CN113517834A - 一种电机控制方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电机控制方法、装置及系统，电机控制方法包括：利用电压控制量与前馈补偿量生成第一控制量；判断目标电压的幅值，当目标电压的幅值小于设定值时，将第一控制量作为控制输出量；当目标电压的幅值大于设定值时，判断第一控制量中的d轴分量与q轴分量的符号是否相同；若第一控制量中的d轴分量与q轴分量的符号相同，则通过第一控制量中的q轴分量以及前馈补偿量中的q轴分量生成控制输出量中的q轴分量，通过设定值以及第一控制量中的q轴分量生成控制输出量中的d轴分量；若第一控制量中的d轴分量与q轴分量的符号不同，则通过设定值以及电压控制量生成控制输出量。

Description

一种电机控制方法、装置及系统

技术领域

本发明实施例涉及电机控制技术，尤其涉及一种电机控制方法、装置及系统。

背景技术

在新能源车动力电机系统中，由于永磁同步电机具有调速范围宽、转动惯量低、转矩电流比高、功率因数高、转矩波动小、易实现高速运行等优点，因此得到了广泛的应用。

为提升电驱动系统的输出能力，通常从电机本体设计入手，通过增大体积、减少损耗、提高效率等几个维度进行设计改进，此种方法通常会增加系统的设计制造成本。

现有技术中缺乏从电机控制策略的角度出发，提高电驱动系统的输出能力的方案。

发明内容

本发明提供一种电机控制方法、装置及系统，以达到在不增加系统成本的前提下，提高电机驱动系统最大输出功率能力的目的。

第一方面，本发明实施例提供了一种电机控制方法，确定电流环中，在两相旋转坐标系下的电压控制量，确定电流环的前馈补偿量；

将所述两相旋转坐标系下的电压控制量与所述前馈补偿量做和，生成第一控制量；

判断目标电压的幅值，当所述目标电压的幅值小于设定值时，将所述第一控制量作为控制输出量；

当所述目标电压的幅值大于所述设定值时，判断所述第一控制量中的d轴分量与q轴分量的符号是否相同；

若所述第一控制量中的d轴分量与q轴分量的符号相同，则通过所述第一控制量中的q轴分量以及所述前馈补偿量中的q轴分量生成控制输出量中的q轴分量，通过所述设定值以及控制输出量中的q轴分量生成控制输出量中的d轴分量；

若所述第一控制量中的d轴分量与q轴分量的符号不同，则通过所述设定值以及所述两相旋转坐标系下的电压控制量生成控制输出量；

其中，所述控制输出量用于生成控制逆变器中各开关管周期导通的控制指令。

进一步的，所述设定值基于母线电压确定。

进一步的，通过所述控制输出量生成所述控制指令包括：

将所述控制输出量经过逆Park变换转换成两相静置坐标系下的电压控制量，基于所述两相静止坐标系下的电压控制量，采用SVPWM方法生成用于控制各开关管周期导通的PWM波。

进一步的，通过PI控制方法将电流控制量转换为所述两相旋转坐标系下的电压控制量。

进一步的，根据扭矩控制目标量确定电流控制目标量；

通过所述电流控制目标量以及三相电流采样值确定所述电流控制量。

进一步的，将所述三相电流采样值转换至两相旋转坐标系中形成两相直流电流，通过电流控制目标量以及所述两相直流电流确定所述电流控制量。

进一步的，还包括判断所述第一控制量中d轴分量与q轴分量的大小；

若所述第一控制量中的d轴分量与q轴分量小于第一设定值，则基于电机转速符号确定所述第一控制量中的d轴分量与q轴分量的符号是否相同；

当所述第一控制量中的d轴分量的绝对值小于d轴分量阈值时，判定所述第一控制量中的d轴分量的符号与电机转速符号相反；

当所述第一控制量中的q轴分量的绝对值小于q轴分量阈值时，判定所述第一控制量中的q轴分量的符号与电机转速符号相同。

进一步的，所述前馈补偿量为电流环稳态时确定的前馈补偿量。

第二方面，本发明实施例还提供了一种电机控制装置，包括电压补偿模块，所述电压补偿模块用于：

将两相旋转坐标系下的电压控制量与电流环的前馈补偿量做和，生成第一控制量；

判断目标电压的幅值，当所述目标电压的幅值小于所述设定值时，将所述第一控制量作为控制输出量；

当所述目标电压的幅值大于所述设定值时，判断所述第一控制量中的d轴分量与q轴分量的符号是否相同；

若所述第一控制量中的d轴分量与q轴分量的符号相同，则通过所述第一控制量中的q轴分量以及所述前馈补偿量中的q轴分量生成控制输出量中的q轴分量，通过所述设定值以及第一控制量中的q轴分量生成控制输出量中的d轴分量；

若所述第一控制量中的d轴分量与q轴分量的符号不同，则通过所述设定值以及所述电压控制量生成控制输出量；

其中，所述控制输出量用于生成控制逆变器中各开关管周期导通的控制指令。

第三方面，本发明实施例还提供了一种电机控制系统，配置有控制器，所述控制器用于实现实施例记载的电机控制方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提出的电机控制方法计算两相旋转坐标系下的电压控制量以及前馈补偿量，基于电压控制量以及前馈补偿量确定用于生成针对逆变器的控制指令的控制输出量，经过试验可以确定采用本实施例提出的电机控制方法进行电机控制，可以有效提高电机驱动系统的最大输出功率。同时电机闭环控制过程中的动态响应特性良好，电机可以稳定的按照期望的工作状态运行。

附图说明

图1为实施例中的电机控制方法流程图；

图2是实施例中的另一种电机控制方法流程图；

图3是实施例中的电机控制装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明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例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1是实施例中的电机控制方法流程图，参考图1，电机控制方法包括：

S101.确定两相旋转坐标系下的电压控制量，确定电流环的前馈补偿量。

示例性的，电机控制的一般方式为：通过控制六路逆变桥生成三相正弦波，基于三相正弦波驱动电机按指定的工作状态运行。

示例性的，可以基于PWM控制、SPWM控制或者SVPWM控制等方式实现对逆变桥的控制，使逆变桥输出驱动电机运行的三相正弦波。

为实现对电机工作状态的动态控制(例如稳定电机的工作状态或者改变电机的工作状态)，需要实现针对电机的闭环控制。

针对电机的闭环可以包括内环、中环、外环等，实现闭环控制过程中，由内环至外环依次进行闭环控制，例如优先实现内环的反馈控制，内环稳定后再实现中环的反馈控制，中环稳定后再实现外环的反馈控制。

在电机的闭环控制中，电流环作为内环，其作用是使电机的工作状态跟随目标电流的变化而变化。

示例性的，电流环的一般控制过程可以概括为：

采集电机的三相电流(i_a，i_b，i_c)，通过Clark变换将三相电流转换至两相静止坐标系中，形成两相正弦波电流(i_α，i_β)，再通过Park变换将两相正弦波电流转换至两相旋转坐标系中，形成两相直流电流(i_d，i_q)；

通过PI控制器比较目标电流与上述两相直流电流，再进一步通过PI控制器输出两相旋转坐标系中的直流控制量(U_d，U_q)；

根据设计需要，可以利用上述直流控制量通过逆Park变换形成两相正弦控制量(U_α，U_β)，或进一步通过逆Clark变换将两相正弦控制量转换成三相正弦控制量(U_a，U_b，U_c)；

基于两相正弦控制量或者三相正弦控制量，相应的采用PWM控制、SPWM控制或者SVPWM控制生成输入至六路逆变桥的六路PWM信号，使逆变桥输出驱动电机运行的三相正弦波。

示例性的，本步骤中，两相旋转坐标系下的电压控制量为通过PI控制器生成的直流控制量(U_d，U_q)。

示例性的，本步骤中，确定电流环的前馈补偿量的方式与现有技术中针对电流环的前馈补偿控制过程中生成控制量的方式相同。其中，前馈补偿量同样为两相旋转坐标系下的直流控制量(U_{d_c}，U_{q_c})。

具体的，前馈补偿量的计算公式与针对电流环的前馈补偿控制方法中采用的公式相同，为：

电流环稳态时，前馈补偿量为：

式中，R_s为电机定子等效电阻，L_d为d轴(两相旋转坐标系)电感，i_d为d轴电流，pi_d为d轴PI控制参数，L_q为q轴电感，i_q为q轴电流，pi_q为q轴PI控制参数，ω_e为电机转速，

为磁链。

S102.根据电压控制量以及前馈补偿量生成控制输出量。

具体的，本步骤中，生成控制输出量的过程包括：

将电压控制量与前馈补偿量做和，生成第一控制量，即：

示例性的，电机的目标电流和目标电压具有一定的关联关系，本步骤中判断目标电压的幅值，根据不同目标电压的幅值执行不同的控制输出量生成策略，具体为：

当目标电压的幅值小于设定值时，将第一控制量作为控制输出量，即：

示例性的，设定值可以为μU_dc，其中，μ为标定值，其用于反映电机的弱磁深度，本步骤中μ可以为0.636，U_dc为逆变器的母线电压。

当目标电压的幅值大于设定值时，判断第一控制量中的d轴分量

与q轴分量

的符号是否相同。

若第一控制量中的d轴分量与q轴分量的符号相同，则通过第一控制量中的q轴分量以及前馈补偿量中的q轴分量生成控制输出量中的q轴分量，其采用的公式为：

示例性的，U_{q_c}(t)表示t时刻U_{q_c}的采样值，U_{q_c}(t-Δt)表示(t-Δt)时刻U_{q_c}的采样值，其中t可以为当前时刻，Δt可以为设定的采样间隔。

通过设定值以及控制输出量中的q轴分量生成控制输出量中的d轴分量，其采用的公式为：

若第一控制量中的d轴分量与q轴分量的符号不同，则通过设定值以及电压控制量生成控制输出量，其采用的公式为：

示例性的，本实施例中，控制输出量(U_{d_o}，U_{q_o})做为两相旋转坐标系下的直流控制量，其用于通过逆Park变换形成两相正弦控制量(U_α，U_β)，或进一步通过逆Clark变换成三相正弦控制量(U_a，U_b，U_c)，进而生成控制逆变桥的六路PWM信号。

本实施例提出的电机控制方法计算两相旋转坐标系下的电压控制量以及前馈补偿量，基于电压控制量以及前馈补偿量确定用于生成针对逆变器的控制指令的控制输出量，经过试验可以确定采用本实施例提出的电机控制方法进行电机控制，可以有效提高电机驱动系统的最大输出功率。同时电机闭环控制过程中的动态响应特性良好，电机可以稳定的按照期望的工作状态运行。

图2是实施例中的电机控制方法流程图，参考图2，电机控制方法还可以为：

S201.根据扭矩目标控制量确定电流控制目标量。

示例性的，本方案中，选择扭矩为电机控制中的目标控制量，在控制过程通过针对电流的控制实现电机扭矩的控制。

示例性的，电机的扭矩与电流存在关联性，本步骤中，当接收到扭矩目标控制量后，确定与之对应的电流控制目标量，其中，电流控制目标量为两相旋转坐标系下的直流电流量。

示例性的，本步骤中，可以通过MAP图确定与扭矩目标控制量对应的电流控制目标量。

示例性的，本步骤中，采集电机的三相电流，通过Clark变换以及Park变换将三相电流转换成两相直流电流，通过PI控制器比对电流控制目标量以及两相直流电流，以生成电流控制量。

S202.基于电流控制量确定两相旋转坐标系下的电压控制量，确定电流环的前馈补偿量。

示例性的，本步骤实现的方式与步骤S101记载的内容相同，特别的，本步骤中，采用电流环稳态时的(U_{d_c}，U_{q_c})作为前馈补偿量。

S203.根据电压控制量以及前馈补偿量生成控制输出量。

示例性的，本步骤中，根据电压控制量以及前馈补偿量生成控制输出量的方式与步骤S102记载的方式基本相同。

特别的，本步骤还包括：

判断第一控制量中d轴分量与q轴分量的大小，若第一控制量中的d轴分量与q轴分量大于第一设定值，则以第一控制量中d轴分量

以及q轴分量

本身的符号确定

与

的符号是否相同；

若第一控制量中的d轴分量与q轴分量小于第一设定值，则通过电机转速符号确定第一控制量中的d轴分量与q轴分量的符号是否相同。

示例性的，本步骤中，第一设定值为标定值。

具体的，通过电机转速符号确定第一控制量中的d轴分量与q轴分量的符号是否相同的策略包括：

当第一控制量中的d轴分量的绝对值小于d轴分量阈值时，判定第一控制量中的d轴分量的符号与转速符号相反；

当第一控制量中的q轴分量的绝对值小于q轴分量阈值时，判定第一控制量中的q轴分量的符号与转速符号相同。

示例性的，d轴分量阈值以及q轴分量阈值为标定值。

示例性的，本方案中，当第一控制量的数值较小时，借助电机的转速符号判断第一控制量中的d轴分量与q轴分量的符号是否相同，再进一步按照设定的策略生成控制输出量。通过试验可以确定，增设该步骤后，可以避免第一控制量的数值较小，直接采用d轴分量与q轴分量本身的符号判断d轴分量与q轴分量的符号是否相同，再按照设定的策略生成控制输出量并进行电机控制时，电机容易失控的问题。

S204.基于控制输出量，通过SVPWM方法生成逆变器的控制指令。

具体的，本步骤中，将控制输出量经过Park逆变换转换成两相旋转坐标系下的电压控制量，基于两相旋转坐标系下的电压控制量，采用SVPWM方法生成用于控制各开关管周期导通的PWM波。

示例性的，本实施例中，采用的SVPWM方法与现有技术相同，其具体实现过程不做详细阐述。

实施例二

图3是实施例中的电机控制装置示意图，参考图3，本实施例提出一种电机控制装置，包括电压补偿模块100，电压补偿模块100用于：

将两相旋转坐标系下的电压控制量(U_d，U_q)以及电流环的前馈补偿量(U_{d_c}，U_{q_c})做和，生成第一控制量。

判断目标电压的幅值，当目标电压的幅值小于所述设定值时，将第一控制量作为控制输出量(U_{d_o}，U_{q_o})。

当目标电压的幅值大于设定值时，判断第一控制量中的d轴分量与q轴分量的符号是否相同。

若第一控制量中的d轴分量与q轴分量的符号相同，则通过第一控制量中的q轴分量以及前馈补偿量中的q轴分量生成控制输出量中的q轴分量，通过设定值以及第一控制量中的q轴分量生成控制输出量中的d轴分量；

若第一控制量中的d轴分量与q轴分量的符号不同，则通过设定值以及电压控制量生成控制输出量。

示例性的，电机控制装置还包括电流变换模块200，电流闭环控制模块300，电压变换模块400。

示例性的，电流变换模块200用于采集电机U2的三相电流(i_a，i_b，i_c)，并将三相电流转换为两相直流电流(i_d，i_q)。

电流闭环控制模块300包括PI控制器，其用于比较目标电流(i_{d_ref}，i_{q_ref})与两相直流电流(i_d，i_q)，并输出两相旋转坐标系中的电压控制量(U_d，U_q)。

电压变换模块400用于实现逆Clark变换、逆Park变换。

作为一种可实施方案，电机控制装置还配置有SVPWM模块500，SVPWM模块500用于根据两相正弦控制量(U_α，U_β)生成输入INV驱动U1的六路PWM信号，此时电压变换模块400用于实现逆Park变换。

可选的，电机控制装置还配置有扭矩控制模块600，扭矩控制模块600用于接收扭矩控制目标量N，并根据扭矩控制目标量N确定目标电流。

示例性，本实施例中，电机控制装置具备的有益效果与实施例一中记载的对应方案的有益效果相同。

实施例三

示例性的，本实施例提出一种电机控制系统，其包括控制器，控制器用于现实施例一记载的任意一种电机控制方法。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种电机控制方法，其特征在于，确定电流环中，在两相旋转坐标系下的电压控制量，确定电流环的前馈补偿量；

将所述两相旋转坐标系下的电压控制量与所述前馈补偿量做和，生成第一控制量；

判断目标电压的幅值，当所述目标电压的幅值小于设定值时，将所述第一控制量作为控制输出量；

当所述目标电压的幅值大于所述设定值时，判断所述第一控制量中的d轴分量与q轴分量的符号是否相同；

若所述第一控制量中的d轴分量与q轴分量的符号相同，则通过所述第一控制量中的q轴分量以及所述前馈补偿量中的q轴分量生成控制输出量中的q轴分量，通过所述设定值以及控制输出量中的q轴分量生成控制输出量中的d轴分量；

若所述第一控制量中的d轴分量与q轴分量的符号不同，则通过所述设定值以及所述两相旋转坐标系下的电压控制量生成控制输出量；

其中，所述控制输出量用于生成控制逆变器中各开关管周期导通的控制指令。

2.如权利要求1所述的电机控制方法，其特征在于，所述设定值基于母线电压确定。

3.如权利要求1所述的电机控制方法，其特征在于，通过所述控制输出量生成所述控制指令包括：

将所述控制输出量经过逆Park变换转换成两相静置坐标系下的电压控制量，基于所述两相静止坐标系下的电压控制量，采用SVPWM方法生成用于控制各开关管周期导通的PWM波。

4.如权利要求1所述的电机控制方法，其特征在于，通过PI控制方法将电流控制量转换为所述两相旋转坐标系下的电压控制量。

5.如权利要求4所述的电机控制方法，其特征在于，根据扭矩控制目标量确定电流控制目标量；

通过所述电流控制目标量以及三相电流采样值确定所述电流控制量。

6.如权利要求4所述的电机控制方法，其特征在于，将所述三相电流采样值转换至两相旋转坐标系中形成两相直流电流，通过电流控制目标量以及所述两相直流电流确定所述电流控制量。

7.如权利要求1所述的电机控制方法，其特征在于，还包括判断所述第一控制量中d轴分量与q轴分量的大小；

若所述第一控制量中的d轴分量与q轴分量小于第一设定值，则基于电机转速符号确定所述第一控制量中的d轴分量与q轴分量的符号是否相同；

当所述第一控制量中的d轴分量的绝对值小于d轴分量阈值时，判定所述第一控制量中的d轴分量的符号与电机转速符号相反；

当所述第一控制量中的q轴分量的绝对值小于q轴分量阈值时，判定所述第一控制量中的q轴分量的符号与电机转速符号相同。

8.如权利要求1所述的电机控制方法，其特征在于，所述前馈补偿量为电流环稳态时确定的前馈补偿量。

9.一种电机控制装置，其特征在于，包括电压补偿模块，所述电压补偿模块用于：

将两相旋转坐标系下的电压控制量与电流环的前馈补偿量做和，生成第一控制量；

判断目标电压的幅值，当所述目标电压的幅值小于所述设定值时，将所述第一控制量作为控制输出量；

当所述目标电压的幅值大于所述设定值时，判断所述第一控制量中的d轴分量与q轴分量的符号是否相同；

若所述第一控制量中的d轴分量与q轴分量的符号相同，则通过所述第一控制量中的q轴分量以及所述前馈补偿量中的q轴分量生成控制输出量中的q轴分量，通过所述设定值以及第一控制量中的q轴分量生成控制输出量中的d轴分量；

若所述第一控制量中的d轴分量与q轴分量的符号不同，则通过所述设定值以及所述电压控制量生成控制输出量；

其中，所述控制输出量用于生成控制逆变器中各开关管周期导通的控制指令。

10.一种电机控制系统，其特征在于，配置有控制器，所述控制器用于实现权利要求1至8任一所述的电机控制方法。

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