CN113726239B - 一种用于永磁同步电机电流环预测的控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于永磁同步电机电流环预测的控制方法及系统，属于自动控制技术领域，解决了传统的控制器存在的控制成本高且鲁棒性较差等问题。采集永磁同步电机d、q轴的电流值与电压值；获得永磁同步电机q轴电流的参考值；建立电流无差拍控制模型；将永磁同步电机d、q轴的电流值与电压值和永磁同步电机q轴电流的参考值输入电流无差拍控制模型，得到下一时刻q轴的预测电压；以及，得到下一时刻d轴的预测电压；基于下一时刻q轴的预测电压和d轴的预测电压得到PWM控制信号并输入至与永磁同步电机相连接的逆变器，以实现对永磁同步电机的驱动控制。节省了控制成本，提高了控制器的鲁棒性。
Description
技术领域
本发明涉及自动控制技术领域，尤其涉及一种用于永磁同步电机电流环预测的控制方法及系统。
背景技术
永磁同步电机(Permanent Magnet SynchronousMotor,PMSM)具有结构简单、可靠性高、功率因数大、能源利用率高、机械特性较硬、调速范围宽等特点，因此永磁同步电机被广泛应用于航空航天、汽车、数控机床、机器人等领域。
使用传统PID控制器对永磁同步电机进行控制时，由于电机的非线性与变量耦合特性，使得传统控制器在电机不同使用工况下都需要调试参数，浪费了时间与资源，即传统的控制器的控制成本高且鲁棒性较差。
为了解决传统的控制器存在的控制成本高且鲁棒性较差的问题，本申请提出一种用于永磁同步电机电流环预测的控制方法及系统。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种用于永磁同步电机电流环预测的控制方法及系统，用以解决了传统的控制器存在控制成本高且鲁棒性较差等问题。
一方面，本发明实施例提供了一种用于永磁同步电机电流环预测的控制方法，包括如下步骤：
采集永磁同步电机d、q轴的电流值与电压值；
获得永磁同步电机q轴电流的参考值iqref；
建立电流无差拍控制模型，所述电流无差拍控制模型基于当前时刻永磁同步电机d、q轴的电流值与电压值获得下一时刻永磁同步电机q轴的预测电压；
将所述永磁同步电机d、q轴的电流值与电压值和永磁同步电机q轴电流的参考值iqref同时输入所述电流无差拍控制模型，得到下一时刻q轴的预测电压；以及，将采集的永磁同步电机d轴的电流值与d轴电流的参考值idref作差得到的结果输入PI控制器得到下一时刻d轴的预测电压；
基于所述下一时刻q轴的预测电压和d轴的预测电压得到PWM控制信号并输入至与永磁同步电机相连接的逆变器，以实现对永磁同步电机的驱动控制。
进一步，所述电流无差拍控制模型的公式如下：
式中，LS为永磁同步电机的等效电感，R为永磁同步电机定子电阻，ωr为电机的机械转速，ψf为永磁同步电机的转子磁链，iq(k)为永磁同步电机k时刻的q轴电流，id(k)为永磁同步电机k时刻的d轴电流，uq(k)为永磁同步电机k时刻的q轴电压，ud(k)为永磁同步电机k时刻的d轴电压，uq(k+1)为永磁同步电机k+1时刻的q轴电流，ud(k+1)为永磁同步电机k+1时刻的d轴电流，iqref为永磁同步电机q轴电流的参考值，idref为永磁同步电机d轴电流的参考值，TS是电流环的采样周期。
进一步，获取永磁同步电机q轴电流的参考值iqref包括如下步骤：
获取永磁同步电机当前位置的位置数字信号和位置给定信号，并将所述位置给定信号转换为位置给定数字信号；
确定位置环比例系数的初始值，获得位置环的比例系数，并基于所述位置环的比例系数、位置数字信号和位置给定信号进行比例运算，得到初始速度给定信号；
对所述位置环进行前馈补偿，得到速度给定信号的前馈补偿量；
将所述初始速度给定信号和速度给定信号的前馈补偿量叠加求和，得到速度给定信号ωr *；
将所述位置数字信号进行微分，得到速度反馈信号；
基于所述速度给定信号ωr *和速度反馈信号，利用PI控制器得到永磁同步电机q轴电流的参考值iqref。
另一方面，本发明实施例提供了一种用于永磁同步电机电流环预测的控制系统，包括控制器、逆变器、位置传感器和电流电压采集电路；
所述位置传感器用于采集永磁同步电机当前位置的位置模拟信号；所述电流电压采集电路用于采集永磁同步电机d、q轴的电流值与电压值；所述逆变器与所述永磁同步电机相连接，用于接收控制器输出的PWM控制信号，以实现对永磁同步电机的驱动控制；所述上位机用于输出位置给定信号至控制器；
所述控制器包括通过总线接口连接的FPGA控制模块和DSP控制模块其中，所述FPGA控制模块，用于将电流电压采集电路输出的d、q轴模拟电流信号和模拟电压信号转换为数字电流信号和数字电压信号，将位置传感器输出的位置模拟信号和上位机输出的位置给定信号转换为位置数字信号和位置给定数字信号，并将所述数字电流信号、数字电压信号、位置给定数字信号和位置数字信号输出至DSP控制模块；
所述DSP控制模块，用于根据所述FPGA控制模块输出的位置数字信号和位置给定数字信号得到永磁同步电机q轴电流的参考值iqref，将所述永磁同步电机q轴电流的参考值iqref、数字电流信号和数字电压信号输入搭建的电流无差拍控制模型得到下一时刻q轴的预测电压；以及，将永磁同步电机d轴的电流值与d轴电流的参考值idref作差后得到的结果输入PI控制器得到下一时刻d轴的预测电压；并将基于所述下一时刻q轴的预测电压和d轴的预测电压得到的PWM控制信号输入至逆变器。
进一步，所述DSP控制模块搭建的电流无差拍控制模型表示为：
式中，LS为永磁同步电机的等效电感，R为永磁同步电机定子电阻，ωr为电机的机械转速，ψf为永磁同步电机的转子磁链，iq(k)为永磁同步电机k时刻的q轴电流，id(k)为永磁同步电机k时刻的d轴电流，uq(k)为永磁同步电机k时刻的q轴电压，ud(k)为永磁同步电机k时刻的d轴电压，uq(k+1)为永磁同步电机k+1时刻的q轴电流，ud(k+1)为永磁同步电机k+1时刻的d轴电流，iqref为永磁同步电机q轴电流的参考值，idref为电机d轴电流的参考值，TS是电流环的采样周期。
进一步，获取永磁同步电机q轴电流的参考值iqref包括如下步骤：
所述FPGA控制模块同时接收位置传感器输出的位置数字信号和上位机输出的位置给定信号，将所述位置给定信号转化为位置给定数字信号，并将所述位置数字信号和位置给定数字信号输出至DSP控制模块；
DSP控制模块确定位置环比例系数的初始值，获得位置环的比例系数，并基于所述位置环的比例系数、位置数字信号和位置给定数字信号进行比例运算，得到初始速度给定信号；
对所述位置环进行前馈补偿，得到速度给定信号的前馈补偿量；
将所述初始速度给定信号和速度给定信号的前馈补偿量叠加求和，得到速度给定信号ωr *；
将所述位置数字信号进行微分，得到速度反馈信号；
基于所述速度给定信号ωr *和速度反馈信号，利用PI控制器得到永磁同步电机q轴电流的参考值iqref。
进一步，所述位置传感器包括旋转变压器和激磁信号解旋电路，其中，所述旋转变压器与永磁同步电机同轴安装，所述激磁信号解旋电路与FPGA控制模块连接；
所述旋转变压器，用于测量永磁同步电机的位置模拟信号；
所述激磁信号解旋电路，用于接收所述解旋变压器输出的位置模拟信号并解旋，得到位置数字信号并输出至FPGA控制模块。
进一步，所述激磁信号解旋电路包括滤波移相电路和解旋芯片；
所述滤波移相电路，用于修正所述旋转变压器输出的位置模拟信号的相位和幅值，得到修正位置模拟信号；
所述解旋芯片，用于将所述滤波移相电路输出的修正位置模拟信号转换为位置数字信号并输出至FPGA控制模块。
进一步，所述控制系统还包括电源板模块，用于为所述控制器和电流电压采集电路供电。
进一步，所述电源板模块包括DC/DC变换单元和保护单元；
所述DC/DC转换单元，用于将28V的直流电转换为5V和12V，分别为控制器和电流电压采集电路供电；
所述保护单元，用于检测电源板模块的电流，实现过流保护和继电保护。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
1、一种用于永磁同步电机电流环预测的控制方法，搭建了无差拍电流控制模型，获得了下一时刻q轴的预测电压，只要提前设置好永磁同步电机的相应参数和采样周期，便可基于获得的d、q轴预测电压实现对永磁同步电机的驱动控制，解决了现有的控制器存在的控制成本大且鲁棒性较差的问题，节省了控制成本，提高了鲁棒性。
2、一种用于永磁同步电机电流环预测的控制系统，无差拍电流控制方法在控制器的DSP控制模块实现，DSP控制模块与FPGA控制模块通过总线接口实现通信功能，DSP控制模块与FPGA控制模块分工明确且任务分配合理，具有很高的实时性。
3、通过电源板模块，为控制系统中的相应模块提供了运行所需的电压，同时，能够实现电路的过流检测和继电保护功能，提高了控制系统的可靠性和稳定性。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为一个实施例中用于永磁同步电机电流环预测的控制方法流程图；
图2为一个实施例中永磁同步电机电流预测双闭环结构图；
图3为另一个实施例中用于永磁同步电机电流环预测的控制系统结构图；
图4为另一个实施例中永磁同步电机交轴电流控制时序图；
图5为另一个实施例中控制器软件控制架构图；
图6为另一个实施例中控制系统的硬件结构示意图；
附图标记：
110-FPGA控制模块，120-DSP控制模块，200-逆变器，300-永磁同步电机，400-位置传感器，500-电流电压采集模块，600-上位机。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
传统PID控制器对永磁同步电机进行控制时，由于电机的非线性与变量耦合特性，在电机不同使用工况下都需要调试参数，浪费了时间与资源，且鲁棒性较差。针对现有技术存在的问题，本申请提出一种用于永磁同步电机电流环预测的控制方法及系统，基于获得的无差拍电流控制模型，得到下一时刻永磁同步电机交轴的预测电压，经过滚动的计算与电流跟随，使得误差趋向于零。该控制方法主要用在航天领域的永磁同步电机高精度控制系统中，不仅可以实现对永磁同步电机的高精度与动态性能的提升，同时对卫星成像技术与对地观测系统有着重要的意义，可以实现更高的轨道扫描精度，结合卫星图像处理技术，可以获取更加清晰的地球表层信息，这对于社会生活和科学研究都起到了重要的作用。
本发明的一个具体实施例，公开了一种用于永磁同步电机电流环预测的控制方法，如图1所示。包括如下步骤：
步骤S1、采集当前时刻永磁同步电机d、q轴的电流值id(k)、iq(k)与电压值ud(k)、uq(k)。
步骤S2、获得永磁同步电机q轴电流的参考值iqref。具体的，永磁同步电机q轴电流的参考值iqref主要依据于永磁同步电机的位置环获得，具体包括如下步骤：
S201、获取永磁同步电机当前位置的位置数字信号和位置给定信号，并将位置给定信号转换为位置给定数字信号。
S202、确定位置环比例系数的初始值，获得位置环的比例系数，并基于位置环的比例系数、位置数字信号和位置给定数字信号进行比例运算，得到初始速度给定信号。具体的，位置环控制为一阶系统，位置环比例系数初始值KPP0选取其中KPP表示位置环的比例系数，KS表示速度等效比例系数，Ts是速度等效时间常数。基于位置环比例系数的初始值可以得到位置环的比例系数，其中，位置环比例系数的计算公式为：KPP＝KPP0+ΔKPP|ωr|，其中，KPP为位置环比例系数，KPP0为位置环比例系数初始值，ΔKPP为位置环反馈速度信息调整系数，ωr为永磁同步电机的机械转速。最后，基于位置环的比例系数、位置数字信号和位置给定数字信号进行比例运算，得到初始速度给定信号。
S203、对所述位置环进行前馈补偿，得到速度给定信号的前馈补偿量。根据前馈补偿的计算公式得到速度给定信号的前馈补偿量，其中，Kf是前馈系数；Tf是前馈环节延时时间常数，为位置环控制采样周期的一半，一般取0.5ms。
S204、将所述初始速度给定信号和速度给定信号的前馈补偿量叠加求和，得到速度给定信号ωr *，该速度给定信号为位置环控制的输出信号，同时也是速度环控制的输入信号。
S205、将所述位置数字信号进行微分，得到速度反馈信号。将速度给定信号ωr *和速度反馈信号同时输入速度环，PI控制器(速度环)基于速度给定信号ωr *和速度反馈信号，得到永磁同步电机q轴电流的参考值iqref。
步骤S3、建立电流无差拍控制模型，所述电流无差拍控制模型基于当前时刻永磁同步电机d、q轴的电流值与电压值获得下一时刻永磁同步电机q轴的预测电压。具体的，该电流无差拍控制模型基于双线性变换理论，建立一个更为精确的数学模型，通过增量式的方式消除转子磁链永磁矢量对模型稳定性的影响，该模型是由双线性思想离散得出的基于两拍跨度的模型，精度比传统离散模型更加精确，增强控制器的鲁棒性。
具体的计算公式如下：
式中，LS为永磁同步电机的等效电感，R为永磁同步电机定子电阻，ωr为电机的机械转速，ψf为永磁同步电机的转子磁链，iq(k)为永磁同步电机k时刻的q轴电流，id(k)为永磁同步电机k时刻的d轴电流，uq(k)为永磁同步电机k时刻的q轴电压，ud(k)为永磁同步电机k时刻的d轴电压，uq(k+1)为永磁同步电机k+1时刻的q轴电流，ud(k+1)为永磁同步电机k+1时刻的d轴电流，iqref为永磁同步电机q轴电流的参考值，idref为永磁同步电机d轴电流的参考值，TS是电流环的采样周期。
步骤S4、将永磁同步电机d、q轴的电流值与电压值和永磁同步电机q轴电流的参考值iqref同时输入电流无差拍控制模型，得到下一时刻q轴的预测电压；以及，将采集的永磁同步电机d轴的电流值与d轴电流的参考值idref作差得到的结果输入PI控制器得到下一时刻d轴的预测电压。
步骤S5、基于下一时刻q轴的预测电压和d轴的预测电压得到PWM控制信号并输入至与永磁同步电机相连接的逆变器，以实现对永磁同步电机的驱动控制。
具体来说，如图2所示的永磁同步电机电流预测双闭环结构图，将采集的永磁同步电机d、q轴的电流与电压和永磁同步电机q轴电流的参考值输入无差拍电流控制模型，得到下一时刻q轴的预测电压，同时，将永磁同步电机d轴的电流值与d轴电流的参考值idref作差后得到的结果输入PI控制器得到下一时刻d轴的预测电压。其次，获得的下一时刻q轴的预测电压和d轴的预测电压首先经过PARK变换得到α和β轴的电压uα和uβ，再将uα和uβ同时输入SVPWM模块得到PWM控制信号，将该PWM控制信号输入与永磁同步电机相连接的逆变器，以实现对永磁同步电机的驱动控制。
与现有技术相比，本实施例提供的用于永磁同步电机电流环预测的控制方法，搭建了无差拍电流控制的离散模型，获得了下一时刻q轴的预测电压，只要提前设置好永磁同步电机的相应参数和采样周期，便可基于d、q轴的预测电压实现对永磁同步电机的驱动控制，解决了现有的控制器存在的控制成本大且鲁棒性较差的问题，节省了控制成本，提高了鲁棒性。
本发明的另一个具体实施例，公开了一种用于永磁同步电机电流环预测的控制系统，如图3所示。包括控制器、逆变器200、位置传感器400、电流电压采集电路500和上位机600；位置传感器400用于采集永磁同步电机300当前位置的位置模拟信号；电流电压采集电路500用于采集永磁同步电机300的d、q轴电流值与电压值；逆变器200用于接收控制器输出的PWM控制信号，以实现对永磁同步电机300的驱动控制；上位机600,用于向FPGA控制模块输出位置给定信号。其中，控制器包括FPGA控制模块110和DSP控制模块120，两者之间通过总线接口连接，其中，FPGA控制模块110，用于将电流电压采集电路输出的d、q轴模拟电流信号和模拟电压信号转换为数字电流信号和数字电压信号，将位置传感器输出的位置模拟信号和上位机输出的位置给定信号转换为位置数字信号和位置给定数字信号，并将数字电流信号、数字电压信号、位置给定数字信号和位置数字信号输出至DSP控制模块。DSP控制模块120，用于根据FPGA控制模块输出的位置数字信号和位置给定数字信号得到永磁同步电机q轴电流的参考值iqref，并将永磁同步电机q轴电流的参考值iqref、数字电流信号和数字电压信号输入搭建的电流无差拍控制模型得到下一时刻q轴的预测电压；以及，将永磁同步电机d轴的电流值与d轴电流的参考值idref作差后得到的结果输入PI控制器得到下一时刻d轴的预测电压；并基于下一时刻q轴的预测电压和d轴的预测电压得到的PWM控制信号输入至逆变器。
实施时，上位机与FPGA控制模块通过R232进行串口通讯。同时，控制系统还可以包括与控制器连接的示波器，用于显示控制器在运行过程中获得的一些重要信号，如d、q轴的电流值与电压值，并对这些重要信号进行记录与分析。
与现有技术相比，本实施例提供的用于永磁同步电机电流环预测的控制系统，搭建了无差拍电流控制模型，获得了下一时刻q轴的预测电压，只要提前设置好永磁同步电机的相应参数和采样周期，便可基于d、q轴的预测电压实现对永磁同步电机的驱动控制，解决了现有的控制器存在的控制成本大且鲁棒性较差的问题，节省了控制成本，提高了鲁棒性。同时，该无差拍电流控制模型为基于采集的d、q轴的电流及电压搭建，相比于传统的控制器对设计参数敏感和抗干扰能力不强的性能，控制器的稳定性更好。同时，无差拍电流控制方法在控制器的DSP控制模块实现，DSP控制模块与FPGA控制模块通过总线接口实现通信功能，DSP控制模块与FPGA控制模块分工明确且任务分配合理，具有很高的实时性。
优选地，DSP控制模块搭建的电流无差拍控制模型表示为：
式中，LS为永磁同步电机的等效电感，R为永磁同步电机定子电阻，ωr为电机的机械转速，ψf为永磁同步电机的转子磁链，iq(k)为永磁同步电机k时刻的q轴电流，id(k)为永磁同步电机k时刻的d轴电流，uq(k)为永磁同步电机k时刻的q轴电压，ud(k)为永磁同步电机k时刻的d轴电压，uq(k+1)为永磁同步电机k+1时刻的q轴电流，ud(k+1)为永磁同步电机k+1时刻的d轴电流，iqref为永磁同步电机q轴电流的参考值，idref为电机d轴电流的参考值，TS是电流环的采样周期。
通过DSP控制模块搭建的电流无差拍控制模型，获得了下一时刻q轴的预测电压，只要提前设置好永磁同步电机的相应参数和采样周期，便可基于获得的d、q轴的预测电压实现对永磁同步电机的驱动控制，解决了现有的控制器存在的控制成本大且鲁棒性较差的问题，节省了控制成本，提高了鲁棒性。
具体的，获取永磁同步电机q轴电流的参考值iqref包括：FPGA控制模块同时接收位置传感器输出的位置数字信号和上位机输出的位置给定信号，将位置给定信号转化为位置给定数字信号，并将位置数字信号和位置给定数字信号输出至DSP控制模块。DSP控制模块确定位置环比例系数的初始值，获得位置环的比例系数，并基于位置环的比例系数、位置数字信号和位置给定信号进行比例运算，得到初始速度给定信号。具体的，位置环控制为一阶系统，位置环比例系数初始值KPP0选取其中KPP表示位置环的比例系数，KS表示速度等效比例系数，Ts是速度等效时间常数。基于位置环比例系数的初始值可以得到位置环的比例系数，其中，位置环比例系数的计算公式为：KPP＝KPP0+ΔKPP|ωr|，其中，KPP为位置环比例系数，KPP0为位置环比例系数初始值，ΔKPP为位置环反馈速度信息调整系数，ωr为永磁同步电机的机械转速。最后，基于位置环的比例系数、位置数字信号和位置给定数字信号进行比例运算，得到初始速度给定信号。接着，对位置环进行前馈补偿，根据前馈补偿的计算公式/>得到速度给定信号的前馈补偿量，其中，Kf是前馈系数；Tf是前馈环节延时时间常数，为位置环控制采样周期的一半，一般取0.5ms。将初始速度给定信号和速度给定信号的前馈补偿量叠加求和，得到速度给定信号ωr *，该速度给定信号为位置环控制的输出信号，同时也是速度环控制的输入信号。最后，将位置数字信号进行微分，得到速度反馈信号，并将速度给定信号ωr *和速度反馈信号同时输入速度环，PI控制器(速度环)基于速度给定信号ωr *和速度反馈信号，得到永磁同步电机q轴电流的参考值iqref。
通过获取永磁同步电机q轴电流的参考值iqref，为通过电流无差拍控制模型获得下一时刻q轴预测电压值提供了依据和支撑，对实现永磁同步电机的驱动具有重要意义。
具体的，如图4所示的永磁同步电机交轴电流控制时序图，在k时刻DSP控制模块接收来自电流电压采集模块采集得到的一组电流值，从k时刻开始，DSP控制模块进行控制算法的计算和处理，等到k+1次中断时刻到来，DSP控制模块将k时刻开始计算并得到的计算结果输出到SVPMW模块以生成PWM控制信号，在k+2时刻，电流电压采集模块采集到的电流值是k时刻采集的电流经过DSP控制模块计算并实施到逆变器上产生的，因此该伺服电流闭环控制存在两个控制周期的延时。由此可知，永磁同步电机电流的给定与反馈周期是控制器周期的两倍，即本申请对永磁同步电机交轴电流的改进无差拍控制研究是基于两拍延时开展的。
如图5所示的控制器软件控制架构，该控制器中的FPGA控制模块和DSP控制模块能够更好的配合工作。DSP控制模块进入主循环等待接收主机的指令，指令由主机通过串口输出至DSP控制模块，DSP控制模块解析指令后进入设定的运行模式，在循环中读取FPGA控制模块处理得到的永磁同步电机的位置和电流信号，执行控制算法，得到PWM信号并输出至逆变器。
优选地，位置传感器包括旋转变压器和激磁信号解旋电路，其中，旋转变压器与永磁同步电机同轴安装，激磁信号解旋电路与FPGA控制模块连接；旋转变压器，用于测量永磁同步电机的位置模拟信号；激磁信号解旋电路，用于接收解旋变压器输出的位置模拟信号并解旋，得到位置数字信号并输出至FPGA控制模块。具体来说，旋转变压器可以使用光电编码器代替，用于采集永磁同步电机的电机轴旋转至当前位置的位置模拟信号。
优选地，激磁信号解旋电路包括滤波移相电路和解旋芯片；滤波移相电路，用于修正所述旋转变压器输出的位置模拟信号的相位和幅值，得到修正位置模拟信号；解旋芯片，用于将滤波移相电路输出的修正位置模拟信号转换为位置数字信号并输出至FPGA控制模块。
具体的，滤波移相电路可以调整旋转变压器输出的位置模拟信号的相位和幅值的偏差，修正由于旋转变压器自身的工艺瑕疵造成的位置模拟信号的误差。同时，使用AD2S80系列解旋芯片对滤波移相电路输出的修正位置模拟信号进行转换，得到位置数字信号并输出至FPGA控制模块。
在永磁同步电机的输出端连接位置传感器，构成了位置环，该位置环可以采集永磁同步电机的电机轴旋转至当前位置的位置模拟信号，并将该位置模拟信号反馈至控制器。同时，通过位置环可以获得无差拍电流环控制模型所需的永磁同步电机q轴电流的参考值iqref，为实现永磁同步电机的驱动控制提供依据和支撑，简单易行，易于实施。
优选地，如图4所示，该控制系统还包括电源板模块，用于为控制器和电流电压采集电路供电。优选地，电源板模块包括DC/DC变换单元和保护单元；DC/DC转换单元，用于将28V的直流电转换为5V和12V，分别为控制器和电流电压采集电路供电；保护单元，用于检测电源板模块的电流，实现过流保护和继电保护。
具体来说，该电源板模块连接28V直流电源，其中，电源板模块中的DC/DC变换单元将28V的直流电转换为5V和12V的直流源，5V的直流源用于为控制器中的FPGA控制模块和DSP模块供电，12V的直流源用于为控制系统中的电流电压采集电路和位置传感器提供必要的电压。电源板模块还包括保护单元，该保护单元能够检测电路的电流，实现过流检测功能，同时，当电路发生故障时，能够切断相应的故障部分，实现继电保护功能。
通过电源板模块，为控制系统中的相应模块提供了运行所需的电压，同时，能够实现电路的过流检测和继电保护功能，提高了控制系统的可靠性和稳定性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种用于永磁同步电机电流环预测的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
采用电流电压采集电路采集永磁同步电机d、q轴的电流值与电压值；获得永磁同步电机q轴电流的参考值iqref；
将所述永磁同步电机d、q轴的电流值与电压值，以及永磁同步电机q轴电流的参考值iqref同时输入建立的电流无差拍控制模型中，得到下一时刻q轴的预测电压；以及，将采集的永磁同步电机d轴的电流值与d轴电流的参考值idref作差得到的结果输入PI控制器得到下一时刻d轴的预测电压；
基于所述下一时刻q轴的预测电压和d轴的预测电压得到PWM控制信号并输入至与永磁同步电机相连接的逆变器，以实现对永磁同步电机的驱动控制；
建立的所述电流无差拍控制模型的公式如下：
式中，LS为永磁同步电机的等效电感，R为永磁同步电机定子电阻，ωr为电机的机械转速，ψf为永磁同步电机的转子磁链，iq(k)为永磁同步电机k时刻的q轴电流，id(k)为永磁同步电机k时刻的d轴电流，uq(k)为永磁同步电机k时刻的q轴电压，ud(k)为永磁同步电机k时刻的d轴电压，uq(k+1)为永磁同步电机k+1时刻的q轴电流，ud(k+1)为永磁同步电机k+1时刻的d轴电流，iqref为永磁同步电机q轴电流的参考值，idref为永磁同步电机d轴电流的参考值，TS是电流环的采样周期。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，获取永磁同步电机q轴电流的参考值iqref包括如下步骤：
获取永磁同步电机当前位置的位置数字信号和位置给定信号，并将所述位置给定信号转换为位置给定数字信号；
确定位置环比例系数的初始值，获得位置环的比例系数，并基于所述位置环的比例系数、位置数字信号和位置给定数字信号进行比例运算，得到初始速度给定信号；
对所述位置环进行前馈补偿，得到速度给定信号的前馈补偿量；
将所述初始速度给定信号和速度给定信号的前馈补偿量叠加求和，得到速度给定信号ωr *；
将所述位置数字信号进行微分，得到速度反馈信号；
基于所述速度给定信号ωr *和速度反馈信号，利用PI控制器得到永磁同步电机q轴电流的参考值iqref。
3.一种用于永磁同步电机电流环预测的控制系统，其特征在于，包括控制器、逆变器、位置传感器、电流电压采集电路和上位机；
所述位置传感器用于采集永磁同步电机当前位置的位置模拟信号；所述电流电压采集电路用于采集永磁同步电机d、q轴的电流值与电压值；所述逆变器与所述永磁同步电机相连接，用于接收控制器输出的PWM控制信号，以实现对永磁同步电机的驱动控制；所述上位机用于输出位置给定信号至控制器；
所述控制器包括通过总线接口连接的FPGA控制模块和DSP控制模块其中，所述FPGA控制模块，用于将电流电压采集电路输出的d、q轴模拟电流信号和模拟电压信号转换为数字电流信号和数字电压信号，将位置传感器输出的位置模拟信号和上位机输出的位置给定信号转换为位置数字信号和位置给定数字信号，并将所述数字电流信号、数字电压信号、位置给定数字信号和位置数字信号输出至DSP控制模块；
所述DSP控制模块，用于根据所述FPGA控制模块输出的位置数字信号和位置给定数字信号得到永磁同步电机q轴电流的参考值iqref，将所述永磁同步电机q轴电流的参考值iqref、数字电流信号和数字电压信号输入搭建的电流无差拍控制模型得到下一时刻q轴的预测电压；以及，将永磁同步电机d轴的电流值与d轴电流的参考值idref作差后得到的结果输入PI控制器得到下一时刻d轴的预测电压；并将基于所述下一时刻q轴的预测电压和d轴的预测电压得到的PWM控制信号输入至逆变器；
所述DSP控制模块搭建的电流无差拍控制模型表示为：
式中，LS为永磁同步电机的等效电感，R为永磁同步电机定子电阻，ωr为电机的机械转速，ψf为永磁同步电机的转子磁链，iq(k)为永磁同步电机k时刻的q轴电流，id(k)为永磁同步电机k时刻的d轴电流，uq(k)为永磁同步电机k时刻的q轴电压，ud(k)为永磁同步电机k时刻的d轴电压，uq(k+1)为永磁同步电机k+1时刻的q轴电流，ud(k+1)为永磁同步电机k+1时刻的d轴电流，iqref为永磁同步电机q轴电流的参考值，idref为电机d轴电流的参考值，TS是电流环的采样周期。
4.根据权利要求3所述的控制系统，其特征在于，获取永磁同步电机q轴电流的参考值iqref包括如下步骤：
所述FPGA控制模块同时接收位置传感器输出的位置模拟信号和上位机输出的位置给定信号，转化为位置数字信号和位置给定数字信号并输出至DSP控制模块；
DSP控制模块确定位置环比例系数的初始值，获得位置环的比例系数，并基于所述位置环的比例系数、位置数字信号和位置给定数字信号进行比例运算，得到初始速度给定信号；
对所述位置环进行前馈补偿，得到速度给定信号的前馈补偿量；
将所述初始速度给定信号和速度给定信号的前馈补偿量叠加求和，得到速度给定信号ωr *；
将所述位置数字信号进行微分，得到速度反馈信号；
基于所述速度给定信号ωr *和速度反馈信号，利用PI控制器得到永磁同步电机q轴电流的参考值iqref。
5.根据权利要求3所述的控制系统，其特征在于，所述位置传感器包括旋转变压器和激磁信号解旋电路，其中，所述旋转变压器与永磁同步电机同轴安装，所述激磁信号解旋电路与FPGA控制模块连接；
所述旋转变压器，用于测量永磁同步电机的位置模拟信号；
所述激磁信号解旋电路，用于接收所述旋转变压器输出的位置模拟信号并解旋，得到位置数字信号并输出至FPGA控制模块。
6.根据权利要求5所述的控制系统，其特征在于，所述激磁信号解旋电路包括滤波移相电路和解旋芯片；
所述滤波移相电路，用于修正所述旋转变压器输出的位置模拟信号的相位和幅值，得到修正位置模拟信号；
所述解旋芯片，用于将所述滤波移相电路输出的修正位置模拟信号转换为位置数字信号并输出至FPGA控制模块。
7.根据权利要求3所述的控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括电源板模块，用于为所述控制器和电流电压采集电路供电。
8.根据权利要求7所述的控制系统，其特征在于，所述电源板模块包括DC/DC变换单元和保护单元；
所述DC/DC转换单元，用于将28V的直流电转换为5V和12V，分别为控制器和电流电压采集电路供电；
所述保护单元，用于检测电源板模块的电流，实现过流保护和继电保护功能。
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