CN116054655A - 永磁同步电机的控制方法、系统、终端设备以及存储介质 - Google Patents

永磁同步电机的控制方法、系统、终端设备以及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电机控制技术领域，公开了一种永磁同步电机的控制方法、电机控制系统、终端设备以及计算机存储介质，该方法应用于电机控制系统，电机控制系统包括依次电性连接的变频器、LC滤波器及电机，还包括用于控制变频器的输出电压的控制器，该方法包括采用控制器执行以下步骤：根据LC滤波器的数学模型及电机的数学模型构建用于观测电机的运行参数的观测器；获取变频器的发波电压及变频器的输出电流；根据发波电压、输出电流及观测器估计电机的运行参数；电机的运行参数包括电机的输入电流、输入电压或者转速中的至少一种。采用本发明方案能够在不增加永磁同步电机驱动系统成本的同时，实现对永磁同步电机的准确控制。

Description

永磁同步电机的控制方法、系统、终端设备以及存储介质
技术领域
本发明涉及永磁同步电机技术领域，尤其涉及一种永磁同步电机的控制方法、电机控制系统、终端设备以及计算机存储介质。
背景技术
在针对永磁同步电机进行驱动控制的过程中往往需要针对电机电压、电流和速度进行准确观测。现如今，在变频器输出增加LC滤波器(也称无源滤波器，是利用电感、电容和电阻的组合设计构成的滤波电路)后，即需要额外在电机端增加电压、电流和速度传感器来采集电机的电压和电流等参数。
然而，在电机端增加电压、电流和速度传感器不仅会增加永磁同步电机驱动系统的成本，还会由于各传感器的安装和使用环境的限制而影响驱动系统控制电机的可靠性，进而难以准确进行对永磁同步电机的控制。
综上，如何在不增加永磁同步电机驱动系统成本的同时，实现对永磁同步电机的准确控制，俨然已经成为了本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种永磁同步电机的控制方法、电机控制系统、终端设备以及计算机存储介质，旨在不增加永磁同步电机驱动系统成本的同时，实现对永磁同步电机的准确控制。
为实现上述目的，本发明提供一种永磁同步电机的控制方法，所述方法应用于电机控制系统，所述电机控制系统包括依次电性连接的变频器、LC滤波器及电机，还包括用于控制所述变频器的输出电压的控制器，所述方法包括采用所述控制器执行以下步骤：
根据所述LC滤波器的数学模型及所述电机的数学模型构建用于观测所述电机的运行参数的观测器；
获取所述变频器的发波电压及所述变频器的输出电流；
根据所述发波电压、所述输出电流及所述观测器估计所述电机的运行参数；所述电机的运行参数包括所述电机的输入电流、输入电压或者转速中的至少一种。
在一些可行的实施例中，所述观测器的观测模型包括：电压电流观测模型和速度估计模型；
所述电压电流观测模型为：
Figure BDA0003999271100000021
其中，
Figure BDA0003999271100000022
为旋转坐标系下电感电流估计值，
Figure BDA0003999271100000023
为电机定子电压估计值，
Figure BDA0003999271100000024
为电机定子电流估计值，
Figure BDA0003999271100000025
为电机转子速度估计值，K为反馈增益矩阵；
所述速度估计模型为：
Figure BDA0003999271100000026
其中，Kp为速度估计比例增益，Ki为速度估计积分增益。
在一些可行的实施例中，所述根据所述发波电压、所述输出电流及所述观测器估计所述电机的运行参数之后所述方法还包括：
根据估计的所述电机的运行参数对所述变频器的输出电压进行反馈控制，以使所述电机按照目标运行参数进行运行。
在一些可行的实施例中，所述观测器估计的所述电机的运行参数包括所述电机的速度估计值和输入电流值；所述根据估计的所述电机的运行参数对所述变频器的输出电压进行反馈控制，以使所述电机按照目标运行参数进行运行包括：
获取所述电机的给定速度值；
根据所述电机的给定速度值及所述观测器观测的所述电机的转速估计值的差值，计算得到所述电机的定子电流控制给定值；
根据所述定子电流控制给定值及所述观测器观测的所述电机的输入电流值的差值计算得到旋转坐标系下的电压给定值；
将所述电压给定值变换为三相静止坐标系下的电压给定值以控制所述变频器生成三相电压给定信号。
此外，为实现上述目的，本发明还提供一种永磁同步电机的控制系统，所述电机控制系统包括依次电性连接的三相交流电源、变频器及电机，还包括配置在所述变频器的输出端的LC滤波器，和，用于控制所述变频器的输出电压的控制器；
所述控制器用于根据所述LC滤波器的数学模型及所述电机的数学模型构建用于观测所述电机的运行参数的观测器；获取所述变频器的发波电压及所述变频器的输出电流；根据所述发波电压、所述输出电流及所述观测器估计所述电机的运行参数；所述电机的运行参数包括所述电机的输入电流、输入电压或者转速中的至少一种。
在一些可行的实施例中，所述观测器用于对所述电机的运行参数进行估计得到所述电机的运行参数估计值；所述运行参数估计值包括：速度估计值和输入电流值；
所述观测器的观测模型包括：电压电流观测模型和速度估计模型；
所述电压电流观测模型为：
Figure BDA0003999271100000031
其中，
Figure BDA0003999271100000032
为旋转坐标系下电感电流估计值，
Figure BDA0003999271100000033
为电机定子电压估计值，
Figure BDA0003999271100000034
为电机定子电流估计值，
Figure BDA0003999271100000035
为电机转子速度估计值，K为反馈增益矩阵；
所述速度估计模型为：
Figure BDA0003999271100000036
其中，Kp为速度估计比例增益，Ki为速度估计积分增益。
在一些可行的实施例中，所述控制器还用于根据所述观测器估计的所述电机的运行参数估计值对所述变频器的输出电压进行反馈控制，以使所述电机按照目标运行参数进行运行。
在一些可行的实施例中，所述变频器还用于将针对所述电机的给定速度值与所述速度估计值之间的第一差值，转化为所述电机的给定电流参数；将所述给定电流参数与所述输入电流值之间的第二差值，转化为旋转坐标系下的电压给定值；以及，将所述电压给定值变换为三相静止坐标系下的电压给定值以生成三相电压给定信号。
此外，为实现上述目的，本发明还提供一种终端设备，所述终端设备包括：存储器、处理器、如上任一项所述的电机控制系统及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的永磁同步电机的控制程序，所述永磁同步电机的控制程序被所述处理器执行时实现如上所述的永磁同步电机的控制方法的步骤。
此外，为实现上述目的，本发明还提供一种计算机存储介质，所述计算机存储介质上存储有永磁同步电机的控制程序，所述永磁同步电机的控制程序被处理器执行时实现如上所述的永磁同步电机的控制方法的步骤。
此外，为实现上述目的，本发明还提供计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的永磁同步电机的控制方法的步骤。
本发明提供一种永磁同步电机的控制方法、电机控制系统、终端设备、计算机存储介质以及计算机程序产品，通过电机控制系统(包括依次电性连接的变频器、LC滤波器及电机)中用于控制所述变频器的输出电压的控制器，首先根据所述LC滤波器的数学模型及所述电机的数学模型构建用于观测所述电机的运行参数的观测器；然后获取所述变频器的发波电压及所述变频器的输出电流；并根据所述发波电压、所述输出电流及所述观测器估计所述电机的运行参数(电机运行参数包括所述电机的输入电流、输入电压或者转速中的至少一种)，从而，电机控制系统即可基于电机的运行参数对电机进行矢量控制。
如此，相比于传统通过在电机端增加传感器来采集电机电压、电流和速度等运行参数用于对电机进行驱动控制的方式，本发明不需要额外增加用于测量电机电压、电流和转速的传感器，而是通过变频器输出带LC滤波器的电机控制系统即能够实现对电机的观测以实现对永磁同步电机进行准确的矢量控制，不仅有效地降低了电机驱动系统的成本，还能够避免传感器的安装和使用环境的限制影响，从而提高了电机驱动系统的可靠性。
附图说明
图1为本申请一实施例提供的永磁同步电机的控制方法所涉及电机控制系统的硬件框架示意图；
图2为本申请一实施例提供的永磁同步电机的控制方法的步骤流程示意图；
图3为本申请一实施例提供的控制系统所涉及的应用场景示意图；
图4为本申请实施例方案涉及的终端设备硬件运行环境的设备结构示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，在本发明实施例中，在针对永磁同步电机进行驱动控制的过程中往往需要针对电机电压、电流和速度进行准确观测。现如今，在变频器输出增加LC滤波器后，即需要额外在电机端增加电压、电流和速度传感器来采集电机的电压和电流等参数。
然而，在电机端增加电压、电流和速度传感器不仅会增加永磁同步电机驱动系统的成本，还会由于各传感器的安装和使用环境的限制而影响驱动系统控制电机的可靠性，进而难以准确进行对永磁同步电机的控制。
综上，如何在不增加永磁同步电机驱动系统成本的同时，实现对永磁同步电机的准确控制，俨然已经成为了本领域亟待解决的技术问题。
针对上述问题，在本申请实施提供了一种永磁同步电机的控制方法，该方法通过电机控制系统(包括依次电性连接的变频器、LC滤波器及电机)中用于控制变频器的输出电压的控制器，首先根据LC滤波器的数学模型及电机的数学模型构建用于观测电机的运行参数的观测器；然后获取变频器的发波电压及变频器的输出电流；并根据发波电压、输出电流及观测器估计电机的运行参数(电机运行参数包括电机的输入电流、输入电压或者转速中的至少一种)，从而，电机控制系统即可基于电机的运行参数对电机进行矢量控制。
如此，相比于传统通过在电机端增加传感器来采集电机电压、电流和速度等运行参数用于对电机进行驱动控制的方式，本发明不需要额外增加用于测量电机电压、电流和转速的传感器，而是通过变频器输出带LC滤波器的电机控制系统即能够实现对电机的观测以实现对永磁同步电机进行准确的矢量控制，不仅有效地降低了电机驱动系统的成本，还能够避免传感器的安装和使用环境的限制影响，从而提高了电机驱动系统的可靠性。
基于上述本发明永磁同步电机的控制方法的整体构思，提出本发明永磁同步电机的控制方法的各个实施例。
需要说明的是，在本实施例中，本发明永磁同步电机的控制方法应用于上述对永磁同步电机进行驱动控制的电机控制系统，该电机控制系统中的变频器的输出带LC滤波器，即，该电机控制系统包括依次电性连接的变频器、LC滤波器(LC滤波器即配置在变频器的输出端)及电机，还包括用于控制变频器的输出电压的控制器。
示例性地，如图1所示，电机控制系统包括三相交流电源(0)、变频器(1)、LC滤波器(2+4)，和，永磁同步电机(3)。其中，三相交流电源(0)与变频器(1)的输入端相连接，以为整个电机控制系统提供能量输入；变频器(1)的输出端与永磁同步电机(3)的输入端相连接，且在变频器(1)的输出端与永磁同步电机(3)的输入端之间，配置有、LC滤波器(2+4)。如此，变频器(1)将三相工频电压按电机控制的需要转化为频率、幅值均可变的交流电压输出至永磁同步电机(3)，同时，变频器(1)还是电机控制算法实现的载体，LC滤波器(2,4)用于吸收整个电机控制系统的电压和电流纹波，永磁同步电机(3)则将电能转化为工业控制所需的机械能。
基于电机控制系统的整体硬件架构，电机控制系统即可基于输出带有LC滤波器(2+4)的变频器(1)，通过自身所承载电机控制算法结合用户配置的给定速度参数来计算确定的三相电压给定信号，和该变频器(1)针对三相交流电源(0)进行检测得到的三相电感电流，来观测LC滤波器(2+4)后端的永磁同步电机(3)的电机运行参数，即，电压、电流和转速。进而，电机控制系统即可基于该永磁同步电机(3)的电压、电流和转速，对永磁同步电机(3)进行准确的矢量控制。
为便于理解，在后文本发明永磁同步电机的控制方法的各个实施例中，均以上述电机控制系统中的控制器作为执行主体来对本发明永磁同步电机的控制方法进行阐述。
请参照图2，图2为本发明提供的永磁同步电机的控制方法的第一实施例流程示意图。需要说明的是，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
基于此，在本实施例中，本发明永磁同步电机的控制方法包括：
步骤S10，根据所述LC滤波器的数学模型及所述电机的数学模型构建用于观测所述电机的运行参数的观测器；
在本实施例中，上述的电机控制系统中的控制器在开始执行具体的控制操作之前，即可基于配置在变频器输出端的LC滤波器和系统中的电机(永磁同步电机)各自的数学模型，构建得到用于针对电机的运行参数进行观测的观测器。
其中，LC滤波器的数学模型可分别表示为电感电压方程和电容电流方程。该LC滤波器的电感电压方程为：
Figure BDA0003999271100000071
式中，iinvd、iinvq为旋转坐标系(即旋转坐标系)下逆变器电流，uinvd、uinvq为旋转坐标系下逆变器电压，RLf为LC滤波器电感的自身电阻，Lf为LC滤波器电感值，ωm为同步电机转子速度。
而LC滤波器的电容电流方程为：
Figure BDA0003999271100000072
式中，id、iq为旋转坐标系下电机定子电流，ud、uq为旋转坐标系下电机定子电压，Cf为LC滤波器的电容值。
此外，永磁同步电机的数学模型可表示为：
Figure BDA0003999271100000073
式中，id、iq为旋转坐标系系定子电流，Rs为定子电阻，Ld为电机电感，
Figure BDA00039992711000000710
为永磁体磁链。
需要说明的是，作为一种可行的实施例，输出带LC滤波器的变频器作为电机控制算法实现的载体可以包括上述的观测器。
在一些可行的实施例中，所述观测器的观测模型包括：电压电流观测模型和速度估计模型；
所述电压电流观测模型为：
Figure BDA0003999271100000074
其中，
Figure BDA0003999271100000075
为旋转坐标系下电感电流估计值，
Figure BDA0003999271100000076
为电机定子电压估计值，
Figure BDA0003999271100000077
为电机定子电流估计值，
Figure BDA0003999271100000078
为电机转子速度估计值，K为反馈增益矩阵；
所述速度估计模型为：
Figure BDA0003999271100000079
其中，Kp为速度估计比例增益，Ki为速度估计积分增益。
可选地，上述电压电流观测模型中各变量含义依次为：
Figure BDA0003999271100000081
iA＝[iinvdiinvq]T
Figure BDA0003999271100000082
Figure BDA0003999271100000083
Figure BDA0003999271100000084
步骤S20，获取所述变频器的发波电压及所述变频器的输出电流；
步骤S30，根据所述发波电压、所述输出电流及所述观测器估计所述电机的运行参数；所述电机的运行参数包括所述电机的输入电流、输入电压或者转速中的至少一种。
可选地，上述的电机控制系统中的控制器在构建得到上述的观测器之后，获取该电机控制系统中变频器的发波电压和该变频器的输出电流，并将该发波电压和该输出电流均作为该观测器的输入，以供观测器基于该发波电压和该输出电流进行计算来估计得到永磁同步电机的一个或者多个运行参数(输入电流、输入电压或者转速)。
在一种可行的实施例中，在上述“根据所述发波电压、所述输出电流及所述观测器估计所述电机的运行参数”之后，本发明永磁同步电机的控制方法还可以包括：
步骤S40，根据估计的所述电机的运行参数对所述变频器的输出电压进行反馈控制，以使所述电机按照目标运行参数进行运行。
可选地，上述电机控制系统中的控制器在通过观测器基于变频器的发波电压和输出电流进行估计得到永磁同步电机的一个或者多个运行参数之后，该控制器即可进一步根据估计得到的一个或者多个运行参数，来针对该变频器的输出电压进行反馈控制，从而使得该永磁同步电机按照各目标运行参数进行运行。
需要说明的是，在本实施例中，上述的目标运行参数可以为上述电机控制系统中的变频器通过观测器针对永磁同步电机进行观测得到的该永磁同步电机实际的输入电流、输入电压或者转速中的至少一种。
在一种可选地实施例中，上述的步骤S40，可以包括：
获取所述电机的给定速度值；
根据所述电机的给定速度值及所述观测器观测的所述电机的转速估计值的差值，计算得到所述电机的定子电流控制给定值；
根据所述定子电流控制给定值及所述观测器观测的所述电机的输入电流值的差值计算得到旋转坐标系下的电压给定值；
将所述电压给定值变换为三相静止坐标系下的电压给定值以控制所述变频器生成三相电压给定信号。
可选地，上述电机控制系统在开始针对永磁同步电机进行驱动控制时，首先由该电机控制系统中的控制器，获取用户预先针对该永磁同步电机进行配置时输入的需要该电机运行达到的给定速度值，然后，该控制器进一步基于该给定速度值计算确定出一个提供给电机控制系统中变频器的三相电压给定信号。
即，控制器首先计算上述用户针对永磁同步电机配置的给定速度值，与通过观测器进行估计计算得到的该永磁同步电机的速度估计值之间的第一差值，然后将该第一差值转化作为该永磁同步电机的给定电流参数。之后，控制器进一步计算该给定电流参数与同样由上述观测器进行估计计算得到的该永磁同步电机的电流估计值之间的第二差值，并将该第二差值转化作为旋转坐标系下的电压给定值。最后，控制器即可基于上述变频器所承载的坐标变换程序来将该旋转坐标系下的电压给定值，变换为三相静止坐标系下的电压给定值以通过该变频器生成三相电压给定信号。
示例性地，如图3所示，图3虚线框内为变频器内部所承载电机控制算法的实现框图，其具体工作流程为：速度控制器(5)将用户针对永磁同步电机(3)所配置的给定速度值与观测器(11)针对永磁同步电机(3)速度估计值的差值转化为给定电流参数，然后，定子电流控制器(6)将该给定电流参数与观测器(11)估计的电流估计值之间的差值转化为旋转坐标系下的电压给定值，坐标变换(7)则进一步将旋转坐标系的电压给定值，变换到三相静止坐标系下的电压给定值从而通过变频器(8)生成三相电压给定信号。
如此，观测器(11)即可进一步通过该变频器(8)基于该三相电压给定信号的发波电压，和该变频器(8)检测到的三相电感电流，来进行模型计算以观测LC滤波器9后端永磁同步电机10的电压、电流和转速，从而整体电机控制系统为永磁同步电机10的矢量控制提供电压、电流和转速信息。
在一种可行的实施例中，上述电机控制系统中的控制器在基于用户配置的永磁同步电机的给定速度值确定出变频器的三相电压给定信号之后，控制器即可进一步基于该三相电压给定信号，和该变频器针对系统中包括的三相交流电源进行检测得到的三相电感电流，进行实时计算以对永磁同步电机的电机运行参数——电压、电流和速度进行观测。从而，电机控制系统即可基于实时观测到的该永磁同步电机的各电机运行参数，针对该永磁同步电机进行准确的矢量控制。
在本实施例中，本发明提供的永磁同步电机的控制方法，由电机控制系统中的控制器在开始执行具体的控制操作之前，即可基于配置在变频器输出端的LC滤波器和系统中的电机(永磁同步电机)各自的数学模型，构建得到用于针对电机的运行参数进行观测的观测器。
之后，电机控制系统中的控制器通过获取该电机控制系统中变频器的发波电压和该变频器的输出电流，并将该发波电压和该输出电流均作为该观测器的输入，以供观测器基于该发波电压和该输出电流进行计算来估计得到永磁同步电机的一个或者多个运行参数(输入电流、输入电压或者转速)。从而，该控制器即可进一步根据估计得到的一个或者多个运行参数，来针对该变频器的输出电压进行反馈控制，从而使得该永磁同步电机按照各目标运行参数进行运行。
如此，相比于传统通过在电机端增加传感器来采集电机电压、电流和速度等运行参数用于对电机进行驱动控制的方式，本发明通过变频器输出带LC滤波器的电机控制系统，基于输出带LC滤波器的变频器的三相电压给定信号，和该变频器检测到的三相电感电流对，来观测LC滤波器后端永磁同步电机的电机运行参数，即，电压、电流和转速。从而，本发明不需要额外增加用于测量电机电压、电流和转速的传感器，而是通过变频器输出带LC滤波器的电机控制系统即能够实现对电机的观测以实现对永磁同步电机进行准确的矢量控制，不仅有效地降低了电机驱动系统的成本，还能够避免传感器的安装和使用环境的限制影响，从而提高了电机驱动系统的可靠性。
进一步地，基于上述本发明永磁同步电机的控制方法的第一实施例，提出本发明永磁同步电机的控制方法的第二实施例。
在本实施例中，上述的电机控制系统在根据针对永磁同步电机的给定速度值确定三相电压给定信号之前，本发明永磁同步电机的控制方法还可以包括：
通过所述观测器对所述永磁同步电机的运行参数进行估计得到所述永磁同步电机的运行参数估计值。
可选地，上述电机控制系统在开始针对系统中的永磁同步电机进行驱动控制的过程中，在基于接收用户配置的该永磁同步电机的给定速度参数确定变频器的三相电压给定信号之前，还预先或者同步开始基于该变频器所承载的观测器，来针对该永磁同步电机的电流和速度等运行参数进行估计计算，从而得到该永磁同步电机在正式开始运行之前的一个或者多个运行参数估计值。
需要说明的是，在本实施例中，上述由LC滤波器和永磁同步电机各自的数学模型构造的观测器包括：电感电流、电容电压、电机电流观测，和，速度估计。其中，速度估计即为观测器在针对永磁同步电机的电流和速度等运行参数进行估计计算过程中所调用的基本实现逻辑。示例性地，观测器中的速度估计可通过以下自适应率来实现：
Figure BDA0003999271100000111
式中，Kp为速度估计比例增益，Ki为速度估计积分增益。
在本实施例中，当电机控制系统通过观测器估计出电机电流、电压、转速后，可将其分别用于电流环、速度环控制，以及电机运行信息监控。
此外，上述电机控制系统通过观测器来估计得到的永磁同步电机的运行参数估计值包括但不限于：该永磁同步电机的速度估计值和该永磁同步电机的输入电流值。
基于此，在一些可行的实施例中，上述电机控制系统基于三相电压给定信号和变频器的输出电流对永磁同步电机的运行参数进行观测，可以包括：
基于三相电压给定信号确定变频器的发波电压；
将发波电压和变频器的输出电流作为所述观测器的输入，以供所述观测器基于所述输入进行计算输出所述永磁同步电机的各电机运行参数。
需要说明的是，在本实施例中，变频器的输出电流可以为变频器针对电机控制系统中与该变频器相连接的三相交流电源进行检测得到的三相电感电流。
可选地，电机控制系统根据上述用户配置针对永磁同步电机的给定速度参数，确定了三相电压给定信号之后，即可进一步通过系统中的变频器按照该信号输出发波电压，如此，该电机控制系统即可确定该发波电压，并将该发波电压和该变频器针对系统中的三相交流电源进行检测得到的三相电感电流一起，作为该变频器所承载观测器的的输入，从而，该电机控制系统即可基于该观测器利用该发波电压和该三相电感电流进行实时的模型计算，并输出该永磁同步电机的各运行参数，即输入电压、输入电流和速度。
此外，本发明还提供一种电机控制系统，本发明电机控制系统包括：依次电性连接的三相交流电源、变频器及电机，还包括配置在所述变频器的输出端的LC滤波器，和，用于控制所述变频器的输出电压的控制器；
所述控制器用于根据所述LC滤波器的数学模型及所述电机的数学模型构建用于观测所述电机的运行参数的观测器；获取所述变频器的发波电压及所述变频器的输出电流；根据所述发波电压、所述输出电流及所述观测器估计所述电机的运行参数；所述电机的运行参数包括所述电机的输入电流、输入电压或者转速中的至少一种。
可选地，本发明电机控制系统包括三相交流电源，与该三相交流电源连接的变频器以及和该变频器连接的电机(即，永磁同步电机)。此外，本发明电机控制系统中的变频器的输出带LC滤波器，即，在变频器的输出端上配置有LC滤波器。并且，本发明电机控制系统还包括用于控制变频器的输出电压的控制器。
所述变频器用于根据针对所述永磁同步电机的给定速度参数确定三相电压给定信号；和，基于所述三相电压给定信号和针对所述三相交流电源进行检测得到的三相电感电流，对所述永磁同步电机的电机运行参数进行观测，以供
可选地，电机控制系统中的控制器在开始执行具体的控制操作之前，即可基于配置在变频器输出端的LC滤波器和系统中的电机(永磁同步电机)各自的数学模型，构建得到用于针对电机的运行参数进行观测的观测器。
其中，LC滤波器的数学模型可分别表示为电感电压方程和电容电流方程。该LC滤波器的电感电压方程为：
Figure BDA0003999271100000131
式中，iinvd、iinvq为旋转坐标系(即旋转坐标系)下逆变器电流，uinvd、uinvq为旋转坐标系下逆变器电压，RLf为LC滤波器电感的自身电阻，Lf为LC滤波器电感值，ωm为同步电机转子速度。
而LC滤波器的电容电流方程为：
Figure BDA0003999271100000132
式中，id、iq为旋转坐标系下电机定子电流，ud、uq为旋转坐标系下电机定子电压，Cf为LC滤波器的电容值。
此外，永磁同步电机的数学模型可表示为：
Figure BDA0003999271100000133
式中，id、iq为旋转坐标系系定子电流，Rs为定子电阻，Ld为电机电感，
Figure BDA00039992711000001310
为永磁体磁链。
需要说明的是，作为一种可行的实施例，输出带LC滤波器的变频器作为电机控制算法实现的载体可以包括上述的观测器。
在一些可行的实施例中，所述观测器的观测模型包括：电压电流观测模型和速度估计模型；
所述电压电流观测模型为：
Figure BDA0003999271100000134
其中，
Figure BDA0003999271100000135
为旋转坐标系下电感电流估计值，
Figure BDA0003999271100000136
为电机定子电压估计值，
Figure BDA0003999271100000137
为电机定子电流估计值，
Figure BDA0003999271100000138
为电机转子速度估计值，K为反馈增益矩阵；
所述速度估计模型为：
Figure BDA0003999271100000139
其中，Kp为速度估计比例增益，Ki为速度估计积分增益。
可选地，上述电压电流观测模型中各变量含义依次为：
Figure BDA0003999271100000141
iA＝[iinvdiinvq]T
Figure BDA0003999271100000142
Figure BDA0003999271100000143
Figure BDA0003999271100000144
可选地，上述的电机控制系统中的控制器在构建得到上述的观测器之后，获取该电机控制系统中变频器的发波电压和该变频器的输出电流，并将该发波电压和该输出电流均作为该观测器的输入，以供观测器基于该发波电压和该输出电流进行计算来估计得到永磁同步电机的一个或者多个运行参数(输入电流、输入电压或者转速)。
示例性地，如图1所示，电机控制系统包括三相交流电源(0)、变频器(1)、LC滤波器(2+4)，和，永磁同步电机(3)。其中，三相交流电源(0)与变频器(1)的输入端相连接，以为整个电机控制系统提供能量输入；变频器(1)的输出端与永磁同步电机(3)的输入端相连接，且在变频器(1)的输出端与永磁同步电机(3)的输入端之间，配置有、LC滤波器(2+4)。如此，变频器(1)将三相工频电压按电机控制的需要转化为频率、幅值均可变的交流电压输出至永磁同步电机(3)，同时，变频器(1)还是电机控制算法实现的载体，LC滤波器(2,4)用于吸收整个电机控制系统的电压和电流纹波，永磁同步电机(3)则将电能转化为工业控制所需的机械能。
基于电机控制系统的整体硬件架构，电机控制系统即可基于输出带有LC滤波器(2+4)的变频器(1)，通过自身所承载电机控制算法结合用户配置的给定速度参数来计算确定的三相电压给定信号，和该变频器(1)针对三相交流电源(0)进行检测得到的三相电感电流，来观测LC滤波器(2+4)后端的永磁同步电机(3)的电机运行参数，即，电压、电流和转速。进而，电机控制系统即可基于该永磁同步电机(3)的电压、电流和转速，对永磁同步电机(3)进行准确的矢量控制。
进一步地，在一种可行的实施例中，所述观测器用于对所述电机的运行参数进行估计得到所述电机的运行参数估计值；所述运行参数估计值包括：速度估计值和输入电流值。
可选地，上述电机控制系统在开始针对系统中的永磁同步电机进行驱动控制的过程中，在基于接收用户配置的该永磁同步电机的给定速度参数确定变频器的三相电压给定信号之前，还预先或者同步开始基于该变频器所承载的观测器，来针对该永磁同步电机的电流和速度等运行参数进行估计计算，从而得到该永磁同步电机在正式开始运行之前的一个或者多个运行参数估计值。
需要说明的是，在本实施例中，上述由LC滤波器和永磁同步电机各自的数学模型构造的观测器包括：电感电流、电容电压、电机电流观测，和，速度估计。其中，速度估计即为观测器在针对永磁同步电机的电流和速度等运行参数进行估计计算过程中所调用的基本实现逻辑。示例性地，观测器中的速度估计可通过以下自适应率来实现：
Figure BDA0003999271100000151
式中，Kp为速度估计比例增益，Ki为速度估计积分增益。
在本实施例中，当电机控制系统通过观测器估计出电机电流、电压、转速后，可将其分别用于电流环、速度环控制，以及电机运行信息监控。
此外，在一些可行的实施例中，本发明电机控制系统还通过观测器来估计得到的永磁同步电机的运行参数估计值包括但不限于：该永磁同步电机的速度估计值和该永磁同步电机的输入电流值。
基于此，在一些可行的实施例中，本发明电机控制系统中的控制器还用于基于三相电压给定信号确定变频器的发波电压；将发波电压和变频器的输出电流作为所述观测器的输入，以供所述观测器基于所述输入进行计算输出所述永磁同步电机的各电机运行参数。
需要说明的是，在本实施例中，变频器的输出电流可以为变频器针对电机控制系统中与该变频器相连接的三相交流电源进行检测得到的三相电感电流。
可选地，电机控制系统根据上述用户配置针对永磁同步电机的给定速度参数，确定了三相电压给定信号之后，即可进一步通过系统中的变频器按照该信号输出发波电压，如此，该电机控制系统中的控制器即可确定该发波电压，并将该发波电压和该变频器针对系统中的三相交流电源进行检测得到的三相电感电流一起，作为该变频器所承载观测器的的输入，从而，该电机控制系统即可基于该观测器利用该发波电压和该三相电感电流进行实时的模型计算，并输出得到该永磁同步电机的各运行参数，即输入电压、输入电流和速度。
进一步地，在一种可行的实施例中，所述控制器还用于根据所述观测器估计的所述电机的运行参数估计值对所述变频器的输出电压进行反馈控制，以使所述电机按照目标运行参数进行运行。
可选地，上述电机控制系统中的控制器在通过观测器基于变频器的发波电压和输出电流进行估计得到永磁同步电机的一个或者多个运行参数之后，该控制器即可进一步根据估计得到的一个或者多个运行参数，来针对该变频器的输出电压进行反馈控制，从而使得该永磁同步电机按照各目标运行参数进行运行。
需要说明的是，在本实施例中，上述的目标运行参数可以为上述电机控制系统中的变频器通过观测器针对永磁同步电机进行观测得到的该永磁同步电机实际的输入电流、输入电压或者转速中的至少一种。
进一步地，在一种可行的实施例中，所述变频器还用于将针对所述电机的给定速度值与所述速度估计值之间的第一差值，转化为所述电机的给定电流参数；将所述给定电流参数与所述输入电流值之间的第二差值，转化为旋转坐标系下的电压给定值；以及，将所述电压给定值变换为三相静止坐标系下的电压给定值以生成三相电压给定信号。
可选地，上述电机控制系统在开始针对永磁同步电机进行驱动控制时，首先由该电机控制系统中的控制器，获取用户预先针对该永磁同步电机进行配置时输入的需要该电机运行达到的给定速度值，然后，该控制器进一步基于该给定速度值计算确定出一个提供给电机控制系统中变频器的三相电压给定信号。
即，控制器首先计算上述用户针对永磁同步电机配置的给定速度值，与通过观测器进行估计计算得到的该永磁同步电机的速度估计值之间的第一差值，然后将该第一差值转化作为该永磁同步电机的给定电流参数。之后，控制器进一步计算该给定电流参数与同样由上述观测器进行估计计算得到的该永磁同步电机的电流估计值之间的第二差值，并将该第二差值转化作为旋转坐标系下的电压给定值。最后，控制器即可基于上述变频器所承载的坐标变换程序来将该旋转坐标系下的电压给定值，变换为三相静止坐标系下的电压给定值以通过该变频器生成三相电压给定信号。
示例性地，如图3所示，图3虚线框内为变频器内部所承载电机控制算法的实现框图，其具体工作流程为：速度控制器(5)将用户针对永磁同步电机(3)所配置的给定速度值与观测器(11)针对永磁同步电机(3)速度估计值的差值转化为给定电流参数，然后，定子电流控制器(6)将该给定电流参数与观测器(11)估计的电流估计值之间的差值转化为旋转坐标系下的电压给定值，坐标变换(7)则进一步将旋转坐标系的电压给定值，变换到三相静止坐标系下的电压给定值从而通过变频器(8)生成三相电压给定信号。
如此，观测器(11)即可进一步通过该变频器(8)基于该三相电压给定信号的发波电压，和该变频器(8)检测到的三相电感电流，来进行模型计算以观测LC滤波器9后端永磁同步电机10的电压、电流和转速，从而整体电机控制系统为永磁同步电机10的矢量控制提供电压、电流和转速信息。
在一种可行的实施例中，上述电机控制系统中的控制器在基于用户配置的永磁同步电机的给定速度值确定出变频器的三相电压给定信号之后，控制器即可进一步基于该三相电压给定信号，和该变频器针对系统中包括的三相交流电源进行检测得到的三相电感电流，进行实时计算以对永磁同步电机的电机运行参数——电压、电流和速度进行观测。从而，电机控制系统即可基于实时观测到的该永磁同步电机的各电机运行参数，针对该永磁同步电机进行准确的矢量控制。
在本实施例中，本发明提供的电机控制系统，由控制器在开始执行具体的控制操作之前，即可基于配置在变频器输出端的LC滤波器和系统中的电机(永磁同步电机)各自的数学模型，构建得到用于针对电机的运行参数进行观测的观测器。
之后，电机控制系统中的控制器通过获取该电机控制系统中变频器的发波电压和该变频器的输出电流，并将该发波电压和该输出电流均作为该观测器的输入，以供观测器基于该发波电压和该输出电流进行计算来估计得到永磁同步电机的一个或者多个运行参数(输入电流、输入电压或者转速)。从而，该控制器即可进一步根据估计得到的一个或者多个运行参数，来针对该变频器的输出电压进行反馈控制，从而使得该永磁同步电机按照各目标运行参数进行运行。
如此，相比于传统通过在电机端增加传感器来采集电机电压、电流和速度等运行参数用于对电机进行驱动控制的方式，本发明通过变频器输出带LC滤波器的电机控制系统，基于输出带LC滤波器的变频器的三相电压给定信号，和该变频器检测到的三相电感电流对，来观测LC滤波器后端永磁同步电机的电机运行参数，即，电压、电流和转速。从而，本发明不需要额外增加用于测量电机电压、电流和转速的传感器，而是通过变频器输出带LC滤波器的电机控制系统即能够实现对电机的观测以实现对永磁同步电机进行准确的矢量控制，不仅有效地降低了电机驱动系统的成本，还能够避免传感器的安装和使用环境的限制影响，从而提高了电机驱动系统的可靠性。
此外，本申请还提供一种终端设备，该终端设备包括或者集成有上述变频器输出带LC滤波器的电机控制系统。
请参照图4，图4为本申请实施例方案涉及的终端设备硬件运行环境的设备结构示意图。
如图4所示，该终端设备可以包括：处理器1001，例如CPU，通信总线1002，用户接口1003，网络接口1004，存储器1005。其中，通信总线1002用于实现这些组件之间的连接通信。用户接口1003可以包括显示屏(Display)、输入单元比如键盘(Keyboard)，可选用户接口1003还可以包括标准的有线接口、无线接口。网络接口1004可选的可以包括标准的有线接口、无线接口(如Wi-Fi接口)。存储器1005可以是高速RAM存储器，也可以是稳定的存储器(non-volatile memory)，例如磁盘存储器。存储器1005可选的还可以是独立于前述处理器1001的存储装置。
本领域技术人员可以理解，图1中示出的终端设备结构并不构成对终端设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
如图4所示，作为一种计算机存储介质的存储器1005中可以包括操作系统、永磁同步电机的控制模块、用户接口模块以及永磁同步电机的控制程序。
在图4所示的终端中，网络接口1004主要用于连接后台服务器，与后台服务器进行数据通信；用户接口1003主要用于连接客户端，与客户端进行数据通信；而处理器1001可以用于调用存储器1005中存储的永磁同步电机的控制程序，并执行以下步骤：
根据所述LC滤波器的数学模型及所述电机的数学模型构建用于观测所述电机的运行参数的观测器；
获取所述变频器的发波电压及所述变频器的输出电流；
根据所述发波电压、所述输出电流及所述观测器估计所述电机的运行参数；所述电机的运行参数包括所述电机的输入电流、输入电压或者转速中的至少一种。
进一步地，所述观测器的观测模型包括：电压电流观测模型和速度估计模型；
所述电压电流观测模型为：
Figure BDA0003999271100000191
其中，
Figure BDA0003999271100000192
为旋转坐标系下电感电流估计值，
Figure BDA0003999271100000193
为电机定子电压估计值，
Figure BDA0003999271100000194
为电机定子电流估计值，
Figure BDA0003999271100000195
为电机转子速度估计值，K为反馈增益矩阵；
所述速度估计模型为：
Figure BDA0003999271100000196
其中，Kp为速度估计比例增益，Ki为速度估计积分增益。
进一步地，处理器1001还可以用于调用存储器1005中存储的永磁同步电机的控制程序，在执行根据所述发波电压、所述输出电流及所述观测器估计所述电机的运行参数之后，还执行以下步骤：
根据估计的所述电机的运行参数对所述变频器的输出电压进行反馈控制，以使所述电机按照目标运行参数进行运行。
进一步地，处理器1001还可以用于调用存储器1005中存储的永磁同步电机的控制程序，并执行以下步骤：
获取所述电机的给定速度值；
根据所述电机的给定速度值及所述观测器观测的所述电机的转速估计值的差值，计算得到所述电机的定子电流控制给定值；
根据所述定子电流控制给定值及所述观测器观测的所述电机的输入电流值的差值计算得到旋转坐标系下的电压给定值；
将所述电压给定值变换为三相静止坐标系下的电压给定值以控制所述变频器生成三相电压给定信号。
此外，本申请还提供一种计算机存储介质，该计算机存储介质上存储有永磁同步电机的控制程序，所述永磁同步电机的控制程序被处理器执行时实现如以上任一项实施例所述的永磁同步电机的控制方法的步骤。
本申请计算机存储介质的具体实施例与上述永磁同步电机的控制方法各实施例基本相同，在此不作赘述。
本申请还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如以上任一项实施例所述的永磁同步电机的控制方法的步骤。
本申请计算机程序产品的具体实施例与上述永磁同步电机的控制方法各实施例基本相同，在此不作赘述。
以上仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种永磁同步电机的控制方法，其特征在于，所述方法应用于电机控制系统，所述电机控制系统包括依次电性连接的变频器、LC滤波器及电机，还包括用于控制所述变频器的输出电压的控制器，所述方法包括采用所述控制器执行以下步骤：
根据所述LC滤波器的数学模型及所述电机的数学模型构建用于观测所述电机的运行参数的观测器；
获取所述变频器的发波电压及所述变频器的输出电流；
根据所述发波电压、所述输出电流及所述观测器估计所述电机的运行参数；所述电机的运行参数包括所述电机的输入电流、输入电压或者转速中的至少一种。
2.如权利要求1所述的永磁同步电机的控制方法，其特征在于，所述观测器的观测模型包括：电压电流观测模型和速度估计模型；
所述电压电流观测模型为：
Figure FDA0003999271090000011
其中，
Figure FDA0003999271090000012
为旋转坐标系下电感电流估计值，
Figure FDA0003999271090000013
为电机定子电压估计值，
Figure FDA0003999271090000014
为电机定子电流估计值，
Figure FDA0003999271090000015
为电机转子速度估计值，K为反馈增益矩阵；
所述速度估计模型为：
Figure FDA0003999271090000016
其中，Kp为速度估计比例增益，Ki为速度估计积分增益。
3.如权利要求2所述的永磁同步电机的控制方法，其特征在于，所述根据所述发波电压、所述输出电流及所述观测器估计所述电机的运行参数之后，所述方法还包括：
根据估计的所述电机的运行参数对所述变频器的输出电压进行反馈控制，以使所述电机按照目标运行参数进行运行。
4.如权利要求3所述的永磁同步电机控制方法，其特征在于，所述观测器估计的所述电机的运行参数包括所述电机的速度估计值和输入电流值；所述根据估计的所述电机的运行参数对所述变频器的输出电压进行反馈控制，以使所述电机按照目标运行参数进行运行，包括：
获取所述电机的给定速度值；
根据所述电机的给定速度值及所述观测器观测的所述电机的转速估计值的差值，计算得到所述电机的定子电流控制给定值；
根据所述定子电流控制给定值及所述观测器观测的所述电机的输入电流值的差值计算得到旋转坐标系下的电压给定值；
将所述电压给定值变换为三相静止坐标系下的电压给定值以控制所述变频器生成三相电压给定信号。
5.一种电机控制系统，其特征在于，所述电机控制系统包括依次电性连接的三相交流电源、变频器及电机，还包括配置在所述变频器的输出端的LC滤波器，和，用于控制所述变频器的输出电压的控制器；
所述控制器用于根据所述LC滤波器的数学模型及所述电机的数学模型构建用于观测所述电机的运行参数的观测器；获取所述变频器的发波电压及所述变频器的输出电流；根据所述发波电压、所述输出电流及所述观测器估计所述电机的运行参数；所述电机的运行参数包括所述电机的输入电流、输入电压或者转速中的至少一种。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述观测器用于对所述电机的运行参数进行估计得到所述电机的运行参数估计值；所述运行参数估计值包括：速度估计值和输入电流值；
所述观测器的观测模型包括：电压电流观测模型和速度估计模型；
所述电压电流观测模型为：
Figure FDA0003999271090000021
其中，
Figure FDA0003999271090000022
为旋转坐标系下电感电流估计值，
Figure FDA0003999271090000023
为电机定子电压估计值，
Figure FDA0003999271090000024
为电机定子电流估计值，
Figure FDA0003999271090000025
为电机转子速度估计值，K为反馈增益矩阵；
所述速度估计模型为：
Figure FDA0003999271090000026
其中，Kp为速度估计比例增益，Ki为速度估计积分增益。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述控制器还用于根据所述观测器估计的所述电机的运行参数估计值对所述变频器的输出电压进行反馈控制，以使所述电机按照目标运行参数进行运行。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述变频器还用于将针对所述电机的给定速度值与所述速度估计值之间的第一差值，转化为所述电机的给定电流参数；将所述给定电流参数与所述输入电流值之间的第二差值，转化为旋转坐标系下的电压给定值；以及，将所述电压给定值变换为三相静止坐标系下的电压给定值以生成三相电压给定信号。
9.一种终端设备，其特征在于，所述终端设备包括：存储器、处理器、如权利要求5至8任一项所述的电机控制系统，及，存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的永磁同步电机的控制程序，所述永磁同步电机的控制程序被所述处理器执行时实现如权利要求1至4中任一项所述的永磁同步电机的控制方法的步骤。
10.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质上存储有永磁同步电机的控制程序，所述永磁同步电机的控制程序被处理器执行时实现如权利要求1至4中任一项所述的永磁同步电机的控制方法的步骤。
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