CN116015144A - 一种永磁同步电机电流环控制方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种永磁同步电机电流环控制方法及系统，该方法包括：分别获取电机电感直轴和交轴的上下界，计算控制器参数限幅器D轴和Q轴的比例控制参数范围；将电感标称值对应的比例控制参数作为控制器初始参数进行电流环控制；获取电流控制误差、指令周期内电流最大超调量和电流上升时间，基于控制器参数自适应律计算控制器参数修正量；根据参数修正量计算下一周期控制器参数，对控制器参数经限幅器处理后作为控制器参数进行电流环控制；将电流环控制输出进行坐标变换得到UVW三相指令电压信号，经SVPWM发波生成功率开关控制信号控制电机。通过该方案不仅可以避免控制器参数调试复杂、耗时问题，而且可以对指令电流跟踪控制，保证电机输出转矩平稳。
Description
技术领域
本发明属于电机领域，尤其涉及一种永磁同步电机电流环控制方法及系统。
背景技术
永磁同步电机(PMSM)系统具有非线性、各变量强耦合的特点。主流的控制方式是基于空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术使永磁同步电机的磁链、电压和电流解耦为励磁分量和交轴分量实现的，而对于PI电流调节，在设计时，由于忽略了PMSM运动电动势带来的d、q轴电压交叉耦合的影响，以及电机运行过程中无法适应直轴、交轴电感Ld和Lq的变化，导致控制器参数整定调试复杂且耗时较长，在高性能的伺服应用中，这种PI电流调节器的电流跟随性能不理想，电流波动较大，导致转矩脉动较大。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种永磁同步电机电流环控制方法及系统，用于解决PI电流调节中控制器参数调试复杂、耗时长，且电流波动大的问题。
在本发明实施例的第一方面，提供了一种永磁同步电机电流环控制方法，包括：
分别获取电机电感直轴和交轴的上下界，根据直轴、交轴的上下界计算控制器参数限幅器D轴和Q轴的比例控制参数范围；
将电感标称值对应的比例控制参数作为控制器初始参数进行电流环控制；
获取电流控制误差、指令周期内电流最大超调量和电流上升时间，基于控制器参数自适应律计算控制器参数修正量；
根据所述参数修正量计算下一周期控制器参数，对比例控制参数范围外的控制器参数经限幅器处理后作为控制器参数进行电流环控制；
将电流环控制输出进行坐标变换得到UVW三相指令电压信号，经SVPWM发波生成功率开关控制信号控制电机。
在本发明实施例的第二方面，提供了一种永磁同步电机电流环控制系统，包括：
自适应调整模块，用于获取电流控制误差、指令周期内电流最大超调量和电流上升时间，基于控制器参数自适应律计算控制器参数修正量，根据所述参数修正量计算下一周期控制器参数；
限幅器，用于对比例控制参数范围外的控制器参数进行限幅处理，并将限幅后的控制器参数作为电流环控制信号；
其中，所述比例控制参数范围是根据直轴、交轴的上下界计算得到；
控制模块，用于基于初始控制器参数或自适应调整后的控制器参数，对电流环控制信号进行坐标变换得到UVW三相指令电压信号，经SVPWM发波生成功率开关控制信号控制电机。
在本发明实施例的第三方面，提供了一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如本发明实施例第一方面所述方法的步骤。
在本发明实施例的第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明实施例第一方面提供的所述方法的步骤。
本发明实施例中，根据D、Q轴电流误差实时动态的调整控制器参数，不仅有效补偿D、Q轴电压交叉耦合的影响，而且结合控制器参数自适应律能够自动调整控制器参数，避免传统调试方法存在的调试复杂、耗时长等问题，并能适应直轴、交轴电感Ld和Lq的变化影响，实现对快速、波动小的指令电流跟踪控制，保证电机输出转矩平稳。同时，控制器参数经限幅器处理，可以有效防止因通讯或数据异常等导致的控制器参数超出稳定阈值引起的系统失稳、失控现象。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对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取其他附图。
图1为本发明一个实施例提供的一种永磁同步电机电流环控制方法的流程示意图；
图2为本发明一个实施例提供的一种永磁同步电机电流环控制方法的原理示意图；
图3为本发明一个实施例提供的一种永磁同步电机电流环控制系统的结构示意图。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解，本发明的说明书或权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及其他相近意思表述，意指覆盖不排他的包含，如包含一系列步骤或单元的过程、方法或系统、设备没有限定于已列出的步骤或单元。此外，“第一”“第二”用于区分不同对象，并非用于描述特定顺序。
请参阅图1，本发明实施例提供的一种永磁同步电机电流环控制方法的流程示意图，包括：
S101、分别获取电机电感直轴和交轴的上下界，根据直轴、交轴的上下界计算控制器参数限幅器D轴和Q轴的比例控制参数范围；
根据电机电感参数标识可以确定直轴和交轴的上下界，如Ld∈[Ldmin,Ldmax]，Lq∈[Lqmin,Lqmax]，Ld直轴电感，Lq表示交轴电感。
根据电机电感直轴和交轴的上下界，计算控制器参数限幅器的范围D轴比例控制参数Kp_d，Kp_d∈[Kp_dmin,Kp_dmax]，Q轴比例控制参数Kp_q，Kp_q∈[Kp_qmin,Kp_qmax]。
其中，Kp_dmin＝2πfnLd，Kp_dmax＝2πfnLdmax，Kp_qmin＝2πfnLqmin，Kp_qmax＝2πfnLqmax，fn为闭环系统期望频率,一般选取fn＝(1/10～1/20)f_pwm，f_pwm为PWM开关频率。
S102、将电感标称值对应的比例控制参数作为控制器初始参数进行电流环控制；
计算d轴和q轴的比例控制参数，在控制参数范围内，将参数Kp_d(0)＝2πfnLd，Kp_q(0)＝2πfnLq，Ki_d0＝Ki_q0＝2πfnR作为控制器初始参数，式中，R为绕组线电阻，Ld和Lq为电机直轴和交轴电感标称值，可查询铭牌得知。
S103、获取电流控制误差、指令周期内电流最大超调量和电流上升时间，基于控制器参数自适应律计算控制器参数修正量；
获取记录的指令电流和响应电流，计算电流控制误差，并根据响应电流极值和指令电流可以计算得到电流最大超调量，如当前指令周期的电流最大超调量Meimax_n＝in_s_max-in_ref(n＝d或q)，即表示响应电流极值与指令电流之差。
基于电流控制误差、上一周期的最大超调量以及电流上升时间，结合控制器参数自适应律可以计算出控制器参数的修正量d_Kp_d和d_Kp_q。
同时，由下式计算出更新后的第k+1个周期控制器参数Kp_d(k+1)＝Kp_d(k)+d_Kp_d及Kp_q(k+1)＝Kp_q(k)+d_Kp_q。
具体的，根据公式分别计算控制器参数D轴和Q轴的修正量；
式中，d_Kp_d表示d轴修正量，ωe表示电机角速度，
表示电机直轴电感标称值，Γ1表示常量，eiq表示，Pd表示D轴，iiq_s表示，K_mt_d表示d轴开关函数，d_Kp_q表示Q轴修正量，
表示电机交轴电感标称值，Γ2表示常量，Pq表示Q轴，iid_s表示，K_mt_q表示q轴开关函数；
其中，当电流指令周期q轴和d轴指令电流发生改变，且电流上升时间大于预定值，则q轴和d轴开关函数为1，对应的快速调整项ωePdiiq_sK_mt_d和ωePqiid_sK_mt_q起作用，以实现快速响应动态调整；
当指令电流信号未发生突变时，q轴和d轴对应开关函数为0，快速调整项ωePdiiq_ sK_mt_d和ωePqiid_sK_mt_q不起作用，以避免控制器参数大幅度跃变引起的电流波动；
电机运行过程中直轴、交轴电感的真实值与标称值差异导致的控制误差，由
和
项进行控制器参数自适应调整。
D轴参数自适应律如下：
K_mt_d为d轴开关函数表示如下：
Q轴参数自适应律如下：
K_mt_q为q轴开关函数表示如下：
S104、根据所述参数修正量计算下一周期控制器参数，对比例控制参数范围外的控制器参数经限幅器处理后作为控制器参数进行电流环控制；
计算出下一周期(k+1)的控制器参数经控制器参数限幅器处理，限幅器处理方法如下：
当Kp_d(k+1)∈[Kp_dmin,Kp_dmax]时，Kp_d_limit＝Kp_d(k+1)；
当Kp_d(k+1)<Kp_dmin时，Kp_d_limit＝Kp_dmin；
当Kp_d(k+1)>Kp_dmax时，Kp_d_limit＝Kp_dmax。
同理进行Kp_q_lim的限幅处理。将限幅处理后的控制器参数Kp_d_limit和Kp_q_limit作为当前控制周期的控制器参数，进行电流环控制。
其中，根据PI控制量和D轴、Q轴的前馈解耦，分别计算D轴电流环和Q轴电流环的控制输出。
示例性的，D轴电流环控制输出:Vd_ref＝Vd_PI+Vd_EMF_RS；
PI控制项Vd_PI＝Kp_d_limit×e_id+∑Ki_d0×e_id，D轴前馈解耦项
Q轴电流环控制输出:Vq_ref＝Vq_PI+Vq_EMF_RS；
PI控制项Vq_PI＝Kp_q_limit×e_iq+∑Ki_q0×e_iq，Q轴前馈解耦项
式中，
为永磁体磁链，电流响应误差e_id＝Id_ref-Id_s，e_iq＝Iq_ref-Iq_s，Id_s、I q_s分别为D轴和Q轴电流的反馈值，Rs为绕组线电阻，
和
分别为电机直轴、交轴电感的标称值。
S105、将电流环控制输出进行坐标变换得到UVW三相指令电压信号，经SVPWM发波生成功率开关控制信号以控制电机。
SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation)为空间矢量脉宽调制，是以三相逆变器不同开关模式作适当的切换，从而形成PWM波。
可选的，通过AD电流采样和坐标变换得到D轴和Q轴响应电流，基于响应电流计算电流控制误差，获知最大超调量和上升时间，当最大超调量小于第一限制值，且上升时间小于第二限定值时，停止控制器参数更新。
示例性的，获知最大超调量Meimax_n，(n＝d,q)和上升时间tup，当Meimax_n，(n＝d,q)<Melimit，其中Melimit为超调量上限值，且上升时间tup<tlimit时，停止控制器参数更新；反之，进行控制器参数的自适应动态调整。
在本发明的另一个实施例中，永磁同步电机电流环控制方法的原理如图2所示。图中，在当前周期内，PMSM(永磁同步电机)会反馈d轴、q轴电流，由此，可以得到当前指令周期的电流响应误差以及PI控制项、前馈解耦项。其中，根据电流响应误差、最大超调量及电流上升时间，结合参数自适应律可以得到控制器参数修正量，基于修正量计算自适应控制器参数。PI控制项由限幅处理后的自适应控制器参数、当前周期的控制参数以及电流响应误差计算得到，根据PI控制项和前馈解耦项，可以分别计算得到d轴、q轴的电流控制环输出，经DQ/UVW坐标变换得到三相指令电压信号，进一步生成功率开关控制信号作用在功率开关，对永磁同步电机进行控制。
本实施例中，不仅可以有效补偿D、Q轴电压交叉耦合的影响，而且无须人工反复调试，基于控制器参数自适应律可以实现实时自动调整控制器参数。同时，可以适应直轴、交轴电感Ld和Lq的变化影响，实现快速、波动小的指令电流跟踪控制，电机输出转矩平稳。
控制器参数值通过限幅器处理，可以有效防止因通讯或数据异常等导致的控制器参数超出稳定阈值引起的系统失稳失控现象，具有抗外部异常扰动的鲁棒性。
应理解，上述实施例中各步骤的序号大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
图3为本发明实施例提供的一种永磁同步电机电流环控制系统的结构示意图，该系统至少包括：
自适应调整模块310，用于获取电流控制误差、指令周期内电流最大超调量和电流上升时间，基于控制器参数自适应律计算控制器参数修正量，根据所述参数修正量计算下一周期控制器参数；
具体的，根据公式分别计算控制器参数D轴和Q轴的修正量；
式中，d_Kp_d表示d轴修正量，ωe表示电机角速度，
表示电机直轴电感标称值，Γ1表示常量，eiq表示，Pd表示D轴，iiq_s表示，K_mt_d表示d轴开关函数，d_Kp_q表示Q轴修正量，
表示电机交轴电感标称值，Γ2表示常量，Pq表示Q轴，iid_s表示，K_mt_q表示q轴开关函数；
其中，当电流指令周期q轴和d轴指令电流发生改变，且电流上升时间大于预定值，则q轴和d轴开关函数为1，对应的快速调整项ωePdiiq_sK_mt_d和ωePqiid_sK_mt_q起作用，以实现快速响应动态调整；
当指令电流信号未发生突变时，q轴和d轴对应开关函数为0，快速调整项ωePdiiq_ sK_mt_d和ωePqiid_sK_mt_q不起作用，以避免控制器参数大幅度跃变引起的电流波动；
电机运行过程中直轴、交轴电感的真实值与标称值差异导致的控制误差，由
和
项进行控制器参数自适应调整。
限幅器320，用于对比例控制参数范围外的控制器参数进行限幅处理，并将限幅后的控制器参数作为电流环控制信号；
其中，所述比例控制参数范围是根据直轴、交轴的上下界计算得到；
控制模块330，用于基于初始控制器参数或自适应调整后的控制器参数，对电流环控制信号进行坐标变换得到UVW三相指令电压信号，经SVPWM发波生成功率开关控制信号控制电机。
其中，所述控制模块330包括：
计算单元，用于根据PI控制量和D轴、Q轴的前馈解耦，分别计算D轴电流环和Q轴电流环的控制输出。
可选的，所述控制模块330包括：
判断单元，用于通过AD电流采样和坐标变换得到D轴和Q轴响应电流，基于响应电流计算电流控制误差，获知最大超调量和上升时间，当最大超调量小于第一限制值，且上升时间小于第二限定值时，停止控制器参数更新。
所述领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和模块的具体工作过程可以参考前述方法实施例中对应的过程，在此不再赘述。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，实现步骤S101至S105中部分或全部过程，所述的存储介质包括如ROM/RAM等。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种永磁同步电机电流环控制方法，其特征在于，包括：
分别获取电机电感直轴和交轴的上下界，根据直轴、交轴的上下界计算控制器参数限幅器D轴和Q轴的比例控制参数范围；
将电感标称值对应的比例控制参数作为控制器初始参数进行电流环控制；
获取电流控制误差、指令周期内电流最大超调量和电流上升时间，基于控制器参数自适应律计算控制器参数修正量；
根据所述参数修正量计算下一周期控制器参数，对比例控制参数范围外的控制器参数经限幅器处理后作为控制器参数进行电流环控制；
将电流环控制输出进行坐标变换得到UVW三相指令电压信号，经SVPWM发波生成功率开关控制信号控制电机。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取电流控制误差、指令周期内电流最大超调量和电流上升时间，基于控制器参数自适应律计算控制器参数修正量包括：
根据公式分别计算控制器参数D轴和Q轴的修正量；
式中，d_Kp_d表示d轴修正量，ωe表示电机角速度，
表示电机直轴电感标称值，Γ1表示常量，eiq表示，Pd表示D轴，iiq_s表示，K_mt_d表示d轴开关函数，d_Kp_q表示Q轴修正量，
表示电机交轴电感标称值，Γ2表示常量，Pq表示Q轴，iid_s表示，K_mt_q表示q轴开关函数；
其中，当电流指令周期q轴和d轴指令电流发生改变，且电流上升时间大于预定值，则q轴和d轴开关函数为1，对应的快速调整项ωePdiiq_sK_mt_d和ωePqiid_sK_mt_q起作用，以实现快速响应动态调整；
当指令电流信号未发生突变时，q轴和d轴对应开关函数为0，快速调整项ωePdiiq_sK_mt_d和ωePqiid_sK_mt_q不起作用，以避免控制器参数大幅度跃变引起的电流波动；
电机运行过程中直轴、交轴电感的真实值与标称值差异导致的控制误差，由
和
项进行控制器参数自适应调整。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对比例控制参数范围外的控制器参数经限幅器处理后作为控制器参数进行电流环控制还包括：
根据PI控制量和D轴、Q轴的前馈解耦，分别计算D轴电流环和Q轴电流环的控制输出。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将电流环控制输出进行坐标变换得到UVW三相指令电压信号，经SVPWM发波生成功率开关控制信号控制电机还包括：
通过AD电流采样和坐标变换得到D轴和Q轴响应电流，基于响应电流计算电流控制误差，获知最大超调量和上升时间，当最大超调量小于第一限制值，且上升时间小于第二限定值时，停止控制器参数更新。
5.一种永磁同步电机电流环控制系统，其特征在于，至少包括：
自适应调整模块，用于获取电流控制误差、指令周期内电流最大超调量和电流上升时间，基于控制器参数自适应律计算控制器参数修正量，根据所述参数修正量计算下一周期控制器参数；
限幅器，用于对比例控制参数范围外的控制器参数进行限幅处理，并将限幅后的控制器参数作为电流环控制信号；
其中，所述比例控制参数范围是根据直轴、交轴的上下界计算得到；
控制模块，用于基于初始控制器参数或自适应调整后的控制器参数，对电流环控制信号进行坐标变换得到UVW三相指令电压信号，经SVPWM发波生成功率开关控制信号控制电机。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述获取电流控制误差、指令周期内电流最大超调量和电流上升时间，基于控制器参数自适应律计算控制器参数修正量包括：
根据公式分别计算控制器参数D轴和Q轴的修正量；
式中，d_Kp_d表示d轴修正量，ωe表示电机角速度，
表示电机直轴电感标称值，Γ1表示常量，eiq表示，Pd表示D轴，iiq_s表示，K_mt_d表示d轴开关函数，d_Kp_q表示Q轴修正量，
表示电机交轴电感标称值，Γ2表示常量，Pq表示Q轴，iid_s表示，K_mt_q表示q轴开关函数；
其中，当电流指令周期q轴和d轴指令电流发生改变，且电流上升时间大于预定值，则q轴和d轴开关函数为1，对应的快速调整项ωePdiiq_sK_mt_d和ωePqiid_sK_mt_q起作用，以实现快速响应动态调整；
当指令电流信号未发生突变时，q轴和d轴对应开关函数为0，快速调整项ωePdiiq_sK_mt_d和ωePqiid_sK_mt_q不起作用，以避免控制器参数大幅度跃变引起的电流波动；
电机运行过程中直轴、交轴电感的真实值与标称值差异导致的控制误差，由
和
项进行控制器参数自适应调整。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述控制模块包括：
计算单元，用于根据PI控制量和D轴、Q轴的前馈解耦，分别计算D轴电流环和Q轴电流环的控制输出。
8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述控制模块包括：
判断单元，用于通过AD电流采样和坐标变换得到D轴和Q轴响应电流，基于响应电流计算电流控制误差，获知最大超调量和上升时间，当最大超调量小于第一限制值，且上升时间小于第二限定值时，停止控制器参数更新。
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| CN202211533666.4A CN116015144A (zh) | 2022-11-28 | 2022-11-28 | 一种永磁同步电机电流环控制方法及装置 |
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|---|---|---|---|---|
| CN116885926A (zh) * | 2023-09-08 | 2023-10-13 | 广州三晶电气股份有限公司 | 电流环比例控制参数的动态整定方法及装置 |
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2022
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| CN116885926A (zh) * | 2023-09-08 | 2023-10-13 | 广州三晶电气股份有限公司 | 电流环比例控制参数的动态整定方法及装置 |
| CN116885926B (zh) * | 2023-09-08 | 2023-12-22 | 广州三晶电气股份有限公司 | 电流环比例控制参数的动态整定方法及装置 |
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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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