CN112821831A - 永磁同步电机的控制方法、装置及电机控制器 - Google Patents
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Abstract
本公开提出一种永磁同步电机的控制方法、装置及电机控制器，涉及电机技术领域。该方法包括：确定N个候选电压矢量及M个连续的控制周期分别对应的M组参考电流，N和M为正整数，且M大于或等于2；根据M组参考电流，分别确定每个候选电压矢量在M个连续的控制周期内分别对应的M个代价函数值；根据每个候选电压矢量对应M个代价函数值，确定M个连续的控制周期中第一个控制周期对应的目标电压矢量；利用目标电压矢量，对第一个控制周期内的永磁同步电机进行控制。由此，可以最大限度的保证相邻周期可以用相同的电压矢量进行控制，减少了电压矢量的切换，从而减少了逆变器的开关状态的改变次数，降低了逆变器开关频率的损耗。
Description
技术领域
本公开涉及电机技术领域，尤其涉及一种永磁同步电机的控制方法、装置及电机控制器。
背景技术
永磁同步电机(Permanent magnetic synchronous machine,简称PMSM)，是由稀土永磁体励磁的，当稀土永磁体被磁化时，可以产生永磁磁场。近年来，随着稀土永磁材料、电力电子技术和控制技术的发展，永磁同步电机以其重量轻、效率高、结构简单、体积小等优点，在各个领域得到了广泛的应用。在对永磁同步电机进行控制时，如何减少系统的损耗，成为目前亟待解决的问题。
发明内容
本公开的目的旨在至少解决上述的技术问题之一。
本公开一方面实施例提出的永磁同步电机的控制方法，包括：
确定N个候选电压矢量及M个连续的控制周期分别对应的M组参考电流，其中，N和M为正整数，且M大于或等于2；
根据所述M组参考电流，分别确定每个所述候选电压矢量在所述M个连续的控制周期内分别对应的M个代价函数值；
根据每个所述候选电压矢量对应所述M个代价函数值，确定所述M个连续的控制周期中第一个控制周期对应的目标电压矢量；
利用所述目标电压矢量，对所述第一个控制周期内的所述永磁同步电机进行控制。
本公开另一方面实施例提出的永磁同步电机的控制装置，包括：
第一确定模块，用于确定N个候选电压矢量及M个连续的控制周期分别对应的M组参考电流，其中，N和M为正整数，且M大于或等于2；
第二确定模块，用于根据所述M组参考电流，分别确定每个所述候选电压矢量在所述M个连续的控制周期内分别对应的M个代价函数值；
第三确定模块，用于根据每个所述候选电压矢量对应所述M个代价函数值，确定所述M个连续的控制周期中第一个控制周期对应的目标电压矢量；
控制模块，用于利用所述目标电压矢量，对所述第一个控制周期内的所述永磁同步电机进行控制。
本公开再一方面实施例提出的电机控制器，其包括：存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如前所述的永磁同步电机的控制方法。
本公开又一方面实施例提出的计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如前所述的永磁同步电机的控制方法。
本公开又一方面实施例提出的计算机程序，该程序被处理器执行时，以实现本公开实施例所述的永磁同步电机的控制方法。
本公开实施例提供的永磁同步电机的控制方法、装置及电机控制器，存在如下有益效果：
首先确定N个候选电压矢量及M个连续的控制周期分别对应的M组参考电流，之后根据M组参考电流，分别确定每个候选电压矢量在M个连续的控制周期内分别对应的M个代价函数值，再根据每个候选电压矢量对应M个代价函数值，确定M个连续的控制周期中第一个控制周期对应的目标电压矢量，从而可以利用目标电压矢量，对第一个控制周期内的永磁同步电机进行控制。由此，通过确定出的目标电压矢量对永磁同步电机进行控制，可以最大限度的保证了相邻周期可以用相同的电压矢量进行控制，减少了电压矢量的切换，从而减少了逆变器的开关状态的改变次数，降低了逆变器开关频率的损耗，同时仍然可以使系统具有良好的运行性能。
本公开附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。
附图说明
本公开上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1A为本公开一实施例所提供的一种永磁同步电机的控制方法的流程示意图；
图1B为本公开一实施例所提供的一种三相两电平逆变器驱动系统拓扑示意图；
图1C为本公开实施例所提供的一种电压矢量空间分布的示意图；
图1D为本公开实施例所提供的一种候选电压矢量空间分布的示意图；
图1E为本公开实施例所提供的一种候选电压矢量对应的代价函数值的示意图；
图1F为本公开实施例所提供的一种候选电压矢量对应的代价函数值的示意图；
图1G为本公开实施例所提供的一种候选电压矢量对应的代价函数值的示意图；
图1H为本公开实施例所提供的一种候选电压矢量对应的代价函数值的示意图；
图2A为传统引入虚拟电压矢量的模型预测控制(Model Predictive Control,简称MPC)方法中转速性能示意图；
图2B为传统引入虚拟电压矢量的MPC控制方法中转矩纹波示意图；
图2C为传统引入虚拟电压矢量的MPC控制方法中电流ia、ib、ic性能示意图；
图2D为传统引入虚拟电压矢量的MPC控制方法中定子电流ia的基波幅值百分比性能示意图；
图3A为本公开提出的永磁同步电机的控制方法中转速性能示意图；
图3B为本公开提出的永磁同步电机的控制方法中转矩纹波示意图；
图3C为本公开提出的永磁同步电机的控制方法中电流ia、ib、ic性能示意图；
图3D为本公开提出的永磁同步电机的控制方法中定子电流ia的基波幅值百分比性能示意图；
图4A为传统引入虚拟电压矢量的MPC控制方法中转速性能示意图；
图4B为传统引入虚拟电压矢量的MPC控制方法中转矩纹波示意图；
图4C为传统引入虚拟电压矢量的MPC控制方法中电流ia、ib、ic性能示意图；
图4D为传统引入虚拟电压矢量的MPC控制方法中定子电流ia的基波幅值百分比性能示意图；
图5A为本公开提出的永磁同步电机的控制方法中转速性能示意图；
图5B为本公开提出的永磁同步电机的控制方法中转矩纹波示意图；
图5C为本公开提出的永磁同步电机的控制方法中电流ia、ib、ic性能示意图；
图5D为本公开提出的永磁同步电机的控制方法中定子电流ia的基波幅值百分比性能示意图；
图6A为传统引入虚拟电压矢量的MPC控制方法中转速性能示意图；
图6B为传统引入虚拟电压矢量的MPC控制方法中转矩纹波示意图；
图6C为传统引入虚拟电压矢量的MPC控制方法中电流ia、ib、ic性能示意图；
图6D为传统引入虚拟电压矢量的MPC控制方法中定子电流ia的基波幅值百分比性能示意图；
图7A为本公开提出的永磁同步电机的控制方法中转速性能示意图；
图7B为本公开提出的永磁同步电机的控制方法中转矩纹波示意图；
图7C为本公开提出的永磁同步电机的控制方法中电流ia、ib、ic性能示意图；
图7D为本公开提出的永磁同步电机的控制方法中定子电流ia的基波幅值百分比性能示意图；
图8为本公开另一实施例所提供的一种永磁同步电机的控制方法的流程示意图；
图9为本公开实施例提供的一种永磁同步电机的控制装置的结构示意图；
图10为本公开实施例提供的电机控制器的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本公开的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的要素。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本公开，而不能理解为对本公开的限制。
下面参考附图对本公开提供的永磁同步电机的控制方法、装置及电机控制器进行详细描述。
本公开实施例的永磁同步电机的控制方法，可由本公开实施例提供的永磁同步电机的控制装置执行，该装置可配置于电机控制器中。
图1A为本公开实施例所提供的一种永磁同步电机的控制方法的流程示意图。
如图1A所示，该永磁同步电机的控制方法，包括以下步骤：
步骤101，确定N个候选电压矢量及M个连续的控制周期分别对应的M组参考电流，其中，N和M为正整数，且M大于或等于2。
其中，候选电压矢量可以由逆变器产生，逆变器可以为多种拓扑结构，比如说两电平逆变器、三电平逆变器等，本公开对此不做限定。
为方便说明，本公开以驱动电路中为三相两电平电压源型逆变器为例进行说明，拓扑的具体结构和连接方式如图1B所示。
图1B为三相两电平逆变器驱动系统拓扑示意图，其中逆变器由6个开关器件构成，它将电路右侧的直流电压逆变成三相交流电压来驱动左侧的表贴式永磁同步电机(Surface-mounted permanent magnet synchronous motor，简称SPMSM)。
其中，逆变器中的开关器件共有8种开关状态的组合，会使逆变器输出8种电压矢量，若用Sx(x＝a,b,c)表示逆变器三相中各相的开关状态(Sx＝1表示该相上侧开关器件导通而下侧开关器件关断，Sx＝0表示该相上侧开关器件关断而下侧开关器件导通)，可以得到表1所示的逆变器开关器件的状态与输出电压矢量的关系。
表1
根据表1中的信息可以看到，V0和V7为零电压矢量，其余的非零电压矢量V1～V6可以构成空间六边形分布，逆变器输出电压矢量在空间中的分布如图1C所示。
本公开实施例中，在确定候选电压矢量时，可以先根据驱动系统逆变器中各个开个器件的工作状态，确定多个初始候选电压矢量，之后再根据多个初始候选电压矢量，生成多个虚拟候选电压矢量。
比如，可以将上述逆变器产生的8种电压矢量V0～V7，作为初始候选电压矢量。之后可以用V1～V6中相邻两个非零初始候选电压矢量合成6个虚拟候选电压矢量V8～V13，此时候选电压矢量共为14个，各候选电压矢量空间分布如图1D所示。
本公开实施例中，为方便说明，将N取为14，即候选电压矢量由8个初始候选电压矢量和6个虚拟候选电压矢量组成，可使电动机的控制相比传统8个电压矢量更加精准，从而可以保证电动机的运行更稳定，具备很好的控制性能。
另外，参考电流可以包括直轴参考电流
和交轴参考电流
其中，交轴参考电流可以由上一个周期内转速外环PI调节器速输出确定，其可以通过外推法得到。
比如第k+1周期内永磁同步电机的交轴参考电流为
第k+2周期内永磁同步电机的交轴参考电流
可以由如下公式(1)计算得到：
其中，
为k-1时刻转速外环PI调节器输出的q轴电流参考值，可以理解的是，k+1控制周期即为从k时刻到k+1时刻。
另外，直轴参考电流与电机的类型相关。比如，对于表贴式永磁同步电机，其直轴参考电流恒为0,非表贴式永磁同步电机的直轴参考电流，可以根据电机工作状况查表确定，或者也可以根据最大转矩电流比及交轴电流计算得到等，本公开对此不做限定。
本公开实施例中，可以根据实际需要，按照上述方法确定出M个连续控制周期中每一个控制周期对应的参考电流。比如可以确定出各个候选电压矢量在第一个控制周期内的参考电流的第一参考电流、各个候选电压矢量在第二个控制周期内的参考电流的第二参考电流等。
步骤102，根据M组参考电流，分别确定每个候选电压矢量在M个连续的控制周期内分别对应的M个代价函数值。
其中，对于表贴式永磁同步电机，由于其D轴电感与Q轴电感大小相同，所以在同步旋转坐标系(d-q坐标系)下的SPMSM电压方程如下公式(2)所示:
其中，Ud、Uq为d轴、q轴的定子端电压，Id、Iq为d轴、q轴的定子电流，R、L分别为定子电阻和定子电感，ψf为永磁体磁链，ω为转子电角速度，p为极对数。
之后，可以利用欧拉离散法将电机电压方程(2)，离散化为如公式(3)所示的电流预测方程：
其中，角标k和k+1表示两个相邻的控制周期，k+1控制周期即为从k时刻到k+1时刻。另外，
为k+1控制周期内电机的d轴预测电流，
为k+1控制周期内电机的q轴预测电流，Tsc为系统的控制周期。
在实际使用中，根据M组参考电流，分别确定每个候选电压矢量在M个连续的控制周期内分别对应的M个代价函数值时，可以先根据预设的电流预测模型，确定在第一个控制周期内每个候选电压矢量对应的第一预测电流。
其中，预测电流，可以包括交轴预测电流(q轴预测电流)和直轴预测电流(d轴预测电流)。
由上述推导可知，预设的电流预测模型可以如公式(3)所示，则根据预设的电流预测模型(3)，可以得到14个候选电压矢量V0～V13在第1个控制周期各自对应的第一预测电流。
之后，可以基于预设的代价函数，根据每个候选电压矢量在第一个控制周期内对应的第一预测电流及第一参考电流，确定每个候选电压矢量对应的每个第一代价函数值。
其中，预设的代价函数，可以如下公式(4)所示：
其中，
和
为k+1控制周期内电动机电流参考值。
另外，第一参考电流可以为各个候选电压矢量在第一个控制周期内对应的各参考电流。
之后，可以将各个候选电压矢量V0～V13各自对应的第一预测电流、第一参考电流，分别代入预设的代价函数(4)中，可以得到各个候选电压矢量各自对应的第一代价函数值
根据代价函数最小化原则，最优候选电压矢量为使得代价函数取值最小的候选电压矢量，因此，可以首先按照由低至高的顺序基于对应的N个第一代价函数值，选取L个候选电压矢量，其中，L为小于N的正整数。
本公开实施例中，N为14，L可以为小于N的任意正整数，比如可以为4、5等，本公开对此不做限定。
比如,L为4时，可以对14个第一代价函数值第一代价函数值：
先按照由低至高的顺序进行排序，排序后的结果可以为：
选取其中值最小的4个第一代价函数值：
之后，可以返回执行上述确定第一预测电流的操作，确定在M个连续的控制周期中的第二个控制周期内L个候选电压矢量中每个候选电压矢量对应的第二预测电流及L个第二代价函数值，直至确定L个候选电压矢量中每个候选电压矢量在M个连续的控制周期内分别对应的M个代价函数值。
其中，在第1个控制周期内4个最小的第一代价函数值分别为：
对应的候选电压矢量分别为V0、V1、V2、V3。之后可以按照预设的电流预测模型(3)，确定出在第2个控制周期内V0、V1、V2、V3各自对应的第二预测电流。再将各个候选电压矢量V0、V1、V2、V3各自对应的第二预测电流、第二参考电流，分别代入预设的代价函数(4)中，可以得到各个候选电压矢量各自对应的第二代价函数值
或者，k+2控制周期的MPC预测方程也可以由公式(3)所示的k+1控制周期的MPC预测方程向后推一个时刻构成，如下公式(5)所示。
相应的，k+2控制周期对应的代价函数，也可以由如下公式(6)所示：
其中，
和
为k+2控制周期的参考电流，k+2控制周期即为从k+1时刻到k+2时刻。
由此，也可以使用公式(5)，确定出在第2个控制周期内V0、V1、V2、V3各自对应的第二预测电流，并将得到的各个第二预测电流、第二参考电流分别代入公式(6)中，可以得到各个候选电压矢量各自对应的第二代价函数值
比如说，M为3，可以按照预设的电流预测模型(3)，确定出在第3个控制周期内V0、V1、V2、V3各自对应的第三预测电流。再将各个候选电压矢量V0、V1、V2、V3各自对应的第三预测电流、第三参考电流，分别代入预设的代价函数(4)中，可以得到各个候选电压矢量V0、V1、V2、V3各自对应的第三代价函数值
可以理解的是，M取更大的数值时，可以按照上述确定第2个控制周期内V0、V1、V2、V3各自对应的第二预测电流、第二代价函数值的过程、确定第3个控制周期内V0、V1、V2、V3各自对应的第三预测电流、第三代价函数值的过程，依次确定出M个连续的控制周期内V0、V1、V2、V3各自对应的预测电流、代价函数值，此处不再赘述。
需要说明的是，上述示例只是举例说明，不能作为对本公开实施中各候选电压矢量、预测电流、参考电流、各代价函数值等的限定。
步骤103，根据每个候选电压矢量对应M个代价函数值，确定M个连续的控制周期中第一个控制周期对应的目标电压矢量。
其中，SPMSM的单矢量电流模型预测控制基于电流预测方程(3)，在每个控制周期中根据系统运行参数将虚拟候选电压矢量在内的14个候选电压矢量代入到电流预测方程(3)并计算其对应的代价函数值，代价函数值的示意图如图1E所示。根据传统单矢量MPC控制策略，由于示意图中代价函数值g0值最小，代价函数值g0值对应的候选电压矢量则作为目标电压矢量，其开关状态将会作为逆变器的驱动信号由控制器发送到逆变器的驱动控制管脚上。
单矢量的控制在一个控制周期内的最优电压是固定的，因此一个控制周期内逆变器的开关状态也是固定的，当相邻两个控制周期的最优电压矢量不同时，其对应的代价函数值如图1F所示，由于不同控制周期内选用了不同的电压矢量，每个控制周期内逆变器的开关状态也会不同，在每个控制周期开始时逆变器会有一次开关状态的改变；但当相邻的控制周期选择的最优电压矢量相同时，其对应的代价函数值如图1G所示，相邻两个控制周期内逆变器开关器件的状态是相同的，在这种情况下逆变器并不需要开关动作。
可以发现，相邻控制周期采用相同电压矢量的情况可以有效降低逆变器开关动作频率。
本公开实施例中，可以根据代价函数最小化原则，可以将各个候选电压矢量对应的M个代价函数值相加，和最小的代价函数值对应的候选电压矢量即为M个连续的控制周期中第一个控制周期对应的目标电压矢量。
比如说，M为3时，将上述V0、V1、V2、V3各自对应的第一代价函数值
第二代价函数值
第三代价函数值
分别相加，可以得到
之后将得到的g0、g1、g2、g3按照由小到大的顺序进行排序，排序后的结果为：g1、g0、g2、g3，值最小的为g1,其对应的候选电压矢量为V1，从而可以确定V1为3个连续控制周期中第一个控制周期对应的目标电压矢量。
需要说明的是，上述示例只是举例说明，不能作为对本公开实施中各候选电压矢量、预测电流、参考电流、各代价函数值、目标电压矢量等的限定。
或者，由k+1时刻预测获得到的4个候选电压矢量为V0,V1,V2和V5，各候选电压矢量对应的代价函数值如图1H所示，在k+1时刻利用公式(5)、公式(6)分别对它们在k+2时刻的表现进行预测，可以发现候选电压矢量V0虽然在k+1时刻的表现是所有电压矢量中最好的，但是若用V0持续控制系统两个控制周期，它在k+2时刻的表现并不好(代价函数值较大)。而候选电压矢量V1在k+1时刻表现仅次于候选电压矢量V0，用V1持续控制系统两个控制周期则会在k+1和k+2时刻使系统同时具备较好的控制表现，因此可将V1作为k时刻确定的目标电压矢量。在这样的控制方法下，k+1时刻仍选择V1作为目标电压矢量的概率会大大提升，实现在有效降低逆变器开关频率的同时也不会过多牺牲系统的运行性能。
需要说明的是，上述示例只是举例说明，不能作为对本公开实施中各候选电压矢量、各代价函数值等的限定。
步骤104，利用目标电压矢量，对第一个控制周期内的永磁同步电机进行控制。
其中，根据代价函数最小化原则，选取的目标电压矢量，可以适用于相邻周期的电机的控制，从而可以最大限度的保证了相邻周期可以用相同的电压矢量进行控制，减少了电压矢量的切换，从而减少了逆变器的开关状态的改变次数，降低了逆变器开关频率的损耗。
下面以本公开提出的永磁同步电机的控制方法进行仿真验证并将其与传统引入虚拟电压矢量的MPC控制方法进行对比。
本次实验，以仿真中系统开关频率为10kHz为例进行说明。
另外，表2为仿真实验中SPMSM的参数，仿真实验中SPMSM的参数如表2所示：
| 母线电压V<sub>dc</sub> | 320V |
| 定子电阻R | 1.5Ω |
| 定子电感L | 5.292mH |
| 极对数p | 2 |
| 额定转速n<sub>N</sub> | 2000rpm |
| 额定转矩T<sub>e</sub> | 6Nm |
| 永磁体磁链ψ<sub>f</sub> | 0.2404Wb |
表2
第一部分，先对电机运行于1000rpm并且带有6Nm额定负载的运行工况下两种永磁同步电机的控制方法进行仿真验证。
图2A为传统引入虚拟电压矢量的MPC控制方法中转速性能示意图，图2B为传统引入虚拟电压矢量的MPC控制方法中转矩纹波示意图，图2C为传统引入虚拟电压矢量的MPC控制方法中电流ia、ib、ic性能示意图，图2D为传统引入虚拟电压矢量的MPC控制方法中定子电流ia的基波幅值百分比性能示意图。
图3A为本公开提出的永磁同步电机的控制方法中转速性能示意图，图3B为本公开提出的永磁同步电机的控制方法中转矩纹波示意图，图3C为本公开提出的永磁同步电机的控制方法中电流ia、ib、ic性能示意图，图3D为本公开提出的永磁同步电机的控制方法中定子电流ia的基波幅值百分比性能示意图。
另外，表3为在1000rpm带有6Nm负载时，两种控制方法下逆变器的平均开关频率，如表3所示：
| 传统的引入虚拟电压矢量的MPC控制策略 | 4.58kHz |
| 新提出的开关频率优化MPC控制策略 | 3.82kHz |
表3
由仿真结果可以发现，在SPMSM运行在1000rpm并带有6Nm额定负载时，电动机在本公开提出的永磁同步电机的控制方法下可以平稳运行，并且电动机的转矩纹波为1.5Nm比传统控制策略下1.6Nm的转矩纹波小。但本公开提出的永磁同步电机的控制方法下电动机定子电流的谐波为8.92％，相比传统方法下的8.09％有小幅上升，在电流谐波方面不如传统方法。但在开关频率方面，传统控制策略下逆变器的平均开关频率为4.58kHz，本公开提出的永磁同步电机的控制方法下逆变器的平均开关频率为3.82kHz，相比传统方法下降了16.59％，本公开提出的永磁同步电机的控制方法具有明显的开关频率优化效果。
第二部分，对电动机运行于1500rpm并带有6Nm负载的运行工况两种永磁同步电机的控制方法进行仿真验证。
图4A为传统引入虚拟电压矢量的MPC控制方法中转速性能示意图，图4B为传统引入虚拟电压矢量的MPC控制方法中转矩纹波示意图，图4C为传统引入虚拟电压矢量的MPC控制方法中电流ia、ib、ic性能示意图，图4D为传统引入虚拟电压矢量的MPC控制方法中定子电流ia的基波幅值百分比性能示意图。
图5A为本公开提出的永磁同步电机的控制方法中转速性能示意图，图5B为本公开提出的永磁同步电机的控制方法中转矩纹波示意图，图5C为本公开提出的永磁同步电机的控制方法中电流ia、ib、ic性能示意图，图5D为本公开提出的永磁同步电机的控制方法中定子电流ia的基波幅值百分比性能示意图。
另外，表4为在1500rpm带有6Nm负载时，两种控制方法下逆变器的平均开关频率，如表4所示：
| 传统的引入虚拟电压矢量的MPC控制策略 | 4.42kHz |
| 新提出的开关频率优化MPC控制策略 | 3.96kHz |
表4
由本部分仿真可以发现，在电动机运行在1500rpm并带有6Nm负载时，本公开提出的永磁同步电机的控制方法将转矩纹波从传统控制方法下的1.65Nm减小到了1.5Nm，减小了9.09％；定子电流谐波从8.08％减小到了7.9％，减小了2.23％；逆变器的平均开关频率从4.42kHz减小到了3.96kHz，减小了10.41％。可以发现相比于传统的引入虚拟电压矢量的MPC控制策略，采用本公开提出的永磁同步电机的控制方法可以使系统运行性能得到全面优化。
第三部分，对电动机运行于2000rpm并带有6Nm负载的运行工况两种永磁同步电机的控制方法进行仿真验证。
图6A为传统引入虚拟电压矢量的MPC控制方法中转速性能示意图，图6B为传统引入虚拟电压矢量的MPC控制方法中转矩纹波示意图，图6C为传统引入虚拟电压矢量的MPC控制方法中电流ia、ib、ic性能示意图，图6D为传统引入虚拟电压矢量的MPC控制方法中定子电流ia的基波幅值百分比性能示意图。
图7A为本公开提出的永磁同步电机的控制方法中转速性能示意图，图7B为本公开提出的永磁同步电机的控制方法中转矩纹波示意图，图7C为本公开提出的永磁同步电机的控制方法中电流ia、ib、ic性能示意图，图7D为本公开提出的永磁同步电机的控制方法中定子电流ia的基波幅值百分比性能示意图。
另外，表5为在2000rpm带有6Nm负载时，两种控制方法下逆变器的平均开关频率，如表5所示：
| 传统的引入虚拟电压矢量的MPC控制策略 | 3.48kHz |
| 新提出的开关频率优化MPC控制策略 | 2.88kHz |
表5
在本部分仿真实验中，由仿真对比结果可以发现，相比于运行于1500rpm带6Nm负载工况，在额定工况下本公开提出的永磁同步电机的控制方法对系统优化效果更加明显：传统控制策略下的转矩纹波为1.9Nm、定子电流谐波为8.32％、逆变器的平均开关频率为3.48kHz；而在采用本公开提出的永磁同步电机的控制方法下，转矩纹波为1.7Nm、定子电流谐波为8.03％、逆变器平均开关频率为2.88kHz，可知转矩纹波减小了10.53％、定子电流谐波减小了3.49％、平均开关频率减小了17.24％。
需要说明的是，上述各实验参数等只是举例说明，实际使用中可以根据需要进行设定，不能作为对本公开提供的永磁同步电机的控制方法的限定。
本公开提出的永磁同步电机的控制方法能够有效降低系统运行过程中逆变器的平均开关频率，并且伴随着电动机转速的上升其效果更佳明显。在较低转速时本公开提出的永磁同步电机的控制方法在有效降低系统开关频率的同时会造成电流谐波的小幅上升，但当SPMSM系统运行于额定转速的一半及以上时，本公开提出的永磁同步电机的控制方法可以实现逆变器开关频率、电流谐波和转矩纹波的全面下降，可以实现SPMSM驱动系统性能的全面提升。
本公开实施例，首先确定N个候选电压矢量及M个连续的控制周期分别对应的M组参考电流，之后根据M组参考电流，分别确定每个候选电压矢量在M个连续的控制周期内分别对应的M个代价函数值，再根据每个候选电压矢量对应M个代价函数值，确定M个连续的控制周期中第一个控制周期对应的目标电压矢量，从而可以利用目标电压矢量，对第一个控制周期内的永磁同步电机进行控制。由此，通过确定出的目标电压矢量对永磁同步电机进行控制，可以最大限度的保证了相邻周期可以用相同的电压矢量进行控制，减少了电压矢量的切换，从而减少了逆变器的开关状态的改变次数，降低了逆变器开关频率的损耗，同时仍然可以使系统具有良好的运行性能。
下面结合图8对本公开另一实施例提供的一种永磁同步电机的控制方法进行详细说明。
图8为本公开另一实施例提供的一种永磁同步电机的控制方法的流程示意图。如图8所示，该永磁同步电机的控制方法，包括：
步骤201，确定N个候选电压矢量及M个连续的控制周期分别对应的M组参考电流，其中，N和M为正整数，且M大于或等于2。
其中，本公开实施例以N为14进行说明。
步骤202，根据预设的电流预测模型，确定在每个控制周期内每个候选电压矢量对应的预测电流。
其中，预设的电流预测模型可以如公式(3)所示。
比如M取值为3时，则根据预设的电流预测模型(3)，可以得到14个候选电压矢量V0～V13在第1个控制周期各自对应的第一预测电流。
之后，可以按照预设的电流预测模型(3)确定出各个候选电压矢量V0～V13在第2个控制周期各自对应的第二预测电流、3个控制周期各自对应的第三预测电流。
或者，也可以使用公式(5)确定出各个候选电压矢量V0～V13在第2个控制周期各自对应的第二预测电流、3个控制周期各自对应的第三预测电流。
需要说明的是，上述示例只是举例说明，不能作为对本公开实施中各候选电压矢量、预测电流等的限定。
步骤203，基于预设的代价函数，根据每个控制周期内每个候选电压矢量对应的预测电流及参考电流，确定每个候选电压矢量对应的每个代价函数值。
其中，可以使用预设的代价函数(4)确定出代价函数值。
比如，可以将各个候选电压矢量V0～V13在第1个控制周期内对应的第一预测电流及第一参考电流分别代入公式(4)中，确定出各个候选电压矢量对应的第一代价函数值：
之后，可以继续使用公式(4)，依次确定出各个候选电压矢量V0～V13在第2个控制周期内对应的第二代价函数值、在第3个控制周期内对应的第三代价函数值。
或者，也可以使用公式(6)，依次确定出各个候选电压矢量V0～V13在第2个控制周期内对应的第二代价函数值
在第3个控制周期内对应的第三代价函数值：
需要说明的是，上述示例只是举例说明，不能作为对本公开实施中各候选电压矢量、预测电流、参考电流、各代价函数值等的限定。
步骤204，确定N个候选电压矢量内、每个候选电压矢量对应的M个代价函数值的和。
比如，M取值为3，可以将14个候选电压矢量V0～V13各自对应的第一代价函数值、第二代价函数值、第三代价函数值相加，从而得到各个候选电压矢量各自对应的代价函数值的和：
需要说明的是，上述示例只是举例说明，不能作为对本公开实施中各候选电压矢量对应的各代价函数值及其和等的限定。
步骤205，将对应M个代价函数值的和最小的候选电压矢量，确定为目标电压矢量。
其中，可以将对应M个代价函数值的和进行排序。
比如，将得到的g0、g1、g2、g3、g4、g5、g6、g7、g8、g9、g10、g11、g12、g13进行排序，若g3值最小，其对应的候选电压矢量为V3，则可以将V3确定为目标电压矢量。
需要说明的是，上述示例只是举例说明，不能作为对本公开实施中各候选电压矢量、各代价函数值、目标电压矢量等的限定。
步骤206，利用目标电压矢量，对第一个控制周期内的永磁同步电机进行控制。
本公开实施例，首先确定N个候选电压矢量及M个连续的控制周期分别对应的M组参考电流，之后根据预设的电流预测模型，确定在每个控制周期内每个候选电压矢量对应的预测电流，再基于预设的代价函数，根据每个控制周期内每个候选电压矢量对应的预测电流及参考电流，确定每个候选电压矢量对应的每个代价函数值，之后在确定N个候选电压矢量内、每个候选电压矢量对应的M个代价函数值的和，将对应M个代价函数值的和最小的候选电压矢量，确定为目标电压矢量，最后可以利用目标电压矢量，对第一个控制周期内的永磁同步电机进行控制。由此，通过确定出的目标电压矢量对永磁同步电机进行控制，可以最大限度的保证了相邻周期可以用相同的电压矢量进行控制，减少了电压矢量的切换，从而减少了逆变器的开关状态的改变次数，降低了逆变器开关频率的损耗，同时仍然可以使系统具有良好的运行性能。
为了实现上述实施例，本公开还提出一种永磁同步电机的控制装置。
图9为本公开实施例提供的一种永磁同步电机的控制装置的结构示意图。
如图9所示，该永磁同步电机的控制装置100，包括：第一确定模块110、第二确定模块120、第三确定模块130、控制模块140。
其中，第一确定模块110，用于确定N个候选电压矢量及M个连续的控制周期分别对应的M组参考电流，其中，N和M为正整数，且M大于或等于2。
第二确定模块120，用于根据所述M组参考电流，分别确定每个所述候选电压矢量在所述M个连续的控制周期内分别对应的M个代价函数值；
第三确定模块130，用于根据每个所述候选电压矢量对应所述M个代价函数值，确定所述M个连续的控制周期中第一个控制周期对应的目标电压矢量；
控制模块140，用于利用所述目标电压矢量，对所述第一个控制周期内的所述永磁同步电机进行控制。
在一种可能的实现方式中，第一确定模块110，具体用于根据驱动系统逆变器中各个开个器件的工作状态，确定多个初始候选电压矢量；根据所述多个初始候选电压矢量，生成多个虚拟候选电压矢量。
在一种可能的实现方式中，第二确定模块120，具体用于根据预设的电流预测模型，确定在所述第一个控制周期内每个所述候选电压矢量对应的每个第一预测电流；基于预设的代价函数，根据每个所述候选电压矢量在所述第一个控制周期内对应的所述第一预测电流及所述第一参考电流，确定每个所述候选电压矢量对应的每个第一代价函数值；由低至高的顺序基于对应的所述N个所述第一代价函数值，选取L个候选电压矢量，其中，L为小于N的正整数；返回执行上述确定第一预测电流的操作，确定在所述M个连续的控制周期中的第二个控制周期内所述L个候选电压矢量中每个候选电压矢量对应的每个第二预测电流及L个第二代价函数值，所述L个候选电压矢量中每个候选电压矢量在所述M个连续的控制周期内分别对应的M个代价函数值。
在一种可能的实现方式中，第二确定模块120，具体用于根据预设的电流预测模型，确定在每个控制周期内每个所述候选电压矢量对应的预测电流；基于预设的代价函数，根据每个控制周期内每个候选电压矢量对应的所述预测电流及所述参考电流，确定所述每个所述候选电压矢量对应的每个代价函数值。
在一种可能的实现方式中，第三确定模块130，具体用于确定所述N个候选电压矢量内、每个候选电压矢量对应的M个代价函数值的和；将对应所述M个代价函数值的和最小的候选电压矢量，确定为所述目标电压矢量。
本公开实施例中的上述各模块的功能及具体实现原理，可参照上述各方法实施例，此处不再赘述。
本公开实施例提供的永磁同步电机的控制装置，首先确定N个候选电压矢量及M个连续的控制周期分别对应的M组参考电流，之后根据M组参考电流，分别确定每个候选电压矢量在M个连续的控制周期内分别对应的M个代价函数值，再根据每个候选电压矢量对应M个代价函数值，确定M个连续的控制周期中第一个控制周期对应的目标电压矢量，从而可以利用目标电压矢量，对第一个控制周期内的永磁同步电机进行控制。由此，通过确定出的目标电压矢量对永磁同步电机进行控制，可以最大限度的保证了相邻周期可以用相同的电压矢量进行控制，减少了电压矢量的切换，从而减少了逆变器的开关状态的改变次数，降低了逆变器开关频率的损耗，同时仍然可以使系统具有良好的运行性能。
为了实现上述实施例，本公开还提出一种电机控制器。
图10为本公开实施例的永磁同步电机的控制方法的电机控制器的结构示意图。
如图10所示，上述电机控制器200包括：
存储器210及处理器220，连接不同组件(包括存储器210和处理器220)的总线230，存储器210存储有计算机程序，当处理器220执行所述程序时实现本公开实施例所述的永磁同步电机的控制方法。
总线230表示几类总线结构中的一种或多种，包括存储器总线或者存储器控制器，外围总线，图形加速端口，处理器或者使用多种总线结构中的任意总线结构的局域总线。举例来说，这些体系结构包括但不限于工业标准体系结构(ISA)总线，微通道体系结构(MAC)总线，增强型ISA总线、视频电子标准协会(VESA)局域总线以及外围组件互连(PCI)总线。
电机控制器200典型地包括多种电机控制器可读介质。这些介质可以是任何能够被电机控制器200访问的可用介质，包括易失性和非易失性介质，可移动的和不可移动的介质。
存储器210还可以包括易失性存储器形式的计算机系统可读介质，例如随机存取存储器(RAM)240和/或高速缓存存储器250。电机控制器200可以进一步包括其它可移动/不可移动的、易失性/非易失性计算机系统存储介质。仅作为举例，存储系统260可以用于读写不可移动的、非易失性磁介质(图10未显示，通常称为“硬盘驱动器”)。尽管图10中未示出，可以提供用于对可移动非易失性磁盘(例如“软盘”)读写的磁盘驱动器，以及对可移动非易失性光盘(例如CD-ROM,DVD-ROM或者其它光介质)读写的光盘驱动器。在这些情况下，每个驱动器可以通过一个或者多个数据介质接口与总线230相连。存储器210可以包括至少一个程序产品，该程序产品具有一组(例如至少一个)程序模块，这些程序模块被配置以执行本公开各实施例的功能。
具有一组(至少一个)程序模块270的程序/实用工具280，可以存储在例如存储器210中，这样的程序模块270包括——但不限于——操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。程序模块270通常执行本公开所描述的实施例中的功能和/或方法。
电机控制器200也可以与一个或多个外部设备290(例如键盘、指向设备、显示器291等)通信，还可与一个或者多个使得用户能与该电机控制器200交互的设备通信，和/或与使得该电机控制器200能与一个或多个其它计算设备进行通信的任何设备(例如网卡，调制解调器等等)通信。这种通信可以通过输入/输出(I/O)接口292进行。并且，电机控制器200还可以通过网络适配器293与一个或者多个网络(例如局域网(LAN)，广域网(WAN)和/或公共网络，例如因特网)通信。如图所示，网络适配器293通过总线230与电机控制器200的其它模块通信。应当明白，尽管图中未示出，可以结合电机控制器200使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理单元、外部磁盘驱动阵列、RAID系统、磁带驱动器以及数据备份存储系统等。
处理器220通过运行存储在存储器210中的程序，从而执行各种功能应用以及数据处理。
需要说明的是，本实施例的电机控制器的实施过程和技术原理参见前述对本公开实施例的永磁同步电机的控制方法的解释说明，此处不再赘述。
本公开实施例提供的电机控制器，首先确定N个候选电压矢量及M个连续的控制周期分别对应的M组参考电流，之后根据M组参考电流，分别确定每个候选电压矢量在M个连续的控制周期内分别对应的M个代价函数值，再根据每个候选电压矢量对应M个代价函数值，确定M个连续的控制周期中第一个控制周期对应的目标电压矢量，从而可以利用目标电压矢量，对第一个控制周期内的永磁同步电机进行控制。由此，通过确定出的目标电压矢量对永磁同步电机进行控制，可以最大限度的保证了相邻周期可以用相同的电压矢量进行控制，减少了电压矢量的切换，从而减少了逆变器的开关状态的改变次数，降低了逆变器开关频率的损耗，同时仍然可以使系统具有良好的运行性能。
为了实现上述实施例，本公开还提出一种计算机可读存储介质。
其中，该计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时，以实现本公开实施例所述的永磁同步电机的控制方法。
为了实现上述实施例，本公开再一方面实施例提供一种计算机程序，该程序被处理器执行时，以实现本公开实施例所述的永磁同步电机的控制方法。
一种可选实现形式中，本实施例可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本文件中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。
计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括——但不限于——电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。
计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括——但不限于——无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。
可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本公开操作的计算机程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户电机控制器上执行、部分地在用户电机控制器上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户电机控制器上部分在远程电机控制器上执行、或者完全在远程电机控制器或服务器上执行。在涉及远程电机控制器的情形中，远程电机控制器可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户电机控制器，或者，可以连接到外部电机控制器(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
根据本公开的技术方案，首先确定N个候选电压矢量及M个连续的控制周期分别对应的M组参考电流，之后根据M组参考电流，分别确定每个候选电压矢量在M个连续的控制周期内分别对应的M个代价函数值，再根据每个候选电压矢量对应M个代价函数值，确定M个连续的控制周期中第一个控制周期对应的目标电压矢量，从而可以利用目标电压矢量，对第一个控制周期内的永磁同步电机进行控制。由此，通过确定出的目标电压矢量对永磁同步电机进行控制，可以最大限度的保证了相邻周期可以用相同的电压矢量进行控制，减少了电压矢量的切换，从而减少了逆变器的开关状态的改变次数，降低了逆变器开关频率的损耗，同时仍然可以使系统具有良好的运行性能。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里申请的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本公开旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未发明的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (12)
1.一种永磁同步电机的控制方法，其特征在于，包括：
确定N个候选电压矢量及M个连续的控制周期分别对应的M组参考电流，其中，N和M为正整数，且M大于或等于2；
根据所述M组参考电流，分别确定每个所述候选电压矢量在所述M个连续的控制周期内分别对应的M个代价函数值；
根据每个所述候选电压矢量对应所述M个代价函数值，确定所述M个连续的控制周期中第一个控制周期对应的目标电压矢量；
利用所述目标电压矢量，对所述第一个控制周期内的所述永磁同步电机进行控制。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定N个候选电压矢量，包括：
根据驱动系统逆变器中各个开个器件的工作状态，确定多个初始候选电压矢量；
根据所述多个初始候选电压矢量，生成多个虚拟候选电压矢量。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述M组参考电流，分别确定每个所述候选电压矢量在所述M个连续的控制周期内分别对应的M个代价函数值，包括：
根据预设的电流预测模型，确定在所述第一个控制周期内每个所述候选电压矢量对应的每个第一预测电流；
基于预设的代价函数，根据每个所述候选电压矢量在所述第一个控制周期内对应的所述第一预测电流及所述第一参考电流，确定每个所述候选电压矢量对应的每个第一代价函数值；
由低至高的顺序基于对应的所述N个所述第一代价函数值，选取L个候选电压矢量，其中，L为小于N的正整数；
返回执行上述确定第一预测电流的操作，确定在所述M个连续的控制周期中的第二个控制周期内所述L个候选电压矢量中每个候选电压矢量对应的每个第二预测电流及L个第二代价函数值，所述L个候选电压矢量中每个候选电压矢量在所述M个连续的控制周期内分别对应的M个代价函数值。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述M组参考电流，分别确定每个所述候选电压矢量在所述M个连续的控制周期内分别对应的M个代价函数值，包括：
根据预设的电流预测模型，确定在每个控制周期内每个所述候选电压矢量对应的预测电流；
基于预设的代价函数，根据每个控制周期内每个候选电压矢量对应的所述预测电流及所述参考电流，确定所述每个所述候选电压矢量对应的每个代价函数值。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据每个所述候选电压矢量对应所述M个代价函数值，确定所述M个连续的控制周期中第一个控制周期对应的目标电压矢量，包括：
确定所述N个候选电压矢量内、每个候选电压矢量对应的M个代价函数值的和；
将对应所述M个代价函数值的和最小的候选电压矢量，确定为所述目标电压矢量。
6.一种永磁同步电机的控制装置，其特征在于，包括：
第一确定模块，用于确定N个候选电压矢量及M个连续的控制周期分别对应的M组参考电流，其中，N和M为正整数，且M大于或等于2；
第二确定模块，用于根据所述M组参考电流，分别确定每个所述候选电压矢量在所述M个连续的控制周期内分别对应的M个代价函数值；
第三确定模块，用于根据每个所述候选电压矢量对应所述M个代价函数值，确定所述M个连续的控制周期中第一个控制周期对应的目标电压矢量；
控制模块，用于利用所述目标电压矢量，对所述第一个控制周期内的所述永磁同步电机进行控制。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一确定模块，具体用于：
根据驱动系统逆变器中各个开个器件的工作状态，确定多个初始候选电压矢量；
根据所述多个初始候选电压矢量，生成多个虚拟候选电压矢量。
8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第二确定模块，具体用于：
根据预设的电流预测模型，确定在所述第一个控制周期内每个所述候选电压矢量对应的每个第一预测电流；
基于预设的代价函数，根据每个所述候选电压矢量在所述第一个控制周期内对应的所述第一预测电流及所述第一参考电流，确定每个所述候选电压矢量对应的每个第一代价函数值；
由低至高的顺序基于对应的所述N个所述第一代价函数值，选取L个候选电压矢量，其中，L为小于N的正整数；
返回执行上述确定第一预测电流的操作，确定在所述M个连续的控制周期中的第二个控制周期内所述L个候选电压矢量中每个候选电压矢量对应的每个第二预测电流及L个第二代价函数值，所述L个候选电压矢量中每个候选电压矢量在所述M个连续的控制周期内分别对应的M个代价函数值。
9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第二确定模块，具体用于：
根据预设的电流预测模型，确定在每个控制周期内每个所述候选电压矢量对应的预测电流；
基于预设的代价函数，根据每个控制周期内每个候选电压矢量对应的所述预测电流及所述参考电流，确定所述每个所述候选电压矢量对应的每个代价函数值。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述第三确定模块，具体用于：
确定所述N个候选电压矢量内、每个候选电压矢量对应的M个代价函数值的和；
将对应所述M个代价函数值的和最小的候选电压矢量，确定为所述目标电压矢量。
11.一种电机控制器，其特征在于，包括：存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-5中任一所述的永磁同步电机的控制方法。
12.一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，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1-5中任一所述的永磁同步电机的控制方法。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210518 |
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