一种基于方波注入的同步磁阻电机控制方法及应用

本申请涉及同步磁阻电机控制领域，更具体地，涉及一种基于方波注入的同步磁阻电机控制方法、一种基于方波注入的同步磁阻电机控制装置、一种电子设备以及一种计算机可读存储介质。

背景技术：

1、基于高频方波注入的转子定位算法是利用方波信号注入时响应高频电流幅值相等而极性相反的特性进行无滤波器信号分离，由于采样间隔短，一般忽略基频或者其他低频电流的变化，然后输入如锁相环、龙贝格观测器等模块进行转子位置信息解算。然而，这些现有方式未考虑模型预测控制系统的特性，如两轴电流波动大，负载变化或调速时会出现电流剧烈上升或下降，传统的信号分离方法无法抑制电流剧烈变化引入的误差，这使得在模型预测控制系统使用方波注入法无感控制的效果不佳，甚至在一些负载变化频繁或调速频繁的工况下完全不能适用。

2、在实际应用中，方波注入法的注入幅值不能设置得太大，以避免超出电压极限圆或出现过大的转矩脉动。然而，现有的模型预测电流控制算法响应快，使得电流变动剧烈，在一些工况变化频繁的情况下，一个采样周期内基频及其他低频电流的变化量可以达到d轴高频响应电流的20％，对于非注入轴q轴，这个影响尤其大，甚至可以掩盖掉q轴的高频响应电流。因此，基于方波注入法的无感控制策略对于分离出的高频信号的质量有依赖性，在用于模型预测控制系统时往往性能不佳。

技术实现思路

1、针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于方波注入的同步磁阻电机控制方法及应用，旨在解决现有的基于方波注入法进行无感控制时精度和稳定性不佳，难以在负载变化频繁或调速频繁的工况下适用的问题。

2、为实现上述目的，按照本发明的第一个方面，提供了一种基于方波注入的同步磁阻电机控制方法，包括：建立电机转子同步速坐标系，根据预设顺序在同步速坐标系d轴注入高频方波信号，并基于所述高频方波信号分离出高频响应电流；根据所述高频响应电流分离出剩余电流成分作为电流当前值输入控制器对电机进行模型预测电流控制，设置价值函数并选取电流预测参考值和电压矢量，使用电流预测值与电流当前值进行电流波动值预测；根据预测的电流波动值对分离出的高频响应电流进行补偿，将补偿后的高频响应电流转换至αβ坐标系下进行矢量叉乘分离出位置误差信号，将位置误差信号作为pll型观测器的输入对转子位置进行定位。

3、在本发明的一个实施例中，建立电机转子同步速坐标系得到电压方程和磁链方程分别为：其中，ud和uq分别表示d轴电压和q轴电压，id和iq分别表示d轴电流和q轴电流；ωe为转子电角速度(单位为rad/s)；ψd和ψq分别为d轴磁链和q轴磁链，rs表示定子电阻，p表示微分算子，ld和lq分别表示d轴电感和q轴电感。

4、在本发明的一个实施例中，基于所述高频方波信号通过两次采样值计算出高频响应电流表示为：其中，与分别表示系统第k次采样时高频响应电流计算值，id(k)与iq(k)是第k次采样的dq轴电流值，id(k-1)与iq(k-1)是第(k-1)次采样的dq轴电流值。

5、在本发明的一个实施例中，所述基于方波注入的同步磁阻电机控制方法还包括：将同步速坐标系下的电压方程在离散域中用欧拉近似变换为：式中ts表示采样步长；用已知的采样值表示下一步时的电流预测值，假设此时为系统的第k次采样时刻，则电流预测值表达式为：式中idp和iqp表示第(k+1)次采样时刻的电流预测值。

6、在本发明的一个实施例中，所述使用电流预测值与电流当前值进行电流波动值预测包括：以上一采样时刻的电流预测值idp(k-1)和iqp(k-1)作为这一采样刻的idf(k)与iqf(k)，以这一采样时刻解算出的电流参考值作为下一采样时刻的idf(k+1)与iqf(k+1)，以此对δidq(k+1)进行预测。

7、在本发明的一个实施例中，所述根据电流波动值预测对分离出的高频响应电流进行补偿，包括：对δidq(k+1)进行预测表达式为：式中与为dq轴电流波动预测值；根据dq轴电流波动预测值对高频响应电流分离进行补偿，其表达式为：

8、按照本发明的第二个方面，还提供了一种基于方波注入的同步磁阻电机控制装置，其包括：高频响应电流分离模块，用于建立电机转子同步速坐标系，根据预设顺序在同步速坐标系d轴注入高频方波信号，并基于所述高频方波信号分离出高频响应电流；电流波动值预测模块，用于根据所述高频响应电流分离出剩余电流成分作为电流当前值输入控制器对电机进行模型预测电流控制，设置价值函数并选取电流预测参考值和电压矢量，使用电流预测值与电流当前值进行电流波动值预测；高频响应电流补偿模块，用于根据预测的电流波动值对分离出的高频响应电流进行补偿，将补偿后的高频响应电流转换至αβ坐标系下进行矢量叉乘分离出位置误差信号，将位置误差信号作为pll型观测器的输入对转子位置进行定位。

9、在本发明的一个实施例中，电流波动值预测模块具体用于：以上一采样时刻的电流预测值idp(k-1)和iqp(k-1)作为这一采样刻的idf(k)与iqf(k)，以这一采样时刻解算出的电流参考值作为下一采样时刻的idf(k+1)与iqf(k+1)，以此对δidq(k+1)进行预测。

10、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

11、通过建立电机转子同步速坐标系，根据预设顺序在同步速坐标系d轴注入高频方波信号，并基于高频方波信号分离出高频响应电流，以此分离出剩余电流成分作为电流当前值输入控制器对电机进行模型预测电流控制，设置价值函数并选取电流预测参考值和电压矢量，使用电流预测值与电流当前值进行电流波动值预测，根据电流波动值预测对分离出的高频响应电流进行补偿，从而提升方波注入法无感控制用于模型预测控制器时的精度与稳定性。

技术特征：

1.一种基于方波注入的同步磁阻电机控制方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于方波注入的同步磁阻电机控制方法，其特征在于，建立电机转子同步速坐标系得到电压方程和磁链方程分别为：

3.根据权利要求2所述的基于方波注入的同步磁阻电机控制方法，其特征在于，基于所述高频方波信号通过两次采样值计算出高频响应电流表示为：其中，与分别表示系统第k次采样时高频响应电流计算值，id(k)与iq(k)是第k次采样的dq轴电流值，id(k-1)与iq(k-1)是第(k-1)次采样的dq轴电流值。

4.根据权利要求3所述的基于方波注入的同步磁阻电机控制方法，其特征在于，还包括：

5.根据权利要求4所述的基于方波注入的同步磁阻电机控制方法，其特征在于，所述使用电流预测值与电流当前值进行电流波动值预测包括：

6.根据权利要求5所述的基于方波注入的同步磁阻电机控制方法，其特征在于，所述根据电流波动值预测对分离出的高频响应电流进行补偿，包括：

7.一种基于方波注入的同步磁阻电机控制装置，其特征在于，包括：

8.根据权利要求7所述的基于方波注入的同步磁阻电机控制装置，其特征在于，电流波动值预测模块具体用于：

9.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器和连接所述存储器的一个或多个处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器用于执行所述计算机程序以实现如权利要求1-6中任意一项所述的基于方波注入的同步磁阻电机控制方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于执行如权利要求1-6中任意一项所述的基于方波注入的同步磁阻电机控制方法。

技术总结
本申请公开了一种基于方波注入的同步磁阻电机控制方法，包括：建立电机转子同步速坐标系，在同步速坐标系d轴注入高频方波信号并分离出高频响应电流；根据高频响应电流分离出剩余电流成分作为电流当前值输入控制器对电机进行模型预测电流控制，设置价值函数并选取电流预测参考值和电压矢量，使用电流预测值与电流当前值进行电流波动值预测；根据电流波动值预测对分离出的高频响应电流进行补偿，将补偿后的高频响应电流转换至αβ坐标系下进行矢量叉乘分离出位置误差信号，将位置误差信号作为PLL型观测器的输入对转子位置进行定位。其可以解决基于方波注入法进行无感控制时精度和稳定性不佳，难以在负载变化频繁或调速频繁的工况下适用的问题。

技术研发人员：罗伊逍,黄煜昊,杨凯,李黎,王旭明
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/10