CN112636651A - 电机驱动控制方法、存储介质及电子设备 - Google Patents

电机驱动控制方法、存储介质及电子设备 Download PDF

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CN112636651A CN202011437199.6A CN202011437199A CN112636651A CN 112636651 A CN112636651 A CN 112636651A CN 202011437199 A CN202011437199 A CN 202011437199A CN 112636651 A CN112636651 A CN 112636651A
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马少才
王宇飞
景汝峰
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Abstract

本发明提供一种电机驱动控制方法、存储介质及电子设备，所述电机驱动控制方法包括：根据电机的设定转速与实际转速确定q轴给定电流值和d轴给定电流值；结合所述电机的转子位置角确定q轴实际电流值和d轴实际电流值；根据所述q轴给定电流值、所述d轴给定电流值、所述q轴实际电流值、所述d轴实际电流值确定电压矢量；对所述电压矢量进行电压矢量分区判断，选取扇区内相邻的两个电压矢量作为备选电压矢量；对零矢量和所述备选电压矢量进行筛选，以确定最优电压矢量。本发明通过转速、电流双闭环控制避免了传统电流内环比例积分控制的缺点，算法简单，动态响应快。

Description

电机驱动控制方法、存储介质及电子设备
技术领域
本发明属于电机驱动的技术领域，涉及一种驱动方法，特别是涉及一种电机驱动控制方法、存储介质及电子设备。
背景技术
目前，传统的永磁同步电机(PMSM，Permanent-Magnet Synchronous Motor)控制系统通常采用电流内环和转速外环的双闭环控制结构，传统电流内环采用PI(ProportionIntegral，比例积分)控制，虽然可以将复杂的控制系统等效为一阶惯性系统，结构简单、稳定可靠，但存在电流谐波含量大、控制器带宽有限、需要整定PI参数以及响应速度慢等问题。此外，对于噪声和扰动，一般PI电流控制器难以控制补偿电流，因为补偿电流是包含六次谐波的正弦波。因此，PI控制器的带宽应该足够宽，以跟随参考电流。否则，由于补偿电流没有按要求适当补偿，输入电流的纹波将会增加。
因此，如何提供一种电机驱动控制方法、存储介质及电子设备，以解决现有技术无法解决传统电机驱动PI控制存在的电流谐波大且响应速度慢等缺陷，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种电机驱动控制方法、存储介质及电子设备，用于解决现有技术无法提供一种运算简单、并可以通过快速动态响应降低电流纹波的驱动方法的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明一方面提供一种电机驱动控制方法，所述电机驱动控制方法包括：根据电机的设定转速与实际转速确定q轴给定电流值和d轴给定电流值；结合所述电机的转子位置角确定q轴实际电流值和d轴实际电流值；根据所述q轴给定电流值、所述d轴给定电流值、所述q轴实际电流值、所述d轴实际电流值确定电压矢量；对所述电压矢量进行电压矢量分区判断，选取扇区内相邻的两个电压矢量作为备选电压矢量；对零矢量和所述备选电压矢量进行筛选，以确定最优电压矢量。
于本发明的一实施例中，根据电机的设定转速与实际转速确定q轴给定电流值和d轴给定电流值的步骤包括：将所述电机的设定转速与实际转速作差后的差值进行比例积分调节，并将调节的结果作为所述q轴给定电流值；令所述d轴给定电流值为0。
于本发明的一实施例中，对所述电压矢量进行电压矢量分区判断，选取扇区内相邻的两个电压矢量作为备选电压矢量的步骤包括：将电压空间矢量进行区域划分；确定所述电压矢量所处的区域；在所述区域内判断所述电压矢量与所述零矢量的接近程度，并根据判断结果确定输出电压矢量。
于本发明的一实施例中，将电压空间矢量进行区域划分的步骤包括：根据电压矢量平面的各点与八个电压矢量的距离关系，将电压空间矢量划分为七个区域。
于本发明的一实施例中，在所述区域内判断所述电压矢量与所述零矢量的接近程度，并根据判断结果确定输出电压矢量的步骤包括：若所述电压矢量与所述零矢量判定为接近，将所述零矢量作为所述输出电压矢量；若所述电压矢量与所述零矢量判定为不接近，将所述电压矢量作为所述输出电压矢量。
于本发明的一实施例中，结合所述电机的转子位置角确定q轴实际电流值和d轴实际电流值的步骤包括：获取所述电机的三相电流值；根据所述三相电流值确定所述转子位置角；结合所述转子位置角对所述三相电流值进行坐标变换后确定所述q轴实际电流值和d轴实际电流值。
于本发明的一实施例中，对零矢量和所述备选电压矢量进行筛选，以确定最优电压矢量的步骤包括：将不同时刻下所述零矢量、所述备选电压矢量分别与期望电压矢量作差，将差值作为价值参考值；确定所述价值参考值最小时所对应的时刻；将该时刻下对应的所述备选电压矢量作为所述最优电压矢量。
于本发明的一实施例中，在确定最优电压矢量的步骤之后，所述电机驱动控制方法还包括：根据所述最优电压矢量生成与之对应的开关信号，所述开关信号用于控制逆变器的开关状态。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明另一方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现所述的电机驱动控制方法。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明又一方面提供一种电子设备，包括：处理器及存储器；所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述电子设备执行所述的电机驱动控制方法。
如上所述，本发明所述的电机驱动控制方法、存储介质及电子设备，具有以下有益效果：
本发明采用转速、电流双闭环控制。外环控制转速，转速的差值经过PI调节器得到内环q轴电流给定；内环采用电压预测控制，由坐标变换得到dq轴电流与给定值和电机转速以及电机参数得到dq轴电压给定值，再由分区判断最优价值函数确定最佳电压矢量，最后将最优电压矢量对应的开关状态ga、gb、gc作为控制开关管的信号。采用该方法，避免了传统电流内环PI控制存在的电流谐波含量大、控制器带宽有限、需要整定PI参数以及响应速度慢等缺点，算法简单，动态响应快，进一步可以通过快速动态响应降低输入电流的纹波。
附图说明
图1显示为本发明的电机驱动控制方法于一实施例中的原理流程图。
图2显示为本发明的电机驱动控制方法于一实施例中的转子转速波形图。
图3显示为本发明的电机驱动控制方法于一实施例中的控制原理图。
图4显示为本发明的电机驱动控制方法于一实施例中的电压矢量分区图。
图5显示为本发明的电子设备于一实施例中的结构连接示意图。
元件标号说明
5 电子设备
51 处理器
52 存储器
S11～S15 步骤
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明所述的电机驱动控制方法、存储介质及电子设备区别于传统的预测电流控制，先通过参考电流和预测电流的误差值判断最优电压矢量是否为零电压矢量，在最优非零电压矢量的选择上则借鉴了空间脉冲宽度调制技术中划分电压矢量扇区的思想，对传统的电压矢量扇区进行重新划分，通过对控制电压的合成矢量在扇区中位置的判定，快速确定当前采样时刻的最优非零电压矢量。通过转速、电流双闭环控制避免了传统电流内环比例积分控制的缺点，算法简单，动态响应快。
以下将结合图1至图5详细阐述本实施例的一种电机驱动控制方法、存储介质及电子设备的原理及实施方式，使本领域技术人员不需要创造性劳动即可理解本实施例的电机驱动控制方法、存储介质及电子设备。
请参阅图1，显示为本发明的电机驱动控制方法于一实施例中的原理流程图。如图1所示，所述电机驱动控制方法具体包括以下几个步骤：
S11，根据电机的设定转速与实际转速确定q轴给定电流值和d轴给定电流值。
于一实施例中，S11包括以下步骤：将所述电机的设定转速与实际转速作差后的差值进行比例积分调节，并将调节的结果作为所述q轴给定电流值；令所述d轴给定电流值为0。
具体地，将给定转速ω*与实际转速ω作差，差值经过PI调节器的输出作为内环q轴电流给定；d轴电流给定为零。
请参阅图2，显示为本发明的电机驱动控制方法于一实施例中的转子转速波形图。如图2所示，给定转速即所述设定转速由2400r·min-1变为3600r·min-1，实际转速可以很好的跟随给定转速进行变化，其中，将时间0.1s-0.2s内的实际转速与给定转速的曲线进行放大，可见，本发明中实际转速与给定转速的变化较大程度地保持一致。
请参阅图3，显示为本发明的电机驱动控制方法于一实施例中的控制原理图。如图3所示，将给定转速n*与实际转速n作差，差值经过PI调节器的输出作为内环q轴电流给定iq *(k)；d轴电流给定id *为零。根据采样的三相电流ia、ib、ic得到的转子位置角，对三相电流进行坐标变换得到dq轴电流，即id(k)和iq(k)。根据id *、iq *(k)、id(k)和iq(k)以及转子转速ω(k)和电机参数通过公式(3)分别计算出dq轴电压，即ud*(k)、uq*(k)。母线电压Udc用于公式(5)中进行电压矢量分区判断，并且将分区判断结果通过优化函数即价值函数进行矢量选择，以使价值函数值最小的电压矢量为最优控制电压矢量，最后将最优电压矢量对应的开关状态ga、gb、gc应用于逆变器中。由图3可知，本发明所述的电机驱动控制方法只需1次预测过程、1次角度计算、1次判断和2次价值函数比较过程。因此，结构简单、运算量小、计算时间显著缩短，提高了控制系统的响应速度。
S12，结合所述电机的转子位置角确定q轴实际电流值和d轴实际电流值。
于一实施例中，S12包括以下步骤：获取所述电机的三相电流值；根据所述三相电流值确定所述转子位置角；结合所述转子位置角对所述三相电流值进行坐标变换后确定所述q轴实际电流值和d轴实际电流值。
S13，根据所述q轴给定电流值、所述d轴给定电流值、所述q轴实际电流值、所述d轴实际电流值确定电压矢量。
具体地，根据dq轴电流给定值和dq轴实际值以及转子转速和电机参数分别计算出dq轴电压。
于实际应用中，永磁同步电机在两相dq旋转坐标系下的数学模型为：
Figure BDA0002821110290000051
在公式(1)中，ud、uq、id、iq、ψd、ψq分别为旋转坐标系下的定子dq轴电压分量、定子dq轴电流分量和定子dq轴磁链分量，ωe为转子电角速度，ω为机械角速度，J为转子转动惯量，B为滑动摩擦系数，TL为负载转矩，Te为电磁转矩。
采用泰勒级数展开对公式(1)进行离散化，得到如下公式：
Figure BDA0002821110290000052
在公式(2)中，id(k+1)、iq(k+1)和ω(k+1)为状态变量预测值，id(k)、iq(k)和ω(k)为当前控制周期状态变量的测量值，ud(k)、uq(k)为基本电压矢量变换到旋转坐标系下的dq轴分量，T为控制系统的采样周期，Ψf为永磁体产生的磁通。
若系统输入电流在k+1时刻能够跟随参考电流，则期望的电压为：
Figure BDA0002821110290000053
由公式(3)可知，在k时刻，id(k+1)和ω(k+1)便会跟随给定值i*d(k+1)和ω*(k+1)。因此，需选择最接近参考电压矢量u*(k)的基本电压矢量作为k时刻的控制电压矢量。
于一实施例中，将基本电压矢量u(k)与参考电压矢量u*(k)之间的误差表示为u*(k)-u(k)。
由此，定义优化的价值函数为：
Figure BDA0002821110290000061
在公式(4)中，h为附加项，起过流保护作用，即当k+1时刻的电流大于最大值，此时h取无穷大，即不选择相应的有效工作电压矢量作为最优矢量起到过流保护。
S14，对所述电压矢量进行电压矢量分区判断，选取扇区内相邻的两个电压矢量作为备选电压矢量。
于一实施例中，S14包括以下步骤：
(1)将电压空间矢量进行区域划分。
进一步地，根据电压矢量平面的各点与八个电压矢量的距离关系，将电压空间矢量划分为七个区域。
请参阅图4，显示为本发明的电机驱动控制方法于一实施例中的电压矢量分区图。如图4所示，根据电压矢量平面各点与八个电压矢量的距离关系，将电压空间矢量分为7个区域，即区域Ⅰ、区域Ⅱ、区域Ⅲ、区域Ⅳ、区域Ⅴ、区域VI及区域Ⅶ。
具体地，为了判断电压矢量所在区域，将空间角度划分为六部分，将角度与对应区域划分进行列表管理，形成表1的扇区分布表。
表1扇区分布表
Figure BDA0002821110290000062
(2)确定所述电压矢量所处的区域。
(3)在所述区域内判断所述电压矢量与所述零矢量的接近程度，并根据判断结果确定输出电压矢量。当u*(k)落到中间小六边形范围，即区域Ⅶ时，其与零矢量最近；当u*(k)落到中间小六边形即区域Ⅶ之外时，其与所在扇区对应的电压矢量距离最近。因此，通过确定电压矢量参考值所在区域，即可得到对应的最优电压矢量。
若所述电压矢量与所述零矢量判定为接近，将所述零矢量作为所述输出电压矢量。
若所述电压矢量与所述零矢量判定为不接近，将所述电压矢量作为所述输出电压矢量。
具体地，在区域Ⅶ所示的中间小六边形范围内，判断方法为
Figure BDA0002821110290000071
由公式(5)可以看出，将电压矢量参考值u*αβ(k)与区域N(即区域Ⅰ、区域Ⅱ、区域Ⅲ、区域Ⅳ、区域Ⅴ、区域VI)对应的电压矢量点乘，若计算结果大于c(k)，则电压矢量参考值在区域N内，此时选择对应的矢量作为输出电压矢量；反之，若计算结果小于或等于c(k)，则电压矢量参考值在区域Ⅶ内，此时选择零矢量作为输出电压矢量。
S15，对零矢量和所述备选电压矢量进行筛选，以确定最优电压矢量。
于一实施例中，S15包括以下步骤：将不同时刻下所述零矢量、所述备选电压矢量分别与期望电压矢量作差，将差值作为价值参考值；确定所述价值参考值最小时所对应的时刻；将该时刻下对应的所述备选电压矢量作为所述最优电压矢量。
具体地，将公式(3)所得的期望电压矢量u*(k)，利用park逆变换得到两相静止坐标系αβ下的分量uα*(k)、uβ*(k)，由反正切函数计算出u*(k)与基本电压矢量u1之间的夹角θ，即θ＝arctan(uβ*(k)/uα*(k))。根据θ值和表1可确定电压矢量参考值u*(k)所在扇区N。在确定电压矢量参考值所在区域N后，由图3可根据公式(5)进一步确定参考电压矢量是否在区域Ⅶ所示的中间小六边形范围内，若电压矢量参考值在区域Ⅶ内，此时选择零矢量作为输出电压矢量；若电压矢量参考值在中间小六边形范围外，则构成扇区的三个基本电压矢量uj(j＝1,2…6)、uj+1和u0(7)作为备选电压矢量。分别将这3个备选电压矢量代入公式(4)计算价值函数，令价值函数最小的备选电压矢量作为最优控制电压矢量。
于一实施例中，所述电机驱动控制方法还包括：根据所述最优电压矢量生成与之对应的开关信号，所述开关信号用于控制逆变器的开关状态。具体地，如图3所示，将最优电压矢量对应的开关状态ga、gb、gc应用于逆变器中。
本发明所述的电机驱动控制方法的保护范围不限于本实施例列举的步骤执行顺序，凡是根据本发明的原理所做的现有技术的步骤增减、步骤替换所实现的方案都包括在本发明的保护范围内。
本实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现所述电机驱动控制方法。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过计算机程序相关的硬件来完成。前述的计算机程序可以存储于一计算机可读存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的计算机可读存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的计算机存储介质。
于实际应用中，所述电机驱动控制方法应用于电机驱动控制系统中，例如为单相无电解电容电机驱动系统。电机驱动控制系统包括转速外环模块和内环电压预测模块。所述转速外环模块包括转速误差计算单元和PI调节器单元。所述内环电压预测模块包括电压预测单元、电压矢量扇区判断单元和矢量选择单元等。
具体地，所述转速误差计算单元和PI调节器单元用于根据电机的设定转速与实际转速确定q轴给定电流值和d轴给定电流值。具体地，转速误差计算单元用于将所述电机的设定转速与实际转速作差，PI调节器单元用于将所述电机的设定转速与实际转速作差后的差值进行比例积分调节，并将调节的结果作为所述q轴给定电流值。
所述电压预测单元用于结合所述电机的转子位置角确定q轴实际电流值和d轴实际电流值。根据所述q轴给定电流值、所述d轴给定电流值、所述q轴实际电流值、所述d轴实际电流值确定电压矢量。
所述电压矢量扇区判断单元用于对所述电压矢量进行电压矢量分区判断，选取扇区内相邻的两个电压矢量作为备选电压矢量。
所述矢量选择单元用于对零矢量和所述备选电压矢量进行筛选，以确定最优电压矢量。
请参阅图5，显示为本发明的电子设备于一实施例中的结构连接示意图。如图5所示，本实施例提供一种电子设备5，具体包括：处理器51及存储器52；所述存储器52用于存储计算机程序，所述处理器51用于执行所述存储器52存储的计算机程序，以使所述电子设备执行所述电机驱动控制方法的各个步骤。
上述的处理器51可以是通用处理器，包括中央处理器(Central ProcessingUnit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital Signal Processing，简称DSP)、专用集成电路(Alication SpecificIntegrated Circuit，简称ASIC)、现场可编程门阵列(Field Programmable GateArray，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
上述的存储器52可能包含随机存取存储器(Random Access Memory，简称RAM)，也可能还包括非易失性存储器(non-volatilememory)，例如至少一个磁盘存储器。
综上所述，本发明所述电机驱动控制方法、存储介质及电子设备采用转速、电流双闭环控制。通过外环控制转速，转速的差值经过PI调节器得到内环q轴电流给定；内环采用电压预测控制，由坐标变换得到dq轴电流与给定值和电机转速以及电机参数得到dq轴电压给定值，再由分区判断最优价值函数确定最佳电压矢量，最后将最优电压矢量对应的开关状态ga、gb、gc作为控制开关管的信号。采用该方法，避免了传统电流内环PI控制的缺点，算法简单，动态响应快，进一步可以通过快速动态响应降低输入电流的纹波。本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种电机驱动控制方法，其特征在于，所述电机驱动控制方法包括：
根据电机的设定转速与实际转速确定q轴给定电流值和d轴给定电流值；
结合所述电机的转子位置角确定q轴实际电流值和d轴实际电流值；
根据所述q轴给定电流值、所述d轴给定电流值、所述q轴实际电流值、所述d轴实际电流值确定电压矢量；
对所述电压矢量进行电压矢量分区判断，选取扇区内相邻的两个电压矢量作为备选电压矢量；
对零矢量和所述备选电压矢量进行筛选，以确定最优电压矢量。
2.根据权利要求1所述的电机驱动控制方法，其特征在于，根据电机的设定转速与实际转速确定q轴给定电流值和d轴给定电流值的步骤包括：
将所述电机的设定转速与实际转速作差后的差值进行比例积分调节，并将调节的结果作为所述q轴给定电流值；
令所述d轴给定电流值为0。
3.根据权利要求1所述的电机驱动控制方法，其特征在于，对所述电压矢量进行电压矢量分区判断，选取扇区内相邻的两个电压矢量作为备选电压矢量的步骤包括：
将电压空间矢量进行区域划分；
确定所述电压矢量所处的区域；
在所述区域内判断所述电压矢量与所述零矢量的接近程度，并根据判断结果确定输出电压矢量。
4.根据权利要求3所述的电机驱动控制方法，其特征在于，将电压空间矢量进行区域划分的步骤包括：
根据电压矢量平面的各点与八个电压矢量的距离关系，将电压空间矢量划分为七个区域。
5.根据权利要求3所述的电机驱动控制方法，其特征在于，在所述区域内判断所述电压矢量与所述零矢量的接近程度，并根据判断结果确定输出电压矢量的步骤包括：
若所述电压矢量与所述零矢量判定为接近，将所述零矢量作为所述输出电压矢量；
若所述电压矢量与所述零矢量判定为不接近，将所述电压矢量作为所述输出电压矢量。
6.根据权利要求1所述的电机驱动控制方法，其特征在于，结合所述电机的转子位置角确定q轴实际电流值和d轴实际电流值的步骤包括：
获取所述电机的三相电流值；
根据所述三相电流值确定所述转子位置角；
结合所述转子位置角对所述三相电流值进行坐标变换后确定所述q轴实际电流值和d轴实际电流值。
7.根据权利要求1所述的电机驱动控制方法，其特征在于，对零矢量和所述备选电压矢量进行筛选，以确定最优电压矢量的步骤包括：
将不同时刻下所述零矢量、所述备选电压矢量分别与期望电压矢量作差，将差值作为价值参考值；
确定所述价值参考值最小时所对应的时刻；
将该时刻下对应的所述备选电压矢量作为所述最优电压矢量。
8.根据权利要求1所述的电机驱动控制方法，其特征在于，在确定最优电压矢量的步骤之后，所述电机驱动控制方法还包括：
根据所述最优电压矢量生成与之对应的开关信号，所述开关信号用于控制逆变器的开关状态。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至8中任一项所述的电机驱动控制方法。
10.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器及存储器；
所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述电子设备执行如权利要求1至8中任一项所述的电机驱动控制方法。
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