CN115800854A - 电机谐波转矩补偿方法、装置、电子设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种电机谐波转矩补偿方法、装置、电子设备及存储介质，该方法通过获取电机的定子电阻，及电机在预设坐标轴的坐标轴电流、预设电流、电感，根据坐标轴电流和预设电流确定电流反馈误差，并确定滑模面函数值，基于滑模面函数值、电流反馈误差、定子电阻、电感、坐标轴电流和预设电流确定预设坐标轴的坐标轴电压，以通过坐标轴电压调节电机的电流误差收敛到平衡状态，基于滑模面函数值、电感、定子电阻确定未建模干扰以及转矩谐波估计值，并确定补偿后的指令电压，以对干扰以及谐波转矩进行补偿，考虑了电流环的未建模干扰以及由电流环谐波扰动所造成的转矩波动，能对未建模干扰的抑制，对转矩波动进行补偿，方法简单，更可靠性。

Description

电机谐波转矩补偿方法、装置、电子设备及存储介质

技术领域

本发明涉及电机驱动控制领域，具体涉及一种电机谐波转矩补偿方法、装置、电子设备及存储介质。

背景技术

永磁同步电机是一种将电能转化为机械动能的机电设备，其具有功率密度高，结构紧凑，控制性能好等优势，因此被作为电动汽车的驱动机构。然而由于永磁同步电机的电机本体，逆变器的非线性以及电流采样误差，会使得输出转矩产生大量的谐波转矩，谐波转矩不仅会使得动力系统产生噪声异响，还会影响电动汽车乘坐的舒适性。因此，需要在电机控制算法中设计谐波转矩补偿算法，防止谐波转矩对动力系统的不利影响，同时保证电驱动系统实现精确的转矩输出。

由于采用矢量控制，永磁同步电机的输出转矩正比于同步旋转坐标系下的交轴(q轴)电流，因此，为保证高精度的扭矩输出必须实现精确的电流控制。传统抑制谐波转矩的方法通常在电流环将迭代学习或重复控制算法与比例积分(PI)控制器并联的控制方案，例如专利CN114039519Α公开了永磁同步电机转矩脉动抑制方法，其通过鲁棒内模控制和分数阶矢量谐振控制相结合，来提高永磁同步电机电流环的鲁棒性，抑制永磁同步电机转矩脉动，但是并联控制信号的频域特性容易发生混叠，从而影响动态响应。又例如专利CN112564557Α通过根据永磁同步电机的基本结构，建立其在d-q轴的数学模型并提取系统的输入参数，通过带遗忘因子的最小二乘法模型辨识出电机参数，进而获得电流环控制模型，将系统的输入参数输入至用粒子群算法训练好的RBF神经网络模型模型，生成速度环控制模型，根据所述电流环控制模型和速度环控制模型生成永磁同步电机的自适应控制模型，但上述方法较为繁琐，且依赖于对RBF神经网络模型模型训练的可靠性，导致成本高、可靠性存疑。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明实施例提供了一种电机谐波转矩补偿方法、装置、电子设备及存储介质，以解决上述技术问题。

本发明实施例提供的一种电机谐波转矩补偿方法，所述电机转矩谐波补偿方法包括：获取电机的定子电阻，及所述电机在预设坐标轴的坐标轴电流、预设电流、电感，所述预设坐标轴包括纵轴和交轴；根据所述坐标轴电流和所述预设电流确定电流反馈误差，并确定滑模面函数值；基于所述滑模面函数值、所述电流反馈误差、所述定子电阻、所述电感、所述坐标轴电流和所述预设电流确定所述预设坐标轴的坐标轴电压，以通过所述坐标轴电压调节所述电机的电流误差收敛到平衡状态；基于所述滑模面函数值、所述电感、所述定子电阻确定未建模干扰以及转矩谐波估计值，并确定补偿后的指令电压，通过所述补偿后的指令电压对干扰以及谐波转矩进行补偿。

于本发明一实施例中，所述电流反馈误差的确定方式包括：

e_d＝I_d ^*-I_d，

e_q＝I_q ^*-I_q，

其中，e_d为纵轴的电流反馈误差，I_d ^*为纵轴的预设电流，I_d为纵轴的坐标轴电流，e_q为交轴的电流反馈误差，I_q ^*为交轴的预设电流，I_q为交轴的坐标轴电流。

于本发明一实施例中，所述滑模面函数值的确定方式包括：

其中，S_d为纵轴的滑模面函数值，e_d为纵轴的电流反馈误差，S_q为交轴的滑模面函数值，e_q为交轴的电流反馈误差，α为积分常数，0、t为积分的下限和上限，t为时间。

于本发明一实施例中，所述坐标轴电压的确定方式包括：

G_d＝1/L_d，

G_q＝1/L_q，

F_d＝R_s/L_d，

F_q＝R_s/L_q，

其中，U_d为纵轴的坐标轴电压，L_d为纵轴的电感，I_d ^*为纵轴的预设电流，I_d为纵轴的坐标轴电流，S_d为纵轴的滑模面函数值，e_d为纵轴的电流反馈误差，U_q为交轴的坐标轴电压，L_q为交轴的电感，I_q ^*为交轴的预设电流，I_q为交轴的坐标轴电流，S_q为交轴的滑模面函数值，e_q为交轴的电流反馈误差，R_s为定子电阻，g₁为符号函数的开关增益，g₁>0，g₂为指数系数，α为积分常数。

于本发明一实施例中，所述未建模干扰以及转矩谐波估计值的确定方式如下：

其中，

为纵轴的未建模干扰以及转矩谐波估计值，

为交轴的未建模干扰以及转矩谐波估计值，g₁为符号函数的开关增益，g₁>0，g₂为指数系数，S_d为纵轴的滑模面函数值，S_q为交轴的滑模面函数值，k_r为带通滤波器的增益参数，L_d为纵轴的电感，L_q为交轴的电感，s为拉普拉斯算子，R_s为定子电阻，ω_c为阻尼系数，ω₀为中心频率，λ为低通滤波器的时间常数，k_r为带通滤波器的增益参数。

于本发明一实施例中，所述补偿后的指令电压的确定方式包括：

其中，U_{d_d}，U_{q_q}表示补偿后的指令电压，U_d为纵轴的坐标轴电压，U_q为交轴的坐标轴电压，L_d为纵轴的电感，L_q为交轴的电感，

为纵轴的未建模干扰以及转矩谐波估计值，

为交轴的未建模干扰以及转矩谐波估计值。

本发明实施例提供的一种电机谐波转矩补偿装置，该装置包括：获取模块，用于获取电机的定子电阻，及所述电机在预设坐标轴的坐标轴电流、预设电流、电感，所述预设坐标轴包括纵轴和交轴；滑膜面模块，用于根据所述坐标轴电流和所述预设电流确定电流反馈误差，并确定滑模面函数值；电流误差收敛模块，用于基于所述滑模面函数值、所述电流反馈误差、所述定子电阻、所述电感、所述坐标轴电流和所述预设电流确定所述预设坐标轴的坐标轴电压，以通过所述坐标轴电压调节所述电机的电流误差收敛到平衡状态；补偿模块，用于基于所述滑模面函数值、所述电感、所述定子电阻确定未建模干扰以及转矩谐波估计值，并确定补偿后的指令电压，通过所述补偿后的指令电压对干扰以及谐波转矩进行补偿。

本发明实施例提供的一种电机谐波转矩补偿方法，所述电机转矩谐波补偿方法包括：基于电机的电流环数学模型构建滑膜面，并构建电流误差的滑膜控制律，所述滑膜控制律用于控制所述电机的电流误差收敛到平衡状态；创建干扰以及转矩谐波与估计值的传递函数，将所述传递函数改写为估计误差方程；构建指数趋近律，基于所述指数趋近律和扰动补偿确定补偿后所述滑模面的微分；基于所述估计误差方程和补偿后所述滑模面的微分确定未建模干扰以及转矩谐波估计模型；获取所述电机的当前参数，基于所述当前参数通过所述未建模干扰以及转矩谐波估计模型估计的干扰以及谐波转矩，并前馈到电压指令中，以对干扰以及谐波转矩进行补偿。

本发明实施例提供的一种电子设备，所述电子设备包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述电子设备实现如上述任一项实施例所述的方法。

本发明实施例提供的一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，当所述计算机程序被计算机的处理器执行时，使计算机执行如上述任一项实施例所述的方法。

本发明实施例的有益效果：本发明实施例提供了一种电机谐波转矩补偿方法、装置、电子设备及存储介质，该方法通过获取电机的定子电阻，及电机在预设坐标轴的坐标轴电流、预设电流、电感，预设坐标轴包括纵轴和交轴，根据坐标轴电流和预设电流确定电流反馈误差，并确定滑模面函数值，基于滑模面函数值、电流反馈误差、定子电阻、电感、坐标轴电流和预设电流确定预设坐标轴的坐标轴电压，以通过坐标轴电压调节电机的电流误差收敛到平衡状态，基于滑模面函数值、电感、定子电阻确定未建模干扰以及转矩谐波估计值，并确定补偿后的指令电压，通过补偿后的指令电压对干扰以及谐波转矩进行补偿，考虑了电流环的未建模干扰，能够实现对未建模干扰的抑制，也考虑了由电流环谐波扰动所造成的转矩波动，可以实现对转矩波动进行补偿，方法简单，成本低，在较小的开关频率下实现强鲁棒性，可靠性佳。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术者来讲，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。在附图中：

图1是本申请的一示例性实施例示出的电机谐波转矩补偿方法的流程图；

图2是本申请的一示例性实施例示出的滤波器在不同滤波器时间常数(λ)下幅频响应的伯德图；

图3是本申请的一示例性实施例示出的滤波器在不同增益系数(k_r)下幅频响应的伯德图；

图4是本申请的一示例性实施例示出的滤波器在不同阻尼系数(ω_c)下幅频响应的伯德图；

图5是本申请的一示例性实施例示出的电机谐波转矩补偿方法对电机进行控制的控制框图；

图6是本申请的一示例性实施例示出的采用本申请电机谐波转矩补偿方法与传统方法的仿真结果对比示意图；

图7是本申请的一示例性实施例示出的电机谐波转矩补偿装置的结构示意图；

图8示出了适于用来实现本申请实施例的电子设备的计算机系统的结构示意图。

具体实施方式

以下将参照附图和优选实施例来说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书中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。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

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。

在下文描述中，探讨了大量细节，以提供对本发明实施例的更透彻的解释，然而，对本领域技术人员来说，可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明的实施例是显而易见的，在其他实施例中，以方框图的形式而不是以细节的形式来示出公知的结构和设备，以避免使本发明的实施例难以理解。

永磁同步电机是一种将电能转化为机械动能的机电设备，其具有功率密度高，结构紧凑，控制性能好等优势，因此被作为电动汽车的驱动机构。然而由于永磁同步电机的电机本体，逆变器的非线性以及电流采样误差，会使得输出转矩产生大量的谐波转矩，谐波转矩不仅会使得动力系统产生噪声异响，还会影响电动汽车乘坐的舒适性。因此，需要在电机控制算法中设计谐波转矩补偿算法，防止谐波转矩对动力系统的不利影响，同时保证电驱动系统实现精确的转矩输出。

相关技术中，抑制谐波转矩的方法通常在电流环将迭代学习或重复控制算法与比例积分(PI)控制器并联的控制方案，这种控制方案虽然简单可靠，但是并联控制信号的频域特性容易发生混叠，从而影响动态响应。电机在运行时通常还会面临各种时变未建模干扰，干扰的频率特性不一定已知。除上述因素外，电流环本身可以看作一阶惯性环节，因此会影响补偿算法的增益，从而降低谐波转矩抑制性能。

为解决上述问题，本申请的实施例分别提出一种电机谐波转矩补偿方法、一种电机谐波转矩补偿装置、一种电子设备、一种计算机可读存储介质以及一种计算机程序产品，以下将对这些实施例进行详细描述。

请参阅图1，图1是本申请的一示例性实施例示出的电机谐波转矩补偿方法的流程图。该方法可以通过本领域技术人员所知晓的其他实施环境执行，例如，该方法可以应用于电动车用永磁同步电机的扭矩控制算法中等。如图1所示，在一示例性的实施例中，该电机谐波转矩补偿方法至少包括步骤S101至步骤S104，详细介绍如下：

步骤S101：获取电机的定子电阻，及电机在预设坐标轴的坐标轴电流、预设电流和电感。

其中，预设坐标轴包括纵轴(d轴)和交轴(q轴)，各坐标轴的预设电流可以由本领域技术人员根据需要进行设定，在此不做限定。

通过在永磁同步电机控制中，为了能够得到类似直流电机的控制特性，在电机转子上建立了一个坐标系，此坐标系与转子同步转动，取转子磁场方向为d轴，垂直于转子磁场方向为q轴，将电机的数学模型转换到此坐标系下，可实现d轴和q轴的解耦，从而得到良好控制特性。故本实施例中，预设坐标轴包括d轴和q轴。

各坐标轴均可以得到该坐标轴分量的坐标轴电流、预设电流和电感。对于定子电阻、坐标轴电流、预设电流和电感的获取方式可以采用本领域技术人员所知晓的方式实现，在此不做限定。

步骤S102：根据坐标轴电流和预设电流确定电流反馈误差，并确定滑模面函数值。

其中，电流反馈误差的确定方式包括：

e_d＝I_d ^*-I_d 公式(1)，

e_q＝I_q ^*-I_q 公式(2)，

其中，e_d为纵轴的电流反馈误差，I_d ^*为纵轴的预设电流，I_d为纵轴的坐标轴电流，e_q为交轴的电流反馈误差，I_q ^*为交轴的预设电流，I_q为交轴的坐标轴电流。

在本实施例中，滑模面函数值的确定方式包括：

其中，S_d为纵轴的滑模面函数值，e_d为纵轴的电流反馈误差，S_q为交轴的滑模面函数值，e_q为交轴的电流反馈误差，α为积分常数，0、t为积分的下限和上限，t为时间。

在确定滑模面函数值之前，该方法还包括，

建立永磁同步电机电流环的数学模型，也即电流环模型，对数学模型进行改写，得到改写模型。

其中，电流环模型的一种示例性的公式为：

其中，U_d、U_q、I_d、I_q分别为同步旋转坐标系下的d-q轴电压、电流，R_S、Ld、Lq分别为定子电阻、以及同步旋转坐标系下的d-q轴电感，ω_e为电角频率，ψ_f为永磁体磁链，U_{hαr_d}和U_{hαr_q}表示由于逆变器非线性以及电流采样误差产生的谐波电压，谐波电压会在电流环中产生同频次的谐波电流，从而造成输出转矩波动，T_e为电机的输出转矩。

改写模型的一种示例性的公式为：

F_d＝R_s/L_d 公式(6)，

F_q＝R_s/L_q 公式(7)，

G_d＝1/L_d 公式(8)，

G_q＝1/L_q 公式(9)，

D_d＝(-ω_e L_qI_q+ U_{hαr_d})/ L_d 公式(10)，

D_q＝(ω_e(L_dI_d+ψ_f)+U_{hαr_q})/L_q 公式(11)。

其中，I_d、I_q分别为同步旋转坐标系下的d-q轴电流，R_S为定子电阻，Ld、Lq为同步旋转坐标系下的d-q轴电感，ω_e为电角频率，ψ_f为永磁体磁链，U_{hαr_d}和U_{hαr_q}表示由于逆变器非线性以及电流采样误差产生的谐波电压，U_d、U_q分别为同步旋转坐标系下的d-q轴电压。F_d、F_q、G_d、G_q、D_d、D_q分别为其所表征公式的标识符号。

步骤S103，基于滑模面函数值、电流反馈误差、定子电阻、电感、坐标轴电流和预设电流确定预设坐标轴的坐标轴电压，以通过坐标轴电压调节电机的电流误差收敛到平衡状态。

其中，坐标轴电压的确定方式包括：

G_d＝1/L_d 公式(8)，

G_q＝1/L_q 公式(9)，

F_d＝R_s/L_d 公式(6)，

F_q＝R_s/L_q 公式(7)，

其中，U_d为纵轴的坐标轴电压，L_d为纵轴的电感，I_d ^*为纵轴的预设电流，I_d为纵轴的坐标轴电流，S_d为纵轴的滑模面函数值，e_d为纵轴的电流反馈误差，U_q为交轴的坐标轴电压，L_q为交轴的电感，I_q ^*为交轴的预设电流，I_q为交轴的坐标轴电流，S_q为交轴的滑模面函数值，e_q为交轴的电流反馈误差，R_s为定子电阻，g₁为符号函数的开关增益，g₁>0，g₂为指数系数，α为积分常数。

为避免滑模控制律产生的抖振，采用指数趋近律如下所示：

其中，g₁>0为符号函数的开关增益，g₂为指数系数，

为纵轴的滑模面函数的一阶导数，

为交轴的滑模面函数的一阶导数，S_d为纵轴的滑模面函数，S_q为交轴的滑模面函数。

在一实施例中，电流误差的微分可表示为：

其中，

为纵轴的电流反馈误差的一阶导数，

为交轴的电流反馈误差的一阶导数，I_d ^*为纵轴的预设电流，

为纵轴的坐标轴电流的一阶导数，I_q ^*为交轴的预设电流，

为交轴的坐标轴电流的一阶导数，F_d、G_d、U_d、D_d、F_q、G_q、U_q、D_q的确定方式可以参考上述公式(6)-公式(11)，U_d、U_q分别为同步旋转坐标系下的d-q轴电压。

结合式(13)、(14)得到滑模控制律的表达式如下所示：

其中，U_d、U_q、I_d、I_q分别为同步旋转坐标系下的d-q轴电压、电流，

为纵轴的预设电流的一阶导数，

为交轴的预设电流的一阶导数，g1为符号函数的开关增益，g1>0，g2为指数系数，α为积分常数，S_d为纵轴的滑模面函数，S_q为交轴的滑模面函数，e_d为纵轴的电流反馈误差，e_q为交轴的电流反馈误差。F_d、F_q、G_d、G_q分别为其所表征公式的标识符号，确定的方式可以参考上述公式(6)-公式(9)。

步骤S104，基于滑模面函数值、电感、定子电阻确定未建模干扰以及转矩谐波估计值，并确定补偿后的指令电压，通过补偿后的指令电压对干扰以及谐波转矩进行补偿。

在一实施例中，未建模干扰以及转矩谐波估计值的确定之前，该方法还包括：

为抑制系统内的干扰以及抑制谐波，假设干扰以及转矩谐波与估计值存在如下的传递函数：

其中，

分别表示d-q轴扰动的估计值，F_dfilter、F_qfilter分别为嵌入了被控对象的改进滤波器。λ为低通滤波器的时间常数，该时间常数越小，说明滤波器的带宽越宽，但是过高的带宽会引入噪声，因此参数必须在噪声和带宽之间折中选择，k_r为带通滤波器的增益参数，该参数越大说明增益越大，越能够准确估计出系统的转矩谐波，ω_c为阻尼系数，决定控制器带宽，参数越大，带宽越宽，然而增益会受到影响，因此该参数也需要根据实际需求合理选择，ω₀为中心频率，Ld、Lq分别为同步旋转坐标系下的d-q轴电感，s为拉普拉斯算子，R_S为定子电阻，ω_e为电角频率，D_d、D_q为标识符号，其确定方式可以参考公式(10)和公式(11)。

将(16)重新改写成关于估计误差的方程：

其中，

分别表示d-q轴扰动的估计值，λ为低通滤波器的时间常数，该时间常数越小，说明滤波器的带宽越宽，但是过高的带宽会引入噪声，因此参数必须在噪声和带宽之间折中选择，k_r为带通滤波器的增益参数，该参数越大说明增益越大，越能够准确估计出系统的转矩谐波，ω_c为阻尼系数，决定控制器带宽，参数越大，带宽越宽，然而增益会受到影响，因此该参数也需要根据实际需求合理选择，ω₀为中心频率，Ld、Lq分别为同步旋转坐标系下的d-q轴电感，s为拉普拉斯算子，R_S为定子电阻，e_dd、e_qq分别为d、q轴扰动的估计误差。

加入扰动补偿后，滑模面的微分可进一步表示为：

其中，

为纵轴的滑模面函数的一阶导数，

为交轴的滑模面函数的一阶导数，S_d为纵轴的滑模面函数，S_q为交轴的滑模面函数，

分别表示d-q轴扰动的估计值，D_d、D_q为标识符号，其确定方式可以参考公式(10)和公式(11)，g1为符号函数的开关增益，g1>0，g2为指数系数，e_dd、e_qq分别为d、q轴扰动的估计误差。

当系统达到滑模态时，可以得到：

其中，S_d为纵轴的滑模面函数，S_q为交轴的滑模面函数，

为纵轴的滑模面函数的一阶导数，

为交轴的滑模面函数的一阶导数。

结合公式(17)和公式(18)可以得到：

其中，

分别表示d-q轴扰动的估计值，λ为低通滤波器的时间常数，t为，ω_c为阻尼系数，Ld、Lq分别为同步旋转坐标系下的d-q轴电感，s为拉普拉斯算子，k_r为带通滤波器的增益参数，ω₀为中心频率，R_S为定子电阻，g1为符号函数的开关增益，g1>0，g2为指数系数，S_d为纵轴的滑模面函数，S_q为交轴的滑模面函数。

对公式(19)两边同时进行积分可以分别得到d、q轴电流的扰动以及转矩谐波的估计值，也即未建模干扰以及转矩谐波估计值的确定方式如下：

其中，

为纵轴的未建模干扰以及转矩谐波估计值，

为交轴的未建模干扰以及转矩谐波估计值，g₁为符号函数的开关增益，g₁>0，g₂为指数系数，S_d为纵轴的滑模面函数值，S_q为交轴的滑模面函数值，k_r为带通滤波器的增益参数，L_d为纵轴的电感，L_q为交轴的电感，s为拉普拉斯算子，R_s为定子电阻，ω_c为阻尼系数，ω₀为中心频率，λ为低通滤波器的时间常数，k_r为带通滤波器的增益参数。

将估计的干扰以及谐波转矩前馈到电压指令中实现对干扰的补偿，补偿后的电压指令如下所示，也即补偿后的指令电压的确定方式包括：

其中，U_{d_d}，U_{q_q}表示补偿后的指令电压，U_d为纵轴的坐标轴电压，U_q为交轴的坐标轴电压，L_d为纵轴的电感，L_q为交轴的电感，

为纵轴的未建模干扰以及转矩谐波估计值，

为交轴的未建模干扰以及转矩谐波估计值。

本发明实施例还提供了另一种电机谐波转矩补偿方法，该电机谐波转矩补偿方法包括：

基于电机的电流环数学模型构建滑膜面，并构建电流误差的滑膜控制律，滑膜控制律用于控制电机的电流误差收敛到平衡状态；

创建干扰以及转矩谐波与估计值的传递函数，将传递函数改写为估计误差方程；

构建指数趋近律，基于指数趋近律和扰动补偿确定补偿后滑模面的微分；

基于估计误差方程和补偿后滑模面的微分确定未建模干扰以及转矩谐波估计模型；

获取电机的当前参数，基于当前参数通过未建模干扰以及转矩谐波估计模型估计的干扰以及谐波转矩，并前馈到电压指令中，以对干扰以及谐波转矩进行补偿。

其中，当前参数可以参考上述各模型中所需要的变量确定，包括但不限于电机的定子电阻，及电机在预设坐标轴的坐标轴电流、预设电流、电感等，预设坐标轴包括纵轴和交轴。在一实施例中，该电机转矩控制方法可以应用于电动车用永磁同步电机的扭矩控制领域。

一种示例性的采用上述实施例提供的方法以实现电机转矩控制方法的方式如下：

第一，建立永磁同步电机电流环的数学模型，一种电流环数学模型的示例可参见公式(4)。

第二，为了便于设计控制算法，可以将上述电流环数学模型改写为公式(5)。

第三，为保证控制算法的鲁棒性分别在d-q轴电流设计滑模控制律，设计滑模控制律的积分滑模面可参见公式(3)，此时，可以将S_d作为纵轴的滑模面函数、S_q作为交轴的滑模面函数。

第四，为避免滑模控制律产生的抖振，可以采用指数趋近律，其中指数趋近律可以为公式(13)，电流误差的微分可以表示为公式(14)，通过结合公式(13)和公式(14)可以得到滑模控制律，该滑模控制律可以为公式(15)。

第五，为了制系统内的干扰以及抑制谐波，假设干扰以及转矩谐波与估计值存在传递函数如公式(16)所示，将上述传递函数改写成关于估计误差的方程如公式(17)所示。

第六，加入扰动补偿后，滑模面的微分可以表示为公式(18)，当系统达到滑模态时，可以得到公式(19)，结合公式(17)和公式(18)可以得到公式(20)，对两边同时进行积分可以分别得到d、q轴电流的扰动以及转矩谐波的估计值，如公式(21)所示。

第七，将估计的干扰以及谐波转矩前馈到电压指令中实现对干扰的补偿，补偿后的电压指令，可参见公式(22)和公式(23)。

参见图2，图2是本申请的一示例性实施例示出的滤波器在不同滤波器时间常数(λ)下幅频响应的伯德图，如图2所示，滤波器时间常数λ主要影响低频段的带宽，时间常数越小，带宽越高，估计值将更加迅速的跟踪到给定值，然而这也将放大高频噪声，因此该参数应该折衷选择。需要说明的是，图2中上半部分的图像中，图像右侧从上到下各条曲线分别为0.001λ、0.01λ、0.1λ、1λ，图2中下半部分的图像中，图像中部从上到下各条曲线分别为0.001λ、0.01λ、0.1λ、1λ。

参见图3，图3是本申请的一示例性实施例示出的滤波器在不同增益系数(k_r)下幅频响应的伯德图，如图3所示，随着增益系数k_r的增加，中心频率所在的增益提高，意味着估计器能够更有效的估计转矩谐波。图3中上半部分的图像中，图像中部从上到下各条曲线分别为4k_r、3k_r、2k_r、k_r，图3中下半部分的图像中，图像左半部分从上到下各条曲线分别为4k_r、3k_r、2k_r、k_r。

参见图4，图4是本申请的一示例性实施例示出的滤波器在不同阻尼系数(ω_c)下幅频响应的伯德图，从图4可以看出，随着阻尼系数ω_c的增加，带宽增加，但是中心频率处的增益下降，一般而言，该参数一般选择为5-15rad/s。图4中上半部分的图像中，图像中部从上到下各条曲线分别为ω_c、2ω_c、3ω_c、4ω_c，图4中下半部分的图像中，图像左半部分(频率为10¹～10²)从上到下各条曲线分别为ω_c、2ω_c、3ω_c、4ω_c。

参见图5，图5是本申请的一示例性实施例示出的电机谐波转矩补偿方法对电机进行控制的控制框图，如图5所示，首先d、q轴电流与给定电流值做差，例如电流传感器采集电机的相电流Ia，Ib的值经过Clark变换和Park变换转化为直流分量Id，Iq，电流给定值Id*，Iq*与反馈值做差，经过公式(3)实时计算d、q轴滑模面函数值，再将该函数值与电流误差输入到公式(15)中，实时计算电压U_d，U_q，经过该电压的调节，能够迫使电流误差收敛到0，同时滑模面的信息输送到公式(21)，实时估计未建模干扰以及转矩谐波，估计的信息作为前馈电压，对干扰以及转矩谐波进行补偿。估计的信息、uation.DSMT4作为前馈电压，对干扰以及转矩谐波进行补偿，补偿后生成新的指令电压Ud_d、Uq_q经过空间脉宽矢量调制算法(SVPWM)，生成新的调制波，驱动电机运行。

参见图6，图6是本申请的一示例性实施例示出的采用本申请电机谐波转矩补偿方法与传统方法的仿真结果对比示意图，如图5所示，本申请实施例提出控制方案与传统PI控制控制方案的仿真对比，可以看出传统PI控制方案下输出力矩波动较大，达到了1.008N·m，而采用本申请实施例所提出的控制方案，扭矩波动小于1.003N·m，当环路内出现直流偏置时，采用本申请实施例所提出的方案仍然能够恢复到指令值。此外还可以看出，控制器明显提升了系统的动态响应，并且不产生超调，仿真表明所提出的方案能够提高扭矩的控制精度以及动态响应。在图6中，水平的虚线为转矩的给定，相对于水平虚线波动幅度较小的为本发明的控制方案，相对于水平虚线波动幅度较大的为传统PI的控制方案。

上述实施例提供的电机谐波转矩补偿方法，通过获取电机的定子电阻，及电机在预设坐标轴的坐标轴电流、预设电流、电感，预设坐标轴包括纵轴和交轴，根据坐标轴电流和预设电流确定电流反馈误差，并确定滑模面函数值，基于滑模面函数值、电流反馈误差、定子电阻、电感、坐标轴电流和预设电流确定预设坐标轴的坐标轴电压，以通过坐标轴电压调节电机的电流误差收敛到平衡状态，基于滑模面函数值、电感、定子电阻确定未建模干扰以及转矩谐波估计值，并确定补偿后的指令电压，通过补偿后的指令电压对干扰以及谐波转矩进行补偿，考虑了电流环的未建模干扰，能够实现对未建模干扰的抑制，也考虑了由电流环谐波扰动所造成的转矩波动，可以实现对转矩波动进行补偿，方法简单，成本低，在较小的开关频率下实现强鲁棒性，可靠性佳。

上述实施例提供的方法，基于滑模控制算法，以d、q轴电流误差构成积分滑模面，再通过滑模面信息以及修正后的滤波器，估计电流环的扰动以及谐波成分，最后将估计的扰动以及谐波电流前馈到电压环中，对系统的扰动以及电流谐波进行补偿。

通过基于电流环的数学模型，构建了基于电流误差的滑模控制律，通过该控制律能够迫使d、q电流误差收敛到平衡状态。为实现对电流环扰动以及谐波电流的估计，通过构建的滑模面信息以及修正后的滤波器，对干扰以及谐波电流进行估计，最后将估计的结果前馈到指令电压，从而实现对干扰以及谐波电流的补偿。

上述实施例中的方法，考虑了电流环的未建模干扰，能够实现对未建模干扰的抑制；考虑了由电流环谐波扰动所造成的转矩波动，可以实现对转矩波动进行补偿；考虑了被控环节对扰动补偿算法增益的影响，能够提升扰动估计性能；控制器结构简单，易于数字化实现，并且能够在较小的开关频率下实现强鲁棒性。

图7是本申请的一示例性实施例示出的电机谐波转矩补偿装置的结构示意图。请参考图7，该装置包括：

获取模块701，用于获取电机的定子电阻，及电机在预设坐标轴的坐标轴电流、预设电流、电感，预设坐标轴包括纵轴和交轴；

滑膜面模块702，用于根据坐标轴电流和预设电流确定电流反馈误差，并确定滑模面函数值；

电流误差收敛模块703，用于基于滑模面函数值、电流反馈误差、定子电阻、电感、坐标轴电流和预设电流确定预设坐标轴的坐标轴电压，以通过坐标轴电压调节电机的电流误差收敛到平衡状态；

补偿模块704，用于基于滑模面函数值、电感、定子电阻确定未建模干扰以及转矩谐波估计值，并确定补偿后的指令电压，通过补偿后的指令电压对干扰以及谐波转矩进行补偿。

需要说明的是，上述实施例所提供的装置与上述实施例所提供的方法属于同一构思，其中各个模块和单元执行操作的具体方式已经在方法实施例中进行了详细描述，此处不再赘述。上述实施例所提供的装置在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能，本处也不对此进行限制。

本申请的实施例还提供了一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述电子设备实现上述各个实施例中提供的方法。

图8示出了适于用来实现本申请实施例的电子设备的计算机系统的结构示意图。需要说明的是，图8示出的电子设备的计算机系统1100仅是一个示例，不应对本申请实施例的功能和使用范围带来任何限制。

如图8所示，计算机系统1100包括中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)1101，其可以根据存储在只读存储器(Read-Only Memory，ROM)1102中的程序或者从储存部分1108加载到随机访问存储器(Random Access Memory，RAM)1103中的程序而执行各种适当的动作和处理，例如执行上述实施例中所述的方法。在RAM 1103中，还存储有系统操作所需的各种程序和数据。CPU1101、ROM 1102以及RAM 1103通过总线1104彼此相连。输入/输出(Input/Output，I/O)接口1105也连接至总线1104。

以下部件连接至I/O接口1105：包括键盘、鼠标等的输入部分1106；包括诸如阴极射线管(Cathode Ray Tube，CRT)、液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)等以及扬声器等的输出部分1107；包括硬盘等的储存部分1108；以及包括诸如LAN(Local AreaNetwork，局域网)卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分1109。通信部分1109经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器1110也根据需要连接至I/O接口1105。可拆卸介质1111，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器1110上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入储存部分1108。

特别地，根据本申请的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本申请的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的计算机程序。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分1109从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质1111被安装。在该计算机程序被中央处理单元(CPU)1101执行时，执行本申请的系统中限定的各种功能。

需要说明的是，本申请实施例所示的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或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是电、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可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(Erasable Programmable Read Only Memory，EPROM)、闪存、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(Compact Disc Read-Only Memory，CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本申请中，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计算机程序。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计算机程序可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线、有线等等，或者上述的任意合适的组合。

附图中的流程图和框图，图示了按照本申请各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。其中，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，上述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图或流程图中的每个方框、以及框图或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

描述于本申请实施例中所涉及到的单元可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现，所描述的单元也可以设置在处理器中。其中，这些单元的名称在某种情况下并不构成对该单元本身的限定。

本申请的另一方面还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被计算机的处理器执行时，使计算机执行如前所述的方法。该计算机可读存储介质可以是上述实施例中描述的电子设备中所包含的，也可以是单独存在，而未装配入该电子设备中。

本申请的另一方面还提供了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行上述各个实施例中提供的方法。

上述实施例仅示例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，但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)

1.一种电机谐波转矩补偿方法，其特征在于，所述电机转矩谐波补偿方法包括：

获取电机的定子电阻，及所述电机在预设坐标轴的坐标轴电流、预设电流、电感，所述预设坐标轴包括纵轴和交轴；

根据所述坐标轴电流和所述预设电流确定电流反馈误差，并确定滑模面函数值；

基于所述滑模面函数值、所述电流反馈误差、所述定子电阻、所述电感、所述坐标轴电流和所述预设电流确定所述预设坐标轴的坐标轴电压，以通过所述坐标轴电压调节所述电机的电流误差收敛到平衡状态；

基于所述滑模面函数值、所述电感、所述定子电阻确定未建模干扰以及转矩谐波估计值，并确定补偿后的指令电压，通过所述补偿后的指令电压对干扰以及谐波转矩进行补偿。

2.如权利要求1所述的电机谐波转矩补偿方法，其特征在于，所述电流反馈误差的确定方式包括：

e_d＝I_d ^*-I_d，

e_q＝I_q ^*-I_q，

其中，e_d为纵轴的电流反馈误差，I_d ^*为纵轴的预设电流，I_d为纵轴的坐标轴电流，e_q为交轴的电流反馈误差，I_q ^*为交轴的预设电流，I_q为交轴的坐标轴电流。

3.如权利要求1所述的电机谐波转矩补偿方法，其特征在于，所述滑模面函数值的确定方式包括：

其中，S_d为纵轴的滑模面函数值，e_d为纵轴的电流反馈误差，S_q为交轴的滑模面函数值，e_q为交轴的电流反馈误差，α为积分常数，0、t为积分的下限和上限，t为时间。

4.如权利要求1所述的电机谐波转矩补偿方法，其特征在于，所述坐标轴电压的确定方式包括：

G_d＝1/L_d，

G_q＝1/L_q，

F_d＝R_s/L_d，

F_q＝R_s/L_q，

其中，U_d为纵轴的坐标轴电压，L_d为纵轴的电感，I_d ^*为纵轴的预设电流，I_d为纵轴的坐标轴电流，S_d为纵轴的滑模面函数值，e_d为纵轴的电流反馈误差，U_q为交轴的坐标轴电压，L_q为交轴的电感，I_q ^*为交轴的预设电流，I_q为交轴的坐标轴电流，S_q为交轴的滑模面函数值，e_q为交轴的电流反馈误差，R_s为定子电阻，g₁为符号函数的开关增益，g₁>0，g₂为指数系数，α为积分常数。

5.如权利要求1所述的电机谐波转矩补偿方法，其特征在于，所述未建模干扰以及转矩谐波估计值的确定方式如下：

其中，

为纵轴的未建模干扰以及转矩谐波估计值，

为交轴的未建模干扰以及转矩谐波估计值，g₁为符号函数的开关增益，g₁>0，g₂为指数系数，S_d为纵轴的滑模面函数值，S_q为交轴的滑模面函数值，k_r为带通滤波器的增益参数，L_d为纵轴的电感，L_q为交轴的电感，s为拉普拉斯算子，R_s为定子电阻，ω_c为阻尼系数，ω₀为中心频率，λ为低通滤波器的时间常数，k_r为带通滤波器的增益参数。

6.如权利要求1所述的电机谐波转矩补偿方法，其特征在于，所述补偿后的指令电压的确定方式包括：

其中，U_{d_d}，U_{q_q}表示补偿后的指令电压，U_d为纵轴的坐标轴电压，U_q为交轴的坐标轴电压，L_d为纵轴的电感，L_q为交轴的电感，

为纵轴的未建模干扰以及转矩谐波估计值，

为交轴的未建模干扰以及转矩谐波估计值。

7.一种电机谐波转矩补偿方法，其特征在于，所述电机转矩谐波补偿方法包括：

基于电机的电流环数学模型构建滑膜面，并构建电流误差的滑膜控制律，所述滑膜控制律用于控制所述电机的电流误差收敛到平衡状态；

创建干扰以及转矩谐波与估计值的传递函数，将所述传递函数改写为估计误差方程；

构建指数趋近律，基于所述指数趋近律和扰动补偿确定补偿后所述滑模面的微分；

基于所述估计误差方程和补偿后所述滑模面的微分确定未建模干扰以及转矩谐波估计模型；

获取所述电机的当前参数，基于所述当前参数通过所述未建模干扰以及转矩谐波估计模型估计的干扰以及谐波转矩，并前馈到电压指令中，以对干扰以及谐波转矩进行补偿。

8.一种电机谐波转矩补偿装置，其特征在于，所述电机转矩谐波补偿装置包括：

获取模块，用于获取电机的定子电阻，及所述电机在预设坐标轴的坐标轴电流、预设电流、电感，所述预设坐标轴包括纵轴和交轴；

滑膜面模块，用于根据所述坐标轴电流和所述预设电流确定电流反馈误差，并确定滑模面函数值；

电流误差收敛模块，用于基于所述滑模面函数值、所述电流反馈误差、所述定子电阻、所述电感、所述坐标轴电流和所述预设电流确定所述预设坐标轴的坐标轴电压，以通过所述坐标轴电压调节所述电机的电流误差收敛到平衡状态；

补偿模块，用于基于所述滑模面函数值、所述电感、所述定子电阻确定未建模干扰以及转矩谐波估计值，并确定补偿后的指令电压，通过所述补偿后的指令电压对干扰以及谐波转矩进行补偿。

9.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括：

一个或多个处理器；

存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述电子设备实现如权利要求1至7中任一项所述的方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，当所述计算机程序被计算机的处理器执行时，使计算机执行如权利要求1至7中任一项所述的方法。

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