与反馈角度来生成用于电流空间矢量控制的坐标变换角度。

此外，在步骤s1中计算电磁转矩时，可以通过与上述图2描述的各个单元所进行处理相对应的步骤来实现，在此不再赘述。

根据本公开，还提出一种基于代数表达式的电磁转矩计算方法，该方法实现简单，精度较高，为上述电磁转矩闭环反馈控制奠定了基础。

参照图4，对该方法进行详细地说明。在图4中示出了，该方法可以包括：

在步骤s11中，根据三相定子电压及三相定子电流来计算永磁同步电机的定子瞬时无功功率及定子瞬时有功功率，三相定子电压为测量得到的定子电压或者永磁同步电机的电流控制器输出的调制电压。例如可以通过公式计算定子瞬时无功功率，其中q为定子瞬时无功功率，uabc为三相定子电压，上标t表示转置，iabc为三相定子电流，但是此处定子瞬时无功功率的公式可以存在其他等价变换，并且通过公式计算定子瞬时有功功率，其中ρ为定子瞬时有功功率，uabc为三相定子电压，上标t表示转置，iabc为三相定子电流，但是此处定子瞬时有功功率的公式可以存在其他等价变换。根据三相定子电流来计算永磁同步电机的定子电流幅值，例如可以通过公式计算定子电流幅值，其中，i为定子电流幅值，ia，ib，ic分别为三相中各相定子电流，但是此处定子电流幅值的公式可以存在其他等价变换。

在步骤s12中，根据公式计算假定旋转坐标系领先转子旋转坐标系的夹角的正弦值，其中δ为夹角，q为定子瞬时无功功率，ωi为电流空间矢量转速指令值，l为永磁同步电机定子电感值、i为定子电流幅值及ψr为永磁同步电机转子磁链。

在步骤s13中，根据公式计算夹角的近似余弦值，其中p为定子瞬时有功功率，及r为永磁同步电机定子内阻；

在步骤s14中，基于夹角的近似余弦值的正负，来通过夹角的正弦值计算夹角的准确余弦值。

在步骤s15中，根据准确余弦值，通过公式计算电磁转矩，其中pn为永磁同步电机的极对数。

根据本公开，还提供了一种与上述电磁转矩计算方法相对应的电磁转矩计算装置，并且该装置包括与该方法对应的各个模块。

在本公开中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式。作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

为了验证电磁转矩反馈控制方式的技术效果。对根据本公开的控制方式在matlab/simulink环境下进行仿真试验，图5～7示出了根据本公开的仿真验证结果。

考虑到电机的实际应用场合中不确定初始时刻的负载转矩大小(如皮带机等)，所以为了顺利启动电机，必须以最大电磁转矩启动电机。仿真中0.2秒检测转子初始位置，将其作为假定旋转坐标系的初始位置，即图1中的θ0，设置q轴电流指令值为最大值，此时电磁转矩达到最大值，如图5所示。实际的初始负载转矩为4牛·米，此时电磁转矩大于负载转矩，电机开始启动，如图6所示。由于电磁转矩闭环反馈的调节作用，电磁转矩迅速减小至负载转矩附近，保证了电机不至于飞车。此后，由于转速指令值持续上升，电磁转矩逐渐增大，电磁转矩大于负载转矩，电机持续加速，如图6所示。3.5秒时，转速指令值发生阶跃，由图5和图6可以看出，电机转速和电磁转矩能够很快收敛至稳态。6.0秒负载转矩发生阶跃，由图5和图6可以看出，电机转速和电磁转矩同样能够很快收敛至稳态。图7示出了电磁转矩计算值和真实值的比较，可以看出在电机启动后，转矩的计算值具有良好的精度。

根据本公开的实施方式/示例实现简单、电磁转矩的计算精度较高、参数容易调试等。基于基本的i/f控制技术，本公开通过附加电磁转矩闭环反馈控制，从而改善永磁同步电机、尤其表贴式永磁同步电机的i/f控制的稳定性、增强系统阻尼、提升抗扰能力、改善转速收敛特性，从而提高了i/f控制的实用性。

本公开的实施方式/示例可应用于永磁同步电机、尤其表贴式永磁同步电机的启动、调速和停机中，例如皮带机、电动车等。对于永磁同步电机、尤其表贴式永磁同步电机的启动而言，应用该技术可使得电机平稳启动至中高速，然后采用适当的切换技术将控制切换为中高速运行区间的控制方法，例如基于基波模型的转子位置辨识的无传感器矢量控制方法。对于永磁同步电机、尤其表贴式永磁同步电机的调速而言，该技术可实现电机的速度控制，但不能实现位置控制。对于永磁同步电机、尤其表贴式永磁同步电机的停机而言，当电机转速下降至一定值时，采用适当的切换技术将控制切换为本控制技术，可实现电机的平稳停机。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。