CN113904607A

CN113904607A - 用于永磁同步电机的预测电流控制方法以及相关设备

Info

Publication number: CN113904607A
Application number: CN202111118368.4A
Authority: CN
Inventors: 张永昌; 杨海涛; 申雯佳; 郭小江; 付明志; 秦猛
Original assignee: North China University of Technology; Huaneng Clean Energy Research Institute; North China Electric Power University; Huaneng Group Technology Innovation Center Co Ltd
Current assignee: North China University of Technology; Huaneng Clean Energy Research Institute; North China Electric Power University; Huaneng Group Technology Innovation Center Co Ltd
Priority date: 2021-09-22
Filing date: 2021-09-22
Publication date: 2022-01-07
Anticipated expiration: 2041-09-22
Also published as: CN113904607B

Abstract

本公开提供一种用于永磁同步电机的预测电流控制方法以及相关设备。所述方法包括：获取在第k控制周期由电流传感器检测到的定子电流值和由位置传感器检测到的转子位置数据，其中k为正整数；利用多个基本电压矢量中的在第k控制周期施加的一个基本电压矢量的编号以及转子位置数据，从预先构建的电流变化二维查找表中查找到第一目标电流变化值；计算出定子电流值与第一目标电流变化值之和，作为第k+1控制周期的第一定子电流预测值；计算得到多个代价值；选择多个基本电压矢量中的与多个代价值中的最小值对应的基本电压矢量，作为第k+1控制周期的目标电压矢量；在第k+1控制周期根据目标电压矢量向逆变器发出脉冲信号，以控制永磁同步电机运转。

Description

用于永磁同步电机的预测电流控制方法以及相关设备

技术领域

本公开实施例涉及永磁同步电机的传动控制技术，尤其涉及一种用于永磁同步电机的预测电流控制方法以及相关设备。

背景技术

永磁同步电机(例如，表贴式永磁同步电机(SPMSM))已被广泛应用。为确保整个系统的性能良好，电流控制对于永磁同步电机传动是很重要的。作为一种有希望的用于永磁同步电机传动的高性能控制的方法，基于模型的预测电流控制(MPCC)已被提出。然而，在参数不匹配的情况下MPCC的性能下降。为了解决这一问题，已提出一种只依赖于电流传感器的无模型参数预测电流控制(MFPCC)。

传统的MFPCC应用一维查找表，该表存储电流变化，其索引是基本电压向量的编号，从而可以用先前存储的信息来近似未来的电流变化，以避免基于模型的预测。然而，如果某一特定电压矢量引起的电流变化在较长时间内不进行更新，则可能会出现较大的预测误差，这被称为常规MFPCC的滞差更新。电流变化不仅与输入电压有关，还可能与转子的位置有关。特别是在永磁同步电机高速运转时，一维查找表中先前存储的电流变化在当前工作点可能不够精确，导致在正常运行时可能会出现明显的电流波纹。

发明内容

有鉴于此，本公开实施例的目的在于提出一种用于永磁同步电机的预测电流控制方法以及相关设备。

基于上述目的，本公开实施例提供了一种用于永磁同步电机的预测电流控制方法，包括：

获取在第k控制周期由电流传感器检测到的定子电流值和由位置传感器检测到的转子位置数据，其中k为正整数；

利用多个基本电压矢量中的在第k控制周期施加的一个基本电压矢量的编号以及所述转子位置数据，从预先构建的电流变化二维查找表中查找到第一目标电流变化值；

计算出所述定子电流值与所述第一目标电流变化值之和，作为第k+1控制周期的第一定子电流预测值；

通过下列操作得到多个代价值：对于所述多个基本电压矢量中的每一个基本电压矢量，

利用该基本电压矢量的编号以及所述转子位置数据，从所述电流变化二维查找表中查找到第二目标电流变化值；

计算出所述第一定子电流预测值与所述第二目标电流变化值之和，作为第k+2控制周期的第二定子电流预测值；

根据所述第二定子电流预测值和给定电流值，计算得到一个所述代价值；

选择所述多个基本电压矢量中的与所述多个代价值中的最小值对应的基本电压矢量，作为第k+1控制周期的目标电压矢量；

在第k+1控制周期根据所述目标电压矢量向逆变器发出脉冲信号，以控制所述永磁同步电机运转。

基于同一发明构思，本公开还提供了一种用于永磁同步电机的预测电流控制装置，包括：

获取模块，被配置为获取在第k控制周期由电流传感器检测到的定子电流值和由位置传感器检测到的转子位置数据，其中k为正整数；

查找模块，被配置为利用多个基本电压矢量中的在第k控制周期施加的一个基本电压矢量的编号以及所述转子位置数据，从预先构建的电流变化二维查找表中查找到第一目标电流变化值；

电流预测模块，被配置为计算出所述定子电流值与所述第一目标电流变化值之和，作为第k+1控制周期的第一定子电流预测值；

代价值计算模块，被配置为通过下列操作得到多个代价值：对于所述多个基本电压矢量中的每一个基本电压矢量，

选择模块，被配置为选择所述多个基本电压矢量中的与所述多个代价值中的最小值对应的基本电压矢量，作为第k+1控制周期的目标电压矢量；

控制模块，被配置为在第k+1控制周期根据所述目标电压矢量向逆变器发出脉冲信号，以控制所述永磁同步电机运转。

基于同一发明构思，本公开还提供了一种电子设备，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，所述处理器执行所述程序时实现上述的预测电流控制方法。

基于同一发明构思，本公开还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行上述的预测电流控制方法。

从上面所述可以看出，本公开的实施例利用永磁同步电机的当前控制周期的定子电流检测值以及包含转子位置数据的电流变化二维查找表，预测下两个控制周期的定子电流，并根据电流预测结果选择下一控制周期最优的控制电压矢量，这样，在利用二维查找表进行预测电流控制时更精确地考虑了转子位置信息，从而提高了永磁同步电机在高速运转时的性能。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书一个或多个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说明书一个或多个实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为永磁同步电机中不同转子位置所对应的电流变化的示意图。

图2为本公开实施例的永磁同步电机的MFPCC的控制示意图。

图3为本公开实施例的用于永磁同步电机的预测电流控制方法的流程图。

图4为本公开实施例的电流变化二维查找表的示意图。

图5(a)和图5(b)示出了在额定负载下传统MFPCC在转速分别为150rpm和1500rpm时的电流稳态响应波形，图5(c)和图5(d)示出了在额定负载下本公开实施例的MFPCC在转速分别为150rpm和1500rpm时的电流稳态响应波形。

图6为本公开实施例的MFPCC与其他电流预测方法的电流总谐波失真(THD)的对比示意图。

图7为本公开实施例的MFPCC与其他电流预测方法的q轴电流跟随误差的均方根误差(RMSE)的对比示意图。

图8示出了本公开实施例的MFPCC在-1500rpm至1500rpm的转速反转过程中的动态响应波形。

图9为本公开实施例的用于永磁同步电机的预测电流控制装置的结构图。

图10为本公开实施例的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

需要说明的是，除非另外定义，本说明书一个或多个实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书一个或多个实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开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公开一部分实施例而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，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，都属于本公开保护的范围。

参考图1，为永磁同步电机中不同转子位置所对应的电流变化的示意图。图1中曲线1为当转子电角速度ω_e＝2π10rad/s时的电流变化曲线，曲线2为当ω_e增加到2π100rad/s时的电流变化曲线。可以看出，当转子位置从0到2π变化时，Δi_sα和Δi_sβ的示例性轨迹与基本电压矢量u_x(x＝0,1,2,...,7)相关，当ω_e＝2π10rad/s时，电流变化在Δi_sα-Δi_sβ平面上的投影集中在一个狭窄的区域，说明电流变化几乎与转子位置无关，主要由施加的基本电压矢量u_x决定。

然而，当ω_e增加到2π100rad/s时，Δi_sα和Δi_sβ的变化幅度很大。因此，如果与基本电压矢量u_x相关的电流变化不长时间更新，由于此时转子已经旋转了一个大角度，此时一维的电流变化查找表对于电流预测结果不可靠。

参考图2，为本公开实施例的永磁同步电机的MFPCC的控制示意图。

在具体实施中，通过给定转速

由比例积分控制器(PI)计算出q轴给定电流

根据q轴给定电流

通过以下公式计算出给定电流值

其中，

表示由比例积分控制器生成的q轴给定电流，ω_e表示转子电角速度，T_s表示所述电流传感器的采样周期，该采样周期与所述控制周期相应。

进一步地，通过传感器检测到的转子位置以及所使用的基本电压矢量，根据电流变化二维查找表，查找到第一目标电流变化值。

进一步地，计算出定子电流值与第一目标电流变化值之和，作为第k+1控制周期的第一定子电流预测值。

进一步地，对基本电压矢量进行预测为第k+2控制周期内的第二定子电流预测值。

进一步地，根据第二定子电流预测值和给定电流值，计算得到一个所述代价值。

进一步地，选择多个基本电压矢量中与多个代价值中的最小值对应的基本电压矢量，作为第k+1控制周期的目标电压矢量。

进一步地，在第k+1控制周期根据目标电压矢量向逆变器发出脉冲信号，以控制永磁同步电机运转。

参考图3，为本公开实施例的用于永磁同步电机的预测电流控制方法的流程图。该预测电流控制方法可在数字信号处理器(DSP)上执行，包括步骤S101～S106。

步骤S101，获取在第k控制周期由电流传感器检测到的定子电流值和由位置传感器检测到的转子位置数据，其中k为正整数。

在本步骤中，电流传感器检测到abc三相静止坐标系下的定子电流，其中c相定子电流为0，将检测到的定子电流通过电流采样得到第k控制周期的定子电流，采样周期为T_s，采样周期与控制周期相应，为了减少坐标变换和系统复杂度，将abc三相静止坐标系下的定子电流通过Clarke变换将其变换为α-β两相静止坐标系下的定子电流：

步骤S102，利用多个基本电压矢量中的在第k控制周期施加的一个基本电压矢量的编号以及所述转子位置数据，从预先构建的电流变化二维查找表中查找到第一目标电流变化值。

图4为本公开实施例的电流变化二维查找表的示意图。该电流变化二维查找表的第一索引由所述基本电压矢量的编号x构成，第二索引由离散化的转子位置r_θ构成。

对于两电平逆变器，有8种开关状态，所述基本电压矢量包括1个零矢量u_0,7和下式表示的6个有功电压矢量u_l：

u_l＝2/3U_dce^j(x-1)π/3

其中，l＝1,2,...,6；U_dc表示直流母线电压。

所述转子位置是按照下式离散化的：

其中，N为正整数，在实验中发现，10≤N≤30时预测结果较好；r_θ∈[0,N-1]表示离散化的转子位置；

表示在第k控制周期的转子角度位置，且

floor()表示向下取整函数；

在电流变化二维查找表中，与基本电压矢量的编号x(x＝0,1,2,...,7)和离散化的转子位置r_θ对应的电流变化值是通过下列方式确定的：

在所述永磁同步电机的转子处于所述离散化的转子位置r_θ时，在第k控制周期向所述永磁同步电机施加x对应的所述基本电压矢量u_x，并由电流传感器检测得到第一定子电流感测值，在第k+1控制周期向所述永磁同步电机施加x对应的所述基本电压矢量u_x并由所述电流传感器检测得到第二定子电流感测值；

计算出第二定子电流感测值与第一定子电流感测值之差，作为所述电流变化值。

步骤S103，计算出所述定子电流值与所述第一目标电流变化值之和，作为第k+1控制周期的第一定子电流预测值。

在本公开实施例中，第k+1控制周期的第一定子电流预测值通过以下公式计算：

其中，i_s(k)为所述定子电流值，

为通过查找所述电流变化二维查找表而得到的第一目标电流变化值，i_s(k+1)为第k+1控制周期的第一定子电流预测值。

步骤S104，通过下列操作得到多个代价值：

对于所述多个基本电压矢量中的每一个基本电压矢量，

根据所述第二定子电流预测值和给定电流值，计算得到一个所述代价值。

例如，可以根据下列代价函数计算所述代价值：

其中，g表示代价函数，

表示所述给定电流值，i_s(k+2)表示第k+2控制周期的所述第二定子电流预测值，I_max表示定子电流幅度的最大允许值。

例如，所述给定电流值

是根据下式计算出的：

其中，

在具体实施中，电流传感器检测到的定子电流值与q轴给定电流越接近，证明电流跟随性越好，本公开的永磁同步电机的预测电流控制方法越准确。

步骤S105，选择所述多个基本电压矢量中的与所述多个代价值中的最小值对应的基本电压矢量，作为第k+1控制周期的目标电压矢量。

步骤S106，在第k+1控制周期根据所述目标电压矢量向逆变器发出脉冲信号，以控制所述永磁同步电机运转。

参考图5，其中图5(a)示出了在额定负载下传统MFPCC在转速为150rpm时的电流稳态响应波形，图5(b)示出了在额定负载下传统MFPCC在转速为1500rpm时的电流稳态响应波形，图5(c)示出了在额定负载下本公开实施例的MFPCC在转速为150rpm时的电流稳态响应波形，图5(d)示出了在额定负载下本公开实施例的MFPCC在转速为1500rpm时的电流稳态响应波形，各图中从上至下依次为d轴电流、q轴电流、q轴指定电流以及永磁同步电机定子端a相电流的波形。从图5可见，根据本公开实施例的MFPCC在高速条件下电流变化稳定，q轴电流毛刺少，定子电流正弦性好。

图6为本公开实施例的MFPCC与其他电流预测方法得到的电流总谐波失真(THD)的对比示意图。图7为本公开实施例的MFPCC与其他电流预测方法的q轴电流跟随误差的均方根误差(RMSE)的对比示意图。从图6和图7可见，当转速增加时，对于传统的MFPCC，电流THD和RMSE都变大，而对于本公开实施例的MFPCC以及具有精确模型参数的MPCC，电流THD和RMSE都保持在较低的水平。然而，当估计的电感存在20％或-20％误差时，传统的MPCC中会出现明显的q轴电流跟踪误差。显然，本公开实施例的MFPCC在稳态性能和参数鲁棒性方面是最好的。

图8示出了本公开实施例的MFPCC在-1500rpm至1500rpm的转速反转过程中的动态响应波形。从图8可见，在暂态过程中实际的q轴电流可以很好地保持在它的参考值。该结果表明，本公开实施例的MFPCC在较宽的速度范围内表现良好。

基于同一发明构思，与上述任意实施例方法相对应的，本公开还提供了一种永磁同步电机的预测电流控制装置。参考图9，所述的永磁同步电机的预测电流控制装置可以包括：

获取模块901，被配置为获取在第k控制周期由电流传感器检测到的定子电流值和由位置传感器检测到的转子位置数据，其中k为正整数；

查找模块902，被配置为利用多个基本电压矢量中的在第k控制周期施加的一个基本电压矢量的编号以及所述转子位置数据，从预先构建的电流变化二维查找表中查找到第一目标电流变化值；

电流预测模块903，被配置为计算出所述定子电流值与所述第一目标电流变化值之和，作为第k+1控制周期的第一定子电流预测值；

代价值计算模块904，被配置为通过下列操作得到多个代价值：对于所述多个基本电压矢量中的每一个基本电压矢量，

选择模块905，被配置为选择所述多个基本电压矢量中的与所述多个代价值中的最小值对应的基本电压矢量，作为第k+1控制周期的目标电压矢量；

控制模块906，被配置为在第k+1控制周期根据所述目标电压矢量向逆变器发出脉冲信号，以控制所述永磁同步电机运转。

为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种模块分别描述。当然，在实施本公开时可以把各模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

上述实施例的装置用于实现前述实施例中相应的方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。

基于同一发明构思，与上述任意实施例方法相对应的，本公开还提供了一种电子设备。该电子设备，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，所述处理器执行所述程序时实现根据前述任意实施例的预测电流控制方法。

图10示出了本实施例所提供的一种电子设备的结构示意图。该电子设备可以包括：处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030、通信接口1040和总线1050。处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030和通信接口1040通过总线1050实现彼此之间在设备内部的通信连接。

处理器1010可以采用通用的CPU(Central Processing Unit，中央处理器)、微处理器、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、或者一个或多个集成电路等方式实现，用于执行相关程序，以实现本说明书实施例所提供的技术方案。

存储器1020可以采用ROM(Read Only Memory，只读存储器)、RAM(Random AccessMemory，随机存取存储器)、静态存储设备，动态存储设备等形式实现。存储器1020可以存储操作系统和其他应用程序，在通过软件或者固件来实现本说明书实施例所提供的技术方案时，相关的程序代码保存在存储器1020中，并由处理器1010来调用执行。

输入/输出接口1030用于连接输入/输出模块，以实现信息输入及输出。输入输出/模块可以作为组件配置在设备中(图中未示出)，也可以外接于设备以提供相应功能。其中输入设备可以包括键盘、鼠标、触摸屏、麦克风、各类传感器等，输出设备可以包括显示器、扬声器、振动器、指示灯等。

通信接口1040用于连接通信模块(图中未示出)，以实现本设备与其他设备的通信交互。其中通信模块可以通过有线方式(例如USB、网线等)实现通信，也可以通过无线方式(例如移动网络、WIFI、蓝牙等)实现通信。

总线1050包括一通路，在设备的各个组件(例如处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030和通信接口1040)之间传输信息。

需要说明的是，尽管上述设备仅示出了处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030、通信接口1040以及总线1050，但是在具体实施过程中，该设备还可以包括实现正常运行所必需的其他组件。此外，本领域的技术人员可以理解的是，上述设备中也可以仅包含实现本说明书实施例方案所必需的组件，而不必包含图中所示的全部组件。

上述实施例的电子设备用于实现根据前述任一实施例的预测电流控制方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。

基于同一发明构思，与上述任意实施例方法相对应的，本公开还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行日上任意一实施例所述的永磁同步电机的控制方法。

本实施例的计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、闪存或其他内存、光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。

上述实施例的存储介质存储的计算机指令用于使所述计算机执行根据上述任一实施例的预测电流控制方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本公开的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本公开的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本公开难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本公开难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本公开的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本公开的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本公开。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本公开的具体实施例对本公开进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。

本公开旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。