CN111682817B - 内嵌式永磁同步电机的控制方法及装置 - Google Patents

内嵌式永磁同步电机的控制方法及装置 Download PDF

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CN111682817B CN202010610101.6A CN202010610101A CN111682817B CN 111682817 B CN111682817 B CN 111682817B CN 202010610101 A CN202010610101 A CN 202010610101A CN 111682817 B CN111682817 B CN 111682817B
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Abstract

本发明提供的内嵌式永磁同步电机的控制方法及装置，获取当前时刻的定子电压、定子电流、转子磁链和转子磁链角速度，输入定子电压预测模型，输出参考定子电压；对参考定子电压进行克拉克变换并确定参考定子电压所处扇区和待选电压矢量；根据参考定子电压和待选电压矢量确定最优电压矢量，利用最优电压矢量控制电机运行。在本方案中，利用定子电压预测模型预测下一周期预施加的参考定子电压，通过参考定子电压所处扇区确定待选电压矢量，减少对所有电压矢量进行预测的计算量，且通过该种方式确定待选电压矢量可以消除三个桥臂同时换流的工作状态和减小两个桥臂同时换流的工作状态，从而降低开关频率，实现提高内嵌式永磁同步电机的控制效果的目的。

Description

内嵌式永磁同步电机的控制方法及装置
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种内嵌式永磁同步电机的控制方法及装置。
背景技术
内嵌式永磁同步电机具有高效率、高功率密度与高功率因数等优点，因而在诸多领域得到推广应用。
目前，针对内嵌式永磁同步电机的控制主要有以下两种方式：传统矢量控制和直接转矩控制。传统矢量控制具有稳态性能好、转矩脉动小等优点，但是由于其电流内环一般基于PI控制器进行设计，会出现积分饱和、d轴和q轴电流控制相互影响等问题，这使得其电流环动态响应能力受限。直接转矩控制以电磁转矩和磁链作为直接控制目标，不采用电流调节器与坐标变换，具有结构简单、动态响应快速和参数鲁棒性强等优点；然而，该种控制方式存在稳态性能差、转矩纹波大等问题。
因此，本领域技术人员亟需提出一种更好的内嵌式永磁同步电机的控制方式。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种内嵌式永磁同步电机的控制方法及装置，以实现提高内嵌式永磁同步电机的控制效果的目的。
为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
一方面，本发明实施例提供一种内嵌式永磁同步电机的控制方法，所述控制方法包括：
获取当前时刻内嵌式永磁同步电机运行过程中的定子电压us(k)、定子电流is(k)、转子磁链ψr和转子磁链角速度ωe；
将定子电压us(k)、定子电流is(k)、转子磁链ψr和转子磁链角速度ωe作为预先建立的定子电压预测模型的输入执行定子电压预测，输出下一时刻的参考定子电压
Figure BDA0002560685510000021
所述定子电压预测模型基于所述内嵌式永磁同步电机的定子电压方程构建，k指示当前时刻，P指示预测值，下角标s指示定子；
对所述参考定子电压
Figure BDA0002560685510000022
进行克拉克CLARK变换，并利用得到的两相静止坐标系下的α相参考定子电压
Figure BDA0002560685510000023
和β相参考定子电压
Figure BDA0002560685510000024
计算参考定子电压矢量位置角；
根据所述参考定子电压矢量位置角确定所述参考定子电压
Figure BDA0002560685510000025
所处扇区，选择所述扇区中的非零电压矢量和零电压矢量作为待选电压矢量；
计算所述参考定子电压
Figure BDA0002560685510000026
和所述待选电压矢量的绝对差值，选择得到最小绝对差值的待选电压矢量为最优电压矢量，并利用所述最优电压矢量控制所述内嵌式永磁同步电机运行。
可选的，所述基于所述内嵌式永磁同步电机的定子电压方程构建所述定子电压预测模型，包括：
获取定子和转子磁场同步旋转构建的同步旋转坐标系下，所述内嵌式永磁同步电机的定子电压方程；
利用前向欧拉公式对所述定子电压方程进行离散化处理，并利用处理后的定子电压方程、当前时刻的定子电流和转子磁链角速度构建定子电流预测模型；
对当前时刻的转子磁链角速度进行有效补偿，并基于所述定子电流预测模型、定子电流给定值和有效补偿后的转子磁链角速度构建定子电压预测模型。
可选的，所述对所述参考定子电压
Figure BDA0002560685510000027
进行克拉克CLARK变换，并利用得到的两相静止坐标系下α相参考定子电压
Figure BDA0002560685510000028
和β相参考定子电压
Figure BDA0002560685510000029
计算参考定子电压矢量位置角，包括：
对所述参考定子电压
Figure BDA00025606855100000210
进行克拉克CLARK变换，将所述参考定子电压
Figure BDA00025606855100000211
变换至两相定子α-β坐标系下；
获取所述参考定子电压
Figure BDA00025606855100000212
在两相定子α-β坐标系中α相上的α相参考定子电压
Figure BDA00025606855100000213
以及β相上的β相参考定子电压
Figure BDA00025606855100000214
基于所述α相参考定子电压
Figure BDA00025606855100000215
和β相参考定子电压
Figure BDA00025606855100000216
计算参考定子电压矢量位置角θ，其中，
Figure BDA0002560685510000031
可选的，所述根据所述参考定子电压矢量位置角确定所述参考定子电压
Figure BDA0002560685510000032
所处扇区，选择所述扇区中的非零矢量和零矢量作为待选电压矢量，包括：
确定由空间电压矢量所围成的六个扇区分布区域，每一扇区包括1个非零电压矢量和2个零电压矢量，根据所述参考定子电压矢量位置角在所述六个扇区中，确定所述参考定子电压
Figure BDA0002560685510000033
所处扇区；
选取所述扇区内的非零电压矢量；
根据所述非零电压矢量的开关状态，由所述扇区的2个零电压矢量中选取与所述非零电压矢量的开关状态不同的待选零电压矢量，将所选取的所述非零电压矢量和所述待选零电压矢量作为待选电压矢量。
可选的，所述计算所述参考定子电压
Figure BDA0002560685510000034
和所述待选电压矢量的绝对差值，选择得到最小绝对差值的待选电压矢量为最优电压矢量，并利用所述最优电压矢量控制所述内嵌式永磁同步电机运行，包括：
计算所述参考定子电压
Figure BDA0002560685510000035
与所述待选电压矢量中的非零电压矢量的绝对差值，得到第一绝对差值；
计算所述参考定子电压
Figure BDA0002560685510000036
与所述待选电压矢量中的待选零电压矢量的绝对差值，得到第二绝对差值；
比较所述第一绝对差值和所述第二绝对差值的大小，确定最小绝对差值，将计算所述最小绝对差值所使用的待选电压矢量为最优电压矢量；
或，按照绝对差值由大至小的方式对所述第一绝对差值和所述第二绝对差值进行排序，选取计算最小绝对差值所使用的待选电压矢量为最优电压矢量；
利用所述最优电压矢量控制所述内嵌式永磁同步电机运行。
另一方面，本发明实施例提供一种内嵌式永磁同步电机的控制装置，所述控制装置包括：
获取单元，用于获取当前时刻内嵌式永磁同步电机运行过程中的定子电压us(k)、定子电流is(k)、转子磁链ψr和转子磁链角速度ωe；
定子电压预测单元，用于将定子电压us(k)、定子电流is(k)、转子磁链ψr和转子磁链角速度ωe作为预先建立的定子电压预测模型的输入执行定子电压预测，输出下一时刻的参考定子电压
Figure BDA0002560685510000041
所述定子电压预测模型基于所述内嵌式永磁同步电机的定子电压方程构建，k指示当前时刻，P指示预测值，下角标s指示定子；
参考定子电压矢量位置角确定单元，用于对所述参考定子电压
Figure BDA0002560685510000042
进行克拉克CLARK变换，并利用得到的两相静止坐标系下的α相参考定子电压
Figure BDA0002560685510000043
和β相参考定子电压
Figure BDA0002560685510000044
计算参考定子电压矢量位置角；
待选电压矢量确定单元，用于根据所述参考定子电压矢量位置角确定所述参考定子电压
Figure BDA0002560685510000045
所处扇区，选择所述扇区中的非零电压矢量和零电压矢量作为待选电压矢量；
控制单元，用于计算所述参考定子电压
Figure BDA0002560685510000046
和所述待选电压矢量的绝对差值，选择得到最小绝对差值的待选电压矢量为最优电压矢量，并利用所述最优电压矢量控制所述内嵌式永磁同步电机运行。
可选的，所述控制装置还包括：构建单元，所述构建单元包括：
第一获取模块，用于获取定子和转子磁场同步旋转构建的同步旋转坐标系下，所述内嵌式永磁同步电机的定子电压方程；
处理模块，用于利用前向欧拉公式对所述定子电压方程进行离散化处理；
构建模块，用于利用所述处理模块处理后的定子电压方程、当前时刻的定子电流和转子磁链角速度构建定子电流预测模型；对当前时刻的转子磁链角速度进行有效补偿，并基于所述定子电流预测模型、定子电流给定值和有效补偿后的转子磁链角速度构建定子电压预测模型。
可选的，所述参考定子电压矢量位置角确定单元包括：
变换模块，用于对所述参考定子电压
Figure BDA0002560685510000047
进行克拉克CLARK变换，将所述参考定子电压
Figure BDA0002560685510000048
变换至两相定子α-β坐标系下；
第二获取模块，用于获取所述参考定子电压
Figure BDA0002560685510000049
在两相定子α-β坐标系中α相上的α相参考定子电压
Figure BDA00025606855100000410
以及β相上的β相参考定子电压
Figure BDA00025606855100000411
第一计算模块，用于基于所述α相参考定子电压
Figure BDA0002560685510000051
和β相参考定子电压
Figure BDA0002560685510000052
计算参考定子电压矢量位置角θ，其中，
Figure BDA0002560685510000053
可选的，所述待选电压矢量确定单元，包括：
扇区确定模块，用于确定由空间电压矢量所围成的六个扇区分布区域，每一扇区包括1个非零电压矢量和2个零电压矢量，根据所述参考定子电压矢量位置角在所述六个扇区中，确定所述参考定子电压
Figure BDA0002560685510000054
所处扇区；
选取模块，用于选取所述扇区内的非零电压矢量；
待选电压矢量确定模块，用于根据所述非零电压矢量的开关状态，由所述扇区的2个零电压矢量中选取与所述非零电压矢量的开关状态不同的待选零电压矢量，将所选取的所述非零电压矢量和所述待选零电压矢量作为待选电压矢量。
可选的，所述控制单元，包括：
第二计算模块，用于计算所述参考定子电压
Figure BDA0002560685510000055
与所述待选电压矢量中的非零电压矢量的绝对差值，得到第一绝对差值，计算所述参考定子电压
Figure BDA0002560685510000056
与所述待选电压矢量中的待选零电压矢量的绝对差值，得到第二绝对差值；
处理模块，用于比较所述第一绝对差值和所述第二绝对差值的大小，确定最小绝对差值，将计算所述最小绝对差值所使用的待选电压矢量为最优电压矢量；或，按照绝对差值由大至小的方式对所述第一绝对差值和所述第二绝对差值进行排序，选取计算最小绝对差值所使用的待选电压矢量为最优电压矢量；
控制模块，用于利用所述最优电压矢量控制所述内嵌式永磁同步电机运行。
基于上述本发明实施例提供的内嵌式永磁同步电机的控制方法及装置，获取当前时刻内嵌式永磁同步电机运行过程中的定子电压、定子电流、转子磁链和转子磁链角速度；将定子电压、定子电流、转子磁链和转子磁链角速度作为预先建立的定子电压预测模型的输入执行定子电压预测，输出下一时刻的参考定子电压，所述定子电压预测模型基于内嵌式永磁同步电机的定子电压方程构建；对参考定子电压进行克拉克CLARK变换，并利用得到的两相静止坐标下的α相参考定子电压和β相参考定子电压计算参考定子电压矢量位置角；根据参考定子电压矢量位置角确定参考定子电压所处扇区，选择扇区中的非零电压矢量和零电压矢量作为待选电压矢量；计算参考定子电压和待选电压矢量的绝对差值，选择得到最小绝对差值的待选电压矢量为最优电压矢量，并利用最优电压矢量控制内嵌式永磁同步电机运行。
在本发明实施例提供的方案中，利用定子电压预测模型预测下一周期预施加的参考定子电压，通过参考定子电压所处扇区确定待选电压矢量，减少对所有电压矢量进行预测的计算量，且通过该种方式确定待选电压矢量可以消除三个桥臂同时换流的工作状态和减小两个桥臂同时换流的工作状态，从而降低开关频率，实现提高内嵌式永磁同步电机的控制效果的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种内嵌式永磁同步电机的控制方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种扇区分布示例图；
图3为本发明实施例提供的一种电压矢量选择图；
图4为本发明实施例提供的一种内嵌式永磁同步电机的控制装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本申请中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。
由背景技术可知，针对内嵌式永磁同步电机的控制主要有传统矢量控制和直接转矩控制的方式，但传统矢量控制存在电流环动态响应能力受限的缺陷，直接转矩控制存在稳态性能差、转矩纹波大等问题。因而无法对内嵌式永磁同步电机进行很好的控制。
有鉴于此，本发明实施例提供一种内嵌式永磁同步电机的控制方法及装置，以实现提高内嵌式永磁同步电机的控制效果的目的。具体实现方式通过以下实施例进行详细说明。
请参见图1，为本发明实施例提供的一种内嵌式永磁同步电机的控制方法的流程示意图。该控制方法包括：
步骤S101：获取当前时刻内嵌式永磁同步电机运行过程中的定子电压us(k)、定子电流is(k)、转子磁链ψr和转子磁链角速度ωe。
其中，k指示当前时刻，下角标s指示定子。
步骤S102：将定子电压us(k)、定子电流is(k)、转子磁链ψr和转子磁链角速度ωe作为预先建立的定子电压预测模型的输入执行定子电压预测，输出下一时刻的参考定子电压
Figure BDA0002560685510000071
其中，P指示预测值。
Figure BDA0002560685510000072
表示k+1时刻，即下一时刻的定子电压预测值。
在步骤S102中所涉及到的定子电压预测模型基于内嵌式永磁同步电机的定子电压方程构建。具体构建该定子电压预测模型的过程包括以下步骤：
步骤S21：获取定子和转子磁场同步旋转构建的同步旋转坐标系下，内嵌式永磁同步电机的定子电压方程。
在步骤S21中，同步旋转坐标系指取永磁体基波励磁磁场轴线(转子磁极轴线)为d轴(直轴)、逆时针方向超前d轴90度空间电角度的磁场轴线为q轴(交轴)的坐标系。也就是d-q轴坐标系。
该d-q轴坐标系随同转子以转子磁链角速度一道旋转。
在具体实现步骤S21的过程中，获取同步旋转坐标系下，内嵌式永磁同步电机的定子电压方程为：
us＝(Ldqs+Rs)is+jωe(Ldqis+ψr) (1)
在公式(1)中，us表示定子电压，is表示定子电流，Rs表示定子电阻，Ldq表示定子交直轴电抗，ψr为转子磁链，ωe为转子磁链角速度，下角标s指示定子，系数s表示微分算子。
步骤S22：利用前向欧拉公式对定子电压方程进行离散化处理，并利用处理后的定子电压方程、当前时刻的定子电流和转子磁链角速度构建定子电流预测模型。
在具体实现步骤S22的过程中，先利用前向欧拉公式对定子电压方程进行离散化处理，得到处理后的定子电压方程为：
Figure BDA0002560685510000081
在公式(2)中，M指示采样值；
Figure BDA0002560685510000082
表示k时刻，即当前时刻的定子电流采样值；
Figure BDA0002560685510000083
表示k+1时刻，即下一时刻的定子电流预测值；Ts表示采样周期；j表示复数；ωe(k)表示k时刻，即当前时刻的转子磁链角速度；
Figure BDA0002560685510000084
表示k时刻，即当前时刻的定子电压预测值。
再根据公式(2)变换，得到定子电流预测模型为：
Figure BDA0002560685510000085
步骤S23：对当前时刻的转子磁链角速度进行有效补偿，并基于定子电流预测模型、定子电流给定值和有效补偿后的转子磁链角速度构建定子电压预测模型。
在实际应用中，由于数字控制存在一拍延时，当前时刻选择的电压矢量在下一时刻才作用于系统，对系统的控制性能造成了不利影响。当采用频率较低时，一拍延时带来的负面影响将更加严重。
因此，执行步骤S23对当前时刻的转子磁链角速度进行有效补偿，并基于定子电流预测模型、定子电流给定值和有效补偿后的转子磁链角速度构建定子电压预测模型。
在执行步骤S23对当前时刻的转子磁链角速度进行有效补偿的过程中，考虑到系统的机械惯性很大，下一时刻的转子磁链角速度ωe(k+1)可以近似等于当前时刻的转子磁链角速度ωe(k)，即：
ωe(k)＝ωe(k+1) (4)
结合公式(3)、定子电流给定值和公式(4)可以得到对一拍延时进行有效补偿的定子电压预测模型：
Figure BDA0002560685510000091
在公式(5)中，
Figure BDA0002560685510000092
为定子电流给定值，且
Figure BDA0002560685510000093
步骤S103：对参考定子电压
Figure BDA0002560685510000094
进行克拉克CLARK变换，并利用得到的两相静止坐标系下的α相参考定子电压
Figure BDA0002560685510000095
和β相参考定子电压
Figure BDA0002560685510000096
计算参考定子电压矢量位置角。
在步骤S103中，两相静止坐标系指的是两相α-β坐标系，α轴和三相定子坐标系的A轴重合，β轴逆时针超前α轴90度空间电角度。
克拉克CLARK变换指的是将原来的三相绕组上的电压回路方程式简化成两相绕组上的电压回路方程式，从三相静止坐标系变换到两相静止坐标系。克拉克CLARK变换也称为3/2变换。
步骤S104：根据参考定子电压矢量位置角确定参考定子电压
Figure BDA0002560685510000097
所处扇区，选择扇区中的非零电压矢量和零电压矢量作为待选电压矢量。
在步骤S104中，扇区指的是电压矢量基于空间位置的不同所分布的区域。
非零电压矢量指的是矢量幅值不为零的电压矢量。
零电压矢量指的是矢量幅值为零的电压矢量。
步骤S105：计算参考定子电压
Figure BDA0002560685510000098
和待选电压矢量的绝对差值，选择得到最小绝对差值的待选电压矢量为最优电压矢量，并利用最优电压矢量控制内嵌式永磁同步电机运行。
在具体实现步骤S105的过程中，计算参考定子电压
Figure BDA0002560685510000099
与待选电压矢量的绝对差值，也就是计算参考定子电压
Figure BDA00025606855100000910
与待选电压矢量的差值，再取绝对值，得到参考定子电压
Figure BDA0002560685510000101
与待选电压矢量的绝对差值。
可选的，根据公式(6)计算参考定子电压
Figure BDA0002560685510000102
和待选电压矢量的绝对差值：
Figure BDA0002560685510000103
在公式(6)中，
Figure BDA0002560685510000104
表示待选电压矢量。g表示参考定子电压
Figure BDA0002560685510000105
和待选电压矢量的绝对差值。
本发明实施例提供的内嵌式永磁同步电机的控制方法，利用定子电压预测模型预测下一周期预施加的参考定子电压，通过参考定子电压所处扇区确定待选电压矢量，减少对所有电压矢量进行预测的计算量，且通过该种方式确定待选电压矢量可以消除三个桥臂同时换流的工作状态和减小两个桥臂同时换流的工作状态，从而降低开关频率，实现提高内嵌式永磁同步电机的控制效果的目的。
基于上述图1本发明实施例公开的内嵌式永磁同步电机的控制方法，具体执行步骤S103对参考定子电压
Figure BDA0002560685510000106
进行克拉克CLARK变换，并利用得到的两相静止坐标系下的α相参考定子电压
Figure BDA0002560685510000107
和β相参考定子电压
Figure BDA0002560685510000108
计算参考定子电压矢量位置角的过程，包括：
步骤S31：对参考定子电压
Figure BDA0002560685510000109
进行克拉克CLARK变换，将参考定子电压
Figure BDA00025606855100001010
变换至两相定子α-β坐标系下。
在步骤S31中，两相定子α-β坐标系为两相静止坐标系。
在两相定子α-β坐标系中，定义α轴与三相静止坐标系的A轴重合，β轴逆时针超前α轴90度空间电角度。
在具体实现步骤S31的过程中，基于同步旋转坐标系与两相定子α-β坐标系之间的坐标变换关系，对参考定子电压进行克拉克CLARK变换，将参考定子电压从同步旋转坐标系变换至两相定子α-β坐标系，得到参考定子电压在两相定子α-β坐标系中α相上的α相参考定子电压
Figure BDA00025606855100001011
和β相上的β相参考定子电压
Figure BDA00025606855100001012
步骤S32：获取参考定子电压
Figure BDA00025606855100001013
在两相定子α-β坐标系中α相上的α相参考定子电压
Figure BDA00025606855100001014
以及β相上的β相参考定子电压
Figure BDA00025606855100001015
步骤S33：基于α相参考定子电压
Figure BDA0002560685510000111
和β相参考定子电压
Figure BDA0002560685510000112
计算参考定子电压矢量位置角θ。
在步骤S33中，基于公式(7)和α相参考定子电压
Figure BDA0002560685510000113
和β相参考定子电压
Figure BDA0002560685510000114
计算参考定子电压矢量位置角θ。
Figure BDA0002560685510000115
在本发明实施例中，利用克拉克CLARK变换将参考定子电压变换到两相定子坐标系，分别得到α相和β相上的参考定子电压，再基于α相和β相上的参考定子电压计算得到参考定子电压矢量位置角，能够为后续确定参考定子电压所处扇区提供依据。
基于上述图1本发明实施例公开的内嵌式永磁同步电机的控制方法，具体执行步骤S104根据参考定子电压矢量位置角确定参考定子电压
Figure BDA0002560685510000116
所处扇区，选择扇区中的非零电压矢量和零电压矢量作为待选电压矢量的过程，包括：
步骤S41：确定由空间电压矢量所围成的六个扇区分布区域，每一扇区包括1个非零电压矢量和2个零电压矢量，根据参考定子电压矢量位置角在六个扇区中，确定参考定子电压
Figure BDA0002560685510000117
所处扇区。
在步骤S41中，空间电压矢量指的是基本空间电压矢量。
在具体实现步骤S41的过程中，由于电机控制器是三相全桥逆变器，有三个桥臂，其输出分别对应六个非零电压矢量和两个零电压矢量。可选的，由空间电压矢量所围成的六个扇区分布区域可以如图2所示，包括：扇区1、扇区2、扇区3、扇区4、扇区5和扇区6。每个扇区包括一个幅值相等的非零电压矢量和两个零电压矢量。
如图2所示，以u1～u6表示扇区中的非零电压矢量，u0(图中未示出)和u7(图中未示出)表示零电压矢量。其中，u1对应扇区1中的非零电压矢量，u2对应扇区2中的非零电压矢量，u3对应扇区3中的非零电压矢量，u4对应扇区4中的非零电压矢量，u5对应扇区5中的非零电压矢量，u6对应扇区6中的非零电压矢量。需要说明的是，每个扇区包括的两个零电压矢量都是一样的。基于图2示例，也就是说，每个扇区所包含的零电压矢量均为u0和u7。
在三相全桥逆变器中，将三相全桥逆变器的上部元件的导通规定为1，关断规定为0。则三相全桥逆变器共有000、001、010、011、100、101、110和111八种开关状态。
如图3所示，000和111开关状态均表示零电压矢量，使三相全桥逆变器输出电压为零。001、010、011、100、101和110开关状态均表示非零电压矢量，使三相全桥逆变器输出电压不为零。
然后结合图2的扇区分布区域，图3中的开关状态100表示扇区1中的非零电压矢量u1，图3中的开关状态110表示扇区2中的非零电压矢量u2，图3中的开关状态010表示扇区3中的非零电压矢量u3，图3中的开关状态011表示扇区4中的非零电压矢量u4，图3中的开关状态001表示扇区2中的非零电压矢量u5，图3中的开关状态101表示扇区6中的非零电压矢量u6。图3中的开关状态000和111开关状态表示扇区1至扇区6中的两个零电压矢量u0和u7。
由于电压矢量具有方向性，在三相全桥逆变器具体运行过程当中，各个扇区中的非零电压矢量之间的开关状态会发生变化，以及同一扇区中的零电压矢量和非零电压矢量之间的开关状态会发生变化。图3中所示出的虚线表示开关状态不改变，实线表示一个开关状态改变，点线表示两个开关状态改变。
步骤S42：选取扇区内的非零电压矢量。
结合图2示例，在执行步骤S41确定参考定子电压
Figure BDA0002560685510000121
在六个扇区中处于扇区1之后，执行步骤S42将与扇区1对应的u1选为非零电压矢量。
步骤S43：根据非零电压矢量的开关状态，由扇区的2个零电压矢量中选取与非零电压矢量的开关状态不同的待选零电压矢量，将所选取的非零电压矢量和待选零电压矢量作为待选电压矢量。
在具体实现步骤S43的过程中，基于确定的非零电压矢量的开关状态，在同一扇区中，选择与该非零电压矢量的开关状态不同的待选零电压矢量。
结合图2和图3举例说明：若基于执行步骤S41确定参考定子电压
Figure BDA0002560685510000122
处于扇区1，选取扇区1中的非零电压矢量为u1作为非零电压矢量，u1对应的开关状态为100，扇区1中的两个零电压矢量的开关状态分别为000和111，其中，开关状态为000的零电压矢量与非零电压矢量的开关状态不同，因此选取与非零电压矢量的开关状态不同的零电压矢量即u0为待选零电压矢量。
最终，选取的待选电压矢量为非零电压矢量u1和待选零电压矢量u0。
在本发明实施例中，基于参考定子电压矢量位置角确定参考定子电压所处的扇区，再通过参考定子电压所处扇区确定待选电压矢量，不需要对每个扇区中的电压矢量作用下的系统行为进行预测，可以将现有技术中的8次预测减小到2次预测，从而减小计算量。并通过该种方式确定待选电压矢量可以消除三个桥臂同时换流的工作状态和减小两个桥臂同时换流的工作状态，从而降低开关频率，实现提高内嵌式永磁同步电机的控制效果的目的。
基于上述图1本发明实施例公开的内嵌式永磁同步电机的控制方法，具体执行步骤S105计算参考定子电压
Figure BDA0002560685510000131
和待选电压矢量的绝对差值，选择得到最小绝对差值的待选电压矢量为最优电压矢量，并利用最优电压矢量控制内嵌式永磁同步电机运行的过程可以采用多种实现方式。
第一种实现方式：
步骤S51：计算参考定子电压
Figure BDA0002560685510000132
与待选电压矢量中的非零电压矢量的绝对差值，得到第一绝对差值。
步骤S52：计算参考定子电压
Figure BDA0002560685510000133
与待选电压矢量中的待选零电压矢量的绝对差值，得到第二绝对差值。
上述步骤S51、步骤S52的执行顺序不分先后。
基于公式(6)执行步骤S51，
Figure BDA0002560685510000134
表示待选电压矢量中的非零电压矢量。基于公式(6)执行步骤S52，
Figure BDA0002560685510000135
表示待选电压矢量中的待选零电压矢量。
步骤S53：比较第一绝对差值和第二绝对差值的大小，确定最小绝对差值，将计算最小绝对差值所使用的待选电压矢量为最优电压矢量。
在具体实现步骤S53的过程中，如果第一绝对差值小于第二绝对差值，将计算第一绝对差值所使用的待选电压矢量中的非零电压矢量作为最优电压矢量。
如果第一绝对差值大于第二绝对差值，将计算第二绝对差值所使用的待选电压矢量中的待选零电压矢量作为最优电压矢量。
步骤S54：利用最优电压矢量控制内嵌式永磁同步电机运行。
第二种实现方式：
步骤S55：计算参考定子电压
Figure BDA0002560685510000136
与待选电压矢量中的非零电压矢量的绝对差值，得到第一绝对差值。
步骤S56：计算参考定子电压
Figure BDA0002560685510000141
与待选电压矢量中的待选零电压矢量的绝对差值，得到第二绝对差值。
上述步骤S55、步骤S56的执行顺序不分先后。
基于公式(6)执行步骤S55，
Figure BDA0002560685510000142
表示待选电压矢量中的非零电压矢量。基于公式(6)执行步骤S56，
Figure BDA0002560685510000143
表示待选电压矢量中的待选零电压矢量。
步骤S57：按照绝对差值由大至小的方式对第一绝对差值和第二绝对差值进行排序，选取计算最小绝对差值所使用的待选电压矢量为最优电压矢量。
在具体实现步骤S57的过程中，如果第一绝对差值小于第二绝对差值，将计算第一绝对差值所使用的待选电压矢量中的非零电压矢量作为最优电压矢量。
如果第一绝对差值大于第二绝对差值，将计算第二绝对差值所使用的待选电压矢量中的待选零电压矢量作为最优电压矢量。
步骤S58：利用最优电压矢量控制内嵌式永磁同步电机运行。
在本发明实施例中，可以采用多种方式选择绝对差值最小的待选电压矢量作为最优电压矢量，利用该最优电压矢量控制内嵌式永磁同步电机运行，以提高对内嵌式永磁同步电机的控制效果。
上述本发明实施例公开了内嵌式永磁同步电机的控制方法，相应的，本发明实施例还公开一种内嵌式永磁同步电机的控制装置。
请参见图4，为本发明实施例提供的一种内嵌式永磁同步电机的控制装置的结构示意图。该控制装置包括：获取单元401、定子电压预测单元402、参考定子电压矢量位置角确定单元403、待选电压矢量确定单元404和控制单元405。
获取单元401用于：获取当前时刻内嵌式永磁同步电机运行过程中的定子电压us(k)、定子电流is(k)、转子磁链ψr和转子磁链角速度ωe。
定子电压预测单元402用于：将获取单元401获取的定子电压us(k)、定子电流is(k)、转子磁链ψr和转子磁链角速度ωe作为预先建立的定子电压预测模型的输入执行定子电压预测，输出下一时刻的参考定子电压
Figure BDA0002560685510000144
所述定子电压预测模型基于所述内嵌式永磁同步电机的定子电压方程构建，k指示当前时刻，P指示预测值，下角标s指示定子。
参考定子电压矢量位置角确定单元403用于：对参考定子电压
Figure BDA0002560685510000151
进行克拉克CLARK变换，并利用得到的两相静止坐标系下的α相参考定子电压
Figure BDA0002560685510000152
和β相参考定子电压
Figure BDA0002560685510000153
计算参考定子电压矢量位置角。
待选电压矢量确定单元404用于：根据参考定子电压矢量位置角确定参考定子电压
Figure BDA0002560685510000154
所处扇区，选择扇区中的非零电压矢量和零电压矢量作为待选电压矢量。
控制单元405用于：计算参考定子电压
Figure BDA0002560685510000155
和待选电压矢量的绝对差值，选择得到最小绝对差值的待选电压矢量为最优电压矢量，并利用最优电压矢量控制内嵌式永磁同步电机运行。
可选的，所述控制装置还包括：构建单元。所述构建单元包括：第一获取模块、处理模块和构建模块。
第一获取模块用于：获取定子和转子磁场同步旋转构建的同步旋转坐标系下，内嵌式永磁同步电机的定子电压方程。
处理模块用于：利用前向欧拉公式对第一获取模块获取的定子电压方程进行离散化处理。
构建模块用于：利用处理模块处理后的定子电压方程、当前时刻的定子电流和转子磁链角速度构建定子电流预测模型；对当前时刻的转子磁链角速度进行有效补偿，并基于定子电流预测模型、定子电流给定值和有效补偿后的转子磁链角速度构建定子电压预测模型。
可选的，参考定子电压矢量位置角确定单元包括：变换模块、第二获取模块和第一计算模块。
变换模块用于：对参考定子电压
Figure BDA0002560685510000156
进行克拉克CLARK变换，将参考定子电压
Figure BDA0002560685510000157
变换至两相定子α-β坐标系下。
第二获取模块用于：获取参考定子电压
Figure BDA0002560685510000158
在两相定子α-β坐标系中α相上的α相参考定子电压
Figure BDA0002560685510000159
以及β相上的β相参考定子电压
Figure BDA00025606855100001510
第一计算模块用于：基于α相参考定子电压
Figure BDA00025606855100001511
和β相参考定子电压
Figure BDA00025606855100001512
计算参考定子电压矢量位置角θ，其中，
Figure BDA00025606855100001513
可选的，待选电压矢量确定单元包括：扇区确定模块、选取模块和待选电压矢量确定模块。
扇区确定模块用于：确定由空间电压矢量所围成的六个扇区分布区域，每一扇区包括1个非零电压矢量和2个零电压矢量，根据参考定子电压矢量位置角在六个扇区中，确定参考定子电压
Figure BDA0002560685510000161
所处扇区。
选取模块用于：选取扇区确定模块确定的扇区内的非零电压矢量。
待选电压矢量确定模块用于：根据选取模块选取的非零电压矢量的开关状态，由扇区内的2个零电压矢量中选取与非零电压矢量的开关状态不同的待选零电压矢量，将所选取的非零电压矢量和待选零电压矢量作为待选电压矢量。
可选的，控制单元，包括：第二计算模块、处理模块和控制模块。
第二计算模块用于：计算参考定子电压
Figure BDA0002560685510000162
与待选电压矢量中的非零电压矢量的绝对差值，得到第一绝对差值，计算参考定子电压
Figure BDA0002560685510000163
与待选电压矢量中的待选零电压矢量的绝对差值，得到第二绝对差值。
处理模块用于：比较第二计算模块计算得到的第一绝对差值和第二绝对差值的大小，确定最小绝对差值，将计算最小绝对差值所使用的待选电压矢量为最优电压矢量；或，按照绝对差值由大至小的方式对第一绝对差值和第二绝对差值进行排序，选取计算最小绝对差值所使用的待选电压矢量为最优电压矢量。
控制模块用于：利用最优电压矢量控制所述内嵌式永磁同步电机运行。
上述本发明实施例公开的内嵌式永磁同步电机的控制装置中的各个单元以及各个单元中的模块的具体实现原理可参见上述本发明实施例公开的内嵌式永磁同步电机的控制方法中相应的内容，这里不再赘述。
基于本发明实施例提供的内嵌式永磁同步电机的控制装置，定子电压预测单元利用定子电压预测模型预测下一周期预施加的参考定子电压，待选电压矢量确定单元通过参考定子电压所处扇区确定待选电压矢量，减少对所有电压矢量进行预测的计算量，且通过该种方式确定待选电压矢量可以消除三个桥臂同时换流的工作状态和减小两个桥臂同时换流的工作状态，从而降低开关频率，实现提高内嵌式永磁同步电机的控制效果的目的。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种内嵌式永磁同步电机的控制方法，其特征在于，包括：
获取当前时刻内嵌式永磁同步电机运行过程中的定子电压us(k)、定子电流is(k)、转子磁链ψr和转子磁链角速度ωe；
将定子电压us(k)、定子电流is(k)、转子磁链ψr和转子磁链角速度ωe作为预先建立的定子电压预测模型的输入执行定子电压预测，输出下一时刻的参考定子电压
Figure FDA0003847657110000011
所述定子电压预测模型基于所述内嵌式永磁同步电机的定子电压方程构建，k指示当前时刻，P指示预测值，下角标s指示定子；
对所述参考定子电压
Figure FDA0003847657110000012
进行克拉克CLARK变换，并利用得到的两相静止坐标系下的α相参考定子电压
Figure FDA0003847657110000013
和β相参考定子电压
Figure FDA0003847657110000014
计算参考定子电压矢量位置角；
根据所述参考定子电压矢量位置角确定所述参考定子电压
Figure FDA0003847657110000015
所处扇区，选择所述扇区中的非零电压矢量和零电压矢量作为待选电压矢量；
计算所述参考定子电压
Figure FDA0003847657110000016
和所述待选电压矢量的绝对差值，选择得到最小绝对差值的待选电压矢量为最优电压矢量，并利用所述最优电压矢量控制所述内嵌式永磁同步电机运行；
所述基于所述内嵌式永磁同步电机的定子电压方程构建所述定子电压预测模型，包括：
获取定子和转子磁场同步旋转构建的同步旋转坐标系下，所述内嵌式永磁同步电机的定子电压方程；
利用前向欧拉公式对所述定子电压方程进行离散化处理，并利用处理后的定子电压方程、当前时刻的定子电流和转子磁链角速度构建定子电流预测模型；
对当前时刻的转子磁链角速度进行有效补偿，并基于所述定子电流预测模型、定子电流给定值和有效补偿后的转子磁链角速度构建定子电压预测模型；
所述定子电压预测模型为：
Figure FDA0003847657110000017
Rs表示定子电阻；
Figure FDA0003847657110000021
为定子电流给定值，且
Figure FDA0003847657110000022
Ldq表示定子交直轴电抗；
Figure FDA0003847657110000023
表示k+1时刻，即下一时刻的定子电流预测值；Ts表示采样周期；j表示复数；ωe(k)表示k时刻，即当前时刻的转子磁链角速度；
所述根据所述参考定子电压矢量位置角确定所述参考定子电压
Figure FDA0003847657110000024
所处扇区，选择所述扇区中的非零矢量和零矢量作为待选电压矢量，包括：
确定由空间电压矢量所围成的六个扇区分布区域，每一扇区包括1个非零电压矢量和2个零电压矢量，根据所述参考定子电压矢量位置角在所述六个扇区中，确定所述参考定子电压
Figure FDA0003847657110000025
所处扇区；
选取所述扇区内的非零电压矢量；
根据所述非零电压矢量的开关状态，由所述扇区的2个零电压矢量中选取与所述非零电压矢量的开关状态不同的待选零电压矢量，将所选取的所述非零电压矢量和所述待选零电压矢量作为待选电压矢量；
所述根据所述非零电压矢量的开关状态，由所述扇区的2个零电压矢量中选取与所述非零电压矢量的开关状态不同的待选零电压矢量，包括：
根据所述非零电压矢量的开关状态，由所述扇区的2个零电压矢量中选取与所述非零电压矢量的开关状态变化最小的待选零电压矢量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述参考定子电压
Figure FDA0003847657110000026
进行克拉克CLARK变换，并利用得到的两相静止坐标系下α相参考定子电压
Figure FDA0003847657110000027
和β相参考定子电压
Figure FDA0003847657110000028
计算参考定子电压矢量位置角，包括：
对所述参考定子电压
Figure FDA0003847657110000029
进行克拉克CLARK变换，将所述参考定子电压
Figure FDA00038476571100000210
变换至两相定子α-β坐标系下；
获取所述参考定子电压
Figure FDA00038476571100000211
在两相定子α-β坐标系中α相上的α相参考定子电压
Figure FDA00038476571100000212
以及β相上的β相参考定子电压
Figure FDA00038476571100000213
基于所述α相参考定子电压
Figure FDA00038476571100000214
和β相参考定子电压
Figure FDA00038476571100000215
计算参考定子电压矢量位置角θ，其中，
Figure FDA00038476571100000216
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算所述参考定子电压
Figure FDA00038476571100000217
和所述待选电压矢量的绝对差值，选择得到最小绝对差值的待选电压矢量为最优电压矢量，并利用所述最优电压矢量控制所述内嵌式永磁同步电机运行，包括：
计算所述参考定子电压
Figure FDA0003847657110000031
与所述待选电压矢量中的非零电压矢量的绝对差值，得到第一绝对差值；
计算所述参考定子电压
Figure FDA0003847657110000032
与所述待选电压矢量中的待选零电压矢量的绝对差值，得到第二绝对差值；
比较所述第一绝对差值和所述第二绝对差值的大小，确定最小绝对差值，将计算所述最小绝对差值所使用的待选电压矢量为最优电压矢量；
或，按照绝对差值由大至小的方式对所述第一绝对差值和所述第二绝对差值进行排序，选取计算最小绝对差值所使用的待选电压矢量为最优电压矢量；
利用所述最优电压矢量控制所述内嵌式永磁同步电机运行。
4.一种内嵌式永磁同步电机的控制装置，其特征在于，包括：
获取单元，用于获取当前时刻内嵌式永磁同步电机运行过程中的定子电压us(k)、定子电流is(k)、转子磁链ψr和转子磁链角速度ωe；
定子电压预测单元，用于将定子电压us(k)、定子电流is(k)、转子磁链ψr和转子磁链角速度ωe作为预先建立的定子电压预测模型的输入执行定子电压预测，输出下一时刻的参考定子电压
Figure FDA0003847657110000033
所述定子电压预测模型基于所述内嵌式永磁同步电机的定子电压方程构建，k指示当前时刻，P指示预测值，下角标s指示定子；
参考定子电压矢量位置角确定单元，用于对所述参考定子电压
Figure FDA0003847657110000034
进行克拉克CLARK变换，并利用得到的两相静止坐标系下的α相参考定子电压
Figure FDA0003847657110000035
和β相参考定子电压
Figure FDA0003847657110000036
计算参考定子电压矢量位置角；
待选电压矢量确定单元，用于根据所述参考定子电压矢量位置角确定所述参考定子电压
Figure FDA0003847657110000037
所处扇区，选择所述扇区中的非零电压矢量和零电压矢量作为待选电压矢量；
控制单元，用于计算所述参考定子电压
Figure FDA0003847657110000038
和所述待选电压矢量的绝对差值，选择得到最小绝对差值的待选电压矢量为最优电压矢量，并利用所述最优电压矢量控制所述内嵌式永磁同步电机运行；
所述控制装置，还包括：构建单元，所述构建单元包括：
第一获取模块，用于获取定子和转子磁场同步旋转构建的同步旋转坐标系下，所述内嵌式永磁同步电机的定子电压方程；
处理模块，用于利用前向欧拉公式对所述定子电压方程进行离散化处理；
构建模块，用于利用所述处理模块处理后的定子电压方程、当前时刻的定子电流和转子磁链角速度构建定子电流预测模型；对当前时刻的转子磁链角速度进行有效补偿，并基于所述定子电流预测模型、定子电流给定值和有效补偿后的转子磁链角速度构建定子电压预测模型；
所述定子电压预测模型为：
Figure FDA0003847657110000041
Rs表示定子电阻；
Figure FDA0003847657110000042
为定子电流给定值，且
Figure FDA0003847657110000043
Ldq表示定子交直轴电抗；
Figure FDA0003847657110000044
表示k+1时刻，即下一时刻的定子电流预测值；Ts表示采样周期；j表示复数；ωe(k)表示k时刻，即当前时刻的转子磁链角速度；
所述待选电压矢量确定单元，包括：
扇区确定模块，用于确定由空间电压矢量所围成的六个扇区分布区域，每一扇区包括1个非零电压矢量和2个零电压矢量，根据所述参考定子电压矢量位置角在所述六个扇区中，确定所述参考定子电压
Figure FDA0003847657110000045
所处扇区；
选取模块，用于选取所述扇区内的非零电压矢量；
待选电压矢量确定模块，用于根据所述非零电压矢量的开关状态，由所述扇区的2个零电压矢量中选取与所述非零电压矢量的开关状态不同的待选零电压矢量，将所选取的所述非零电压矢量和所述待选零电压矢量作为待选电压矢量；
所述根据所述非零电压矢量的开关状态，由所述扇区的2个零电压矢量中选取与所述非零电压矢量的开关状态不同的待选零电压矢量，包括：
根据所述非零电压矢量的开关状态，由所述扇区的2个零电压矢量中选取与所述非零电压矢量的开关状态变化最小的待选零电压矢量。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述参考定子电压矢量位置角确定单元包括：
变换模块，用于对所述参考定子电压
Figure FDA0003847657110000046
进行克拉克CLARK变换，将所述参考定子电压
Figure FDA0003847657110000047
变换至两相定子α-β坐标系下；
第二获取模块，用于获取所述参考定子电压
Figure FDA0003847657110000051
在两相定子α-β坐标系中α相上的α相参考定子电压
Figure FDA0003847657110000052
以及β相上的β相参考定子电压
Figure FDA0003847657110000053
第一计算模块，用于基于所述α相参考定子电压
Figure FDA0003847657110000054
和β相参考定子电压
Figure FDA0003847657110000055
计算参考定子电压矢量位置角θ，其中，
Figure FDA0003847657110000056
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述控制单元，包括：
第二计算模块，用于计算所述参考定子电压
Figure FDA0003847657110000057
与所述待选电压矢量中的非零电压矢量的绝对差值，得到第一绝对差值，计算所述参考定子电压
Figure FDA0003847657110000058
与所述待选电压矢量中的待选零电压矢量的绝对差值，得到第二绝对差值；
处理模块，用于比较所述第一绝对差值和所述第二绝对差值的大小，确定最小绝对差值，将计算所述最小绝对差值所使用的待选电压矢量为最优电压矢量；或，按照绝对差值由大至小的方式对所述第一绝对差值和所述第二绝对差值进行排序，选取计算最小绝对差值所使用的待选电压矢量为最优电压矢量；
控制模块，用于利用所述最优电压矢量控制所述内嵌式永磁同步电机运行。
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