CN116505825B

CN116505825B - 电调控制方法及系统

Info

Publication number: CN116505825B
Application number: CN202310751641.XA
Authority: CN
Inventors: 许凯; 张国欣
Original assignee: Hangzhou Kubo Intelligent Technology Co ltd
Current assignee: Hangzhou Kubo Intelligent Technology Co ltd
Priority date: 2023-06-25
Filing date: 2023-06-25
Publication date: 2023-09-08
Anticipated expiration: 2043-06-25
Also published as: CN116505825A

Abstract

本发明公开了一种电调控制方法及系统。其中，方法包括步骤：S1、将三相绕组电流和三相绕组电压转换为电机的dq轴定子电流和dq轴定子电压；S2、根据dq轴定子电流、dq轴定子电压以及转子电转速构建得到电机的全阶状态观测方程，并得到电机下一周期的估计电流和估计反电动势；S3、根据估计电流，构建电流预处理方程，得到电机的估计电流期望；S4、构建电压偏差估计方程，得出电机的电压静态偏差估计；S5、构建无差拍电流控制方程，得出电机的当前周期的控制电压，生成下一周期的控制信号传输至电机。该方法应用于电调控制系统。通过上述设置，电调控制系统的抗干扰能力更强、运行更加稳定。

Description

电调控制方法及系统

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种电调控制方法及系统。

背景技术

永磁同步电机（PMSM）和FOC矢量控制，凭着其高效、可靠、平滑，越来越多的应用在多旋翼无人机的电调控制系统中。在电调控制系统中，电机的电角度、转速是矢量控制的核心。由于电调的工作情况恶劣、布局紧凑，故一般采用电机无位置传感器方案，采集电机的定子电流、电压，实时估计电机转子的电角度、转速，用于系统的闭环控制。

但在目前的电调控制方案中，电机角度观测模块和电流控制模块，两者解耦，无直接关联，大量的电机运行信息未被电流控制器有效利用，且电流控制器多采用通用PID控制器，抗干扰能力差，参数调整复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种抗干扰能力强、运行稳定的电调控制系统及该系统的控制方法。

基于上述目的，本发明提供了一种电调控制方法，用于电机的电调控制系统，电机包括定子和转子，该方法包括以下步骤：

S1、记录系统每个运行周期的电机的定子三相绕组电流、定子三相绕组电压、转子电转速以及转子电角度，根据定子三相绕组电流和定子三相绕组电压，基于转子电角度，通过坐标变换方程，将定子三相绕组电流和定子三相绕组电压转换为电机的dq轴定子电流和dq轴定子电压；

S2、根据dq轴定子电流、dq轴定子电压以及电机的转子电转速构建得到电机的全阶状态观测方程，根据全阶状态观测方程，得到电机的估计电流和估计反电动势；

S3、根据设定的转速指令以及转子电转速，基于设定的PI控制方程，运算得出电机的期望电流；根据期望电流和估计电流构建电流预处理方程，并根据电流预处理方程，得到电机的估计电流期望；

S4、根据电机的上一周期的dq轴定子电压以及上上周期的控制电压，构建电压偏差估计方程，根据电压偏差估计方程，运算得出电机当前周期的电压静态偏差估计；

S5、根据估计电流期望、估计电流以及估计反电动势，构建无差拍电流控制方程，并以电压静态偏差估计作为无差拍电流控制方程的前馈补偿，计算得出电机的下一周期的控制电压，将下一周期的控制电压经坐标变换和矢量调制后，基于采集的电机的母线电压进行处理，生成下一周期的控制信号传输至电机。

进一步地，步骤S1中电机当前周期的转子电角度的求取方法包括：根据上一周期的电机的估计反电动势，通过正反切运算，得到电机的电角度估计偏差/>；通过设定的PI运算方程，得到转子电转速/>，根据转子电转速/>和观测周期/>，求得电机的转子电角度/>。

进一步地，PI运算方程为：

，

其中，为第一比例系数，/>为第一积分系数，/>为观测周期，/>为d轴估计反电动势，/>为q轴估计反电动势。

进一步地，步骤S1中的坐标变换方程为：

，

其中，为坐标变换矩阵，/>为三相绕组电流，为三相绕组电压，/>为dq轴定子电流，为dq轴定子电压。

进一步地，步骤S2中的全阶状态观测方程为：

，

其中，为定子内阻，/>为定子电感，/>为观测参数，/>为转子电转速，为估计电流，/>为估计反电动势，/>为反馈矩阵。

进一步地，步骤S3中的PI控制方程为：

，

其中，为第二比例系数，/>为第二积分系数，pp为电机转子的极对数，/>为转速指令，/>为q轴的期望电流，/>为d轴的期望电流；

电流预处理方程为：

，

其中，为估计电流期望，/>为平滑系数。

进一步地，步骤S4中的电压偏差估计方程为：

，

其中，为电压静态偏差估计，/>为滤波函数，/>为电机上上周期的控制电压，/>为电机上一周期的dq轴定子电压。

进一步地，步骤S5中的无差拍电流控制方程为:

，

其中，为d轴控制电压，/>为q轴控制电压。

进一步地，步骤S5中，将当前周期的控制电压经坐标变换和矢量调制后，基于电机的母线电压进行处理，包括使用以下转换公式：

，

其中，为三相占空比控制信号，为定子三相控制电压，/>为dq轴电压控制指令，为电机母线电压。

一种电调控制系统，应用于电机，包括：

电调信息反馈模块，获取电机的定子三相绕组电流和三相绕组电压，基于电机的转子电角度，通过坐标转换，将定子的三相绕组电流和三相绕组电压转化为dq轴定子电流和dq轴定子电压；

电机无感估计模块，包括电机全阶状态观测器和角度跟随控制器；

电机全阶状态观测器，根据dq轴定子电流和dq轴定子电压，构建全阶状态观测方程，得到电机下一周期的估计电流和估计反电动势；

角度跟随控制器，根据电机上一周期的估计反电动势，获取电机的转子电角度；

转速控制模块，根据设定的转速指令和转子电转速，得到电机的期望电流；

无差拍电流控制模块，包括电流指令预处理单元、电压偏差估计单元和电压指令预测控制单元；

电流指令预处理单元，对期望电流进行预处理，得到电机的估计电流期望；

电压偏差估计单元，根据电机上一周期的dq轴定子电压以及上上周期的控制电压，得出电机的电压静态偏差估计；

电压指令预测控制单元，根据估计电流期望、估计电流以及估计反电动势，构建无差拍电流控制方程，并以电压静态偏差估计作为无差拍电流控制方程的前馈补偿，计算得出电机当前周期的控制电压；

矢量调制模块，对控制电压进行坐标变换和矢量调制，并基于电机的母线电压进行处理，得到下一周期的控制信号传输至电机。

本发明提供了一种电调控制方法及系统，通过估计电机的定子电流和反电动势，将估计电流和估计反电动势作为无差怕电流控制方程的输入，并计算电机的电压静态偏差作为无差拍电流控制方程的前馈补偿，得到电机的控制电压。能够有效弥补无差拍电流控制中因参数偏差、功率器件压降引起的控制扰动，使得电调控制系统的抗干扰能力更强、控制更加稳定、响应速度更快。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的电调控制方法流程图；

图2是根据本发明实施例提供的求转子电角度的方法流程图；

图3是根据本发明实施例提供的电调控制系统的系统框图；

图4是根据本发明实施例提供的电调控制系统的模块连接示意图；

图5是根据本发明实施例提供的电调控制系统的算法框图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述，但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

如图1所示的本发明的一个实施例，本发明提供了一种电调控制方法，该方法包括步骤：

S101、记录系统每个运行周期的电机定子三相绕组电流、定子三相绕组电压、转子电转速以及转子电角度，根据定子三相绕组电流和定子三相绕组电压，基于转子电角度，通过坐标变换方程，将定子三相绕组电流和定子三相绕组电压转换为电机的dq轴定子电流和dq轴定子电压；

S102、根据dq轴定子电流、dq轴定子电压以及电机的转子电转速构建得到电机的全阶状态观测方程，根据全阶状态观测方程，得到电机的估计电流和估计反电动势；

S103、根据设定的转速指令以及转子电转速，基于设定的PI控制方程，运算得出电机的期望电流；根据期望电流和估计电流构建电流预处理方程，并根据电流预处理方程，得到电机的估计电流期望；

S104、根据电机的上一周期的dq轴定子电压以及上上周期的控制电压，构建电压偏差估计方程，根据电压偏差估计方程，运算得出电机当前周期的电压静态偏差估计；

S105、根据估计电流期望、估计电流以及估计反电动势，构建无差拍电流控制方程，并以电压静态偏差估计作为无差拍电流控制方程的前馈补偿，计算得出电机的下一周期的控制电压，将下一周期的控制电压经坐标变换和矢量调制后，基于采集的电机的母线电压进行处理，生成下一周期的控制信号传输至电机。

电机在进行无差拍电流预测控制时，通过采集电机的定子电流和转速信号，基于电机参数和数学控制，可得到三相逆变器的控制电压矢量，该方法相比于PID控制，能够提高系统带宽，无需参数整定，但是对电机参数较为敏感。本申请通过利用电机角度观测器算法的中间变量，即，电机的估计电流、估计反电动势以及转子电角度，消除电机参数引起的干扰。同时，补偿电调硬件偏差引起的电压偏差，实现无位置传感器运行时的电调系统全范围稳定、快速响应。

根据采集的电机定子三相绕组电流和定子三相绕组电压，基于电机的转子电角度/>，通过坐标变换方程，可将定子三相绕组电流和定子三相绕组电压转换为电机的dq轴定子电流/>和dq轴定子电压/>。坐标变换方程具体为式（1）：

（1），

其中，为坐标变换矩阵，具体表达式为式（2）：

（2）。

需要说明的是，还可以直接使用电压指令，作为dq轴定子电压输入，以减少三相电压采样电路。

如图2所示，作为一种实现方式，电机的转子电角度可通过以下方法求取：

S201、根据上一周期的电机的估计反电动势，通过正反切运算，得到系统的电角度估计偏差；

S202、根据电角度估计偏差，通过设定的PI运算方程，得到转子电转速；

S203、根据转子电转速和观测周期求得电机的转子电角度。

其中，PI运算方程为式（3）：

（3），

根据dq轴定子电流、dq轴定子电压以及电机的转子电转速构建得到电机的全阶状态观测方程，根据全阶状态观测方程，得到电机的估计电流和估计反电动势。所构建的电机的全阶状态观测方程为式（4）：

（4），

其中，为定子内阻，/>为定子电感，/>为观测参数，/>为观测周期，/>为转子电转速，/>为估计电流，/>为估计反电动势，/>为反馈矩阵。

作为一种实现方式，反馈矩阵，可根据实际场景和设计进行选择和调试。在本实施例中，通过选择合适的观测参数/>，通过已知的电机参数，进行如下计算，即可得到式（5）中的全部分量：

（5），

该反馈矩阵的生成方式简单，计算量小，且稳定性好。

作为另一种实现方式，反馈矩阵，可根据经验进行调试，或者其他计算方法，获得各个分量，有如式（6）形式：

（6），

其中，反馈矩阵中h为待定系数。

在本实施例中，通过实时估测电机的估计电流、估计反电动势、转子电转速和电机的电角速度。可使电流、反电动势这两个观测状态被电调控制系统完美使用。参数偏差引起的扰动项，也被包含在反电动势项中，从而使电调控制系统有效地消除扰动。转子电转速和电角度，也会实时反馈至下一周期的系统中，以达到有效闭环控制的目的。通过上述设置，电调控制系统运行更加稳定、抗干扰能力更强。

根据设定的转速指令以及转子电转速，基于设定的PI控制方程，运算得出电机的期望电流；根据期望电流和估计电流构建电流预处理方程，根据电流预处理方程，得到电机的估计电流期望。其中，设定的转速指令可以是上层飞控下发的转速指令。

在接收到转速指令，以及系统反馈的转子电转速/>后，通过下式（7）的PI控制方程，得到期望电流：

（7），

其中，为第二比例系数，/>为第二积分系数，pp为电机转子的极对数，/>为转速指令，/>为q轴的期望电流，/>为d轴的期望电流。

在得到期望电流后，可期望电流和估计电流构建电流预处理方程，电流预处理方程为式（8）：

（8），

其中，为估计电流期望，/>为平滑系数。当取/>时为特例，/>，即直接输入，不做任何预处理。

通过上述对dq轴定子电流的预处理，可减少电流指令阶跃引发的电压跳变，削弱对系统的冲击，使得电调控制更加稳定。

根据电机的上一周期的dq轴定子电压以及上上周期的控制电压，构建电压偏差估计方程，根据电压偏差估计方程，运算得出电机当前周期的电压静态偏差估计。具体的，获取电机上上周期的控制电压以及上一周期的dq轴定子电压/>，对两者电压的差值进行滤波处理，得到电压静态偏差估计/>。电压偏差估计方程为式（9）：

（9），

作为一种实现方式，可选择一个时间窗口长度，对d、q轴上的电压偏差，取其连续m帧数据的平均值。则电压偏差估计方程可如式（10）所示：

（10），

其中，、/>分别表示，第n-2个控制周期，d轴和q轴的控制电压；/>、/>分别表示，第n个控制周期，获取的电机dq轴定子电压；/>、/>分别表示，第n个控制周期时，d轴和q轴上的实时电压偏差，一般n泛指当前周期；/>、分别表示，第n个控制周期时，d轴和q轴上的电压静态偏差估计；m为时间窗口，m>1，表示最近连续m个控制周期下，电压偏差的平均效果。

作为另一种实现方式，还可选择一个滤波系数，进行数字滤波，该方式的运算简单有效，得到的电压偏差估计方程如式（11）：

（11），

其中，、/>分别表示上一周期的d轴和q轴的电压静态偏差估计。当滤波系数/>，则完全使用当前偏差，无滤波效果。

进一步地，滤波系数取值选择，通过式（12）来计算：

（12），

其中，为控制周期，/>为滤波时间常数。

通过上述设置，系统的输出、输入电压的偏差估计，可以补偿系统死区和采样偏差引入的扰动，使系统的抗干扰能力更强。

根据估计电流期望、估计电流以及估计反电动势，构建无差拍电流控制方程，并以电压静态偏差估计作为无差拍电流控制方程的前馈补偿，计算得出电机的下一周期的控制电压，将下一周期的控制电压经坐标变换和矢量调制后，基于电机的母线电压进行处理，生成下一周期的控制信号传输至电机。其中，无差拍电流控制方程为式（13）：

（13），

其中，为估计电流期望，/>为电机控制电压指令，/>为定子内阻，/>为定子电感，/>为观测周期，/>为转子电转速，/>为电压静态偏差估计，/>为估计电流，/>为估计反电动势。

由于存在估计反电动势，允许电机在无传感器下允许，当角度观测未收敛时，仍可通过该方程进行有效控制。随着估计反电动势收敛到零的过程中，定子电压、定子电流均能够有效跟踪，使得电调控制系统的控制更稳定。

将当前周期的控制电压经坐标变换和矢量调制后，基于电机的母线电压进行处理，包括使用以下转换公式（14）：

（14），

如图3和图4所示，本申请还公开了一种电调控制系统100。该电调控制系统100包括电调信息反馈模块11、电机无感估计模块12、转速控制模块13、无差拍电流控制模块14以及矢量调制模块15。

其中，电调信息反馈模块11可获取电机的定子三相绕组电流和三相绕组电压，基于电机的转子电角度，通过坐标转换，将定子的三相绕组电流和三相绕组电压转化为dq轴定子电流和dq轴定子电压。通过上述设置，电调控制系统100可实时获取电机的电气参数，以便后续调控。

如图5所示，电机无感估计模块12与电调信息反馈模块11连接，以获取电机的dq轴定子电流和dq轴定子电压，电机无感估计模块12包括电机全阶状态观测器121和角度跟随控制器122。

其中，电机全阶状态观测器121可根据dq轴定子电流和dq轴定子电压，构建全阶状态观测方程，得到电机下一周期的估计电流和估计反电动势。

角度跟随控制器122可根据上一周期的电机的估计反电动势，获取电机的转子电角度。通过上述设置，电调控制系统100能够有效地将估计电流、估计反电动势和电机的转子电角度结合，以充分利用控制中间量对电机进行控制，使得控制更加稳定。

转速控制模块13可根据设定的转速指令和转子电转速，得到电机的期望电流。其中，设定的转速指令指的是上层飞控系统下达的转速指令。

无差拍电流控制模块14分别与电机无感估计模块12以及转速控制模块13连接，以接收估计电流、估计反电动势和期望电流。无差拍电流控制模块14包括电流指令预处理单元141、电压偏差估计单元142以及电压指令预测控制单元143。

具体的，电流指令预处理单元141分别与转速控制模块13以及电机无感估计模块12连接，以对期望电流进行预处理，得到电机的估计电流期望，从而减少电流指令阶跃引发的电压跳变，削弱对电机的冲击。

电压偏差估计单元142可根据电机的上一周期的dq轴定子电压以及上上周期的控制电压，得出电机的电压静态偏差估计。以电压偏差估计作为无差拍电流控制方程的前馈补偿，可使电调控制更加精确、稳定。

电压指令预测控制单元143分别与电流指令预处理单元141以及电压偏差估计单元142连接。电压指令预测控制单元143可根据估计电流期望、估计电流以及估计反电动势，构建无差拍电流控制方程，并以电压静态偏差估计作为无差拍电流控制方程的前馈补偿，计算得出电机的当前周期的控制电压。

矢量调制模块15与电压指令预测控制单元143连接，以对控制电压进行坐标变换和矢量调制，并基于电机的母线电压进行处理，得到下一周期的控制信号传输至电机。

综上，本申请通过有效利用电机角度观测器算法中的中间变量，消除了电机参数引起的干扰。同时，通过补偿电调硬件引起的电压偏差，实现无位置传感器运行时全范围稳定以及快速响应。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施方式，但是本领域的普通技术人员将意识到，在不脱离由所附的权利要求书公开的本发明的范围和精神的情况下，各种改进、增加以及取代是可能的。

Claims

1.一种电调控制方法，用于电机的电调控制系统，所述电机包括定子和转子，其特征在于，方法包括以下步骤：

S1、记录所述系统每个运行周期的所述电机的定子三相绕组电流、定子三相绕组电压、转子电转速以及转子电角度，根据所述定子三相绕组电流和定子三相绕组电压，基于所述转子电角度，通过坐标变换方程，将所述定子三相绕组电流和定子三相绕组电压转换为所述电机的dq轴定子电流和dq轴定子电压；

S2、根据所述dq轴定子电流、dq轴定子电压以及所述电机的转子电转速构建得到所述电机的全阶状态观测方程，根据所述全阶状态观测方程，得到所述电机的估计电流和估计反电动势；

S3、根据设定的转速指令以及所述转子电转速，基于设定的PI控制方程，运算得出所述电机的期望电流；根据所述期望电流和所述估计电流构建电流预处理方程，并根据所述电流预处理方程，得到所述电机的估计电流期望；

S4、根据所述电机的上一周期的dq轴定子电压以及上上周期的控制电压，构建电压偏差估计方程，根据所述电压偏差估计方程，运算得出所述电机当前周期的电压静态偏差估计；

S5、根据所述估计电流期望、估计电流以及估计反电动势，构建无差拍电流控制方程，并以所述电压静态偏差估计作为所述无差拍电流控制方程的前馈补偿，计算得出所述电机的下一周期的控制电压，将下一周期的控制电压经坐标变换和矢量调制后，基于采集的所述电机的母线电压进行处理，生成下一周期的控制信号传输至所述电机。

2.如权利要求1的电调控制方法，其特征在于，步骤S1中所述电机当前周期的转子电角度的求取方法包括：根据上一周期的所述电机的估计反电动势，通过正反切运算，得到所述电机的电角度估计偏差/>；通过设定的PI运算方程，得到所述转子电转速/>，根据所述转子电转速/>和观测周期/>，求得所述电机的转子电角度/>。

3.如权利要求2的电调控制方法，其特征在于，所述PI运算方程为：

，

其中，为第一比例系数，/>为第一积分系数，/>为观测周期，/>为d轴估计反电动势，为q轴估计反电动势。

4.如权利要求3的电调控制方法，其特征在于，所述步骤S1中的坐标变换方程为：

，

5.如权利要求4的电调控制方法，其特征在于，所述步骤S2中的全阶状态观测方程为：

，

其中，为定子内阻，/>为定子电感，/>为观测参数， />为转子电转速，/>为估计电流，/>为估计反电动势，/>为反馈矩阵。

6.如权利要求5的电调控制方法，其特征在于，所述步骤S3中的PI控制方程为：

，

电流预处理方程为：

，

其中，为估计电流期望，/>为平滑系数。

7.如权利要求6的电调控制方法，其特征在于，所述步骤S4中的电压偏差估计方程为：

，

8.如权利要求7的电调控制方法，其特征在于，所述步骤S5中的无差拍电流控制方程为:

，

其中，为d轴控制电压，/>为q轴控制电压。

9.如权利要求8的电调控制方法，其特征在于，所述步骤S5中，将当前周期的控制电压经坐标变换和矢量调制后，基于电机的母线电压进行处理，包括使用以下转换公式：

，

其中，为三相占空比控制信号，/>为定子三相控制电压，/> 为dq轴电压控制指令，/>为电机母线电压。

10.一种电调控制系统，应用于电机，其特征在于，包括：

电调信息反馈模块，获取所述电机的定子三相绕组电流和三相绕组电压，基于所述电机的转子电角度，通过坐标转换，将所述定子的三相绕组电流和三相绕组电压转化为dq轴定子电流和dq轴定子电压；

所述电机全阶状态观测器，根据所述dq轴定子电流和dq轴定子电压，构建全阶状态观测方程，得到电机下一周期的估计电流和估计反电动势；

所述角度跟随控制器，根据所述电机上一周期的估计反电动势，获取所述电机的转子电角度；

转速控制模块，根据设定的转速指令和转子电转速，得到所述电机的期望电流；

所述电流指令预处理单元，对所述期望电流进行预处理，得到所述电机的估计电流期望；

所述电压偏差估计单元，根据所述电机上一周期的dq轴定子电压以及上上周期的控制电压，得出所述电机的电压静态偏差估计；

所述电压指令预测控制单元，根据所述估计电流期望、估计电流以及估计反电动势，构建无差拍电流控制方程，并以所述电压静态偏差估计作为所述无差拍电流控制方程的前馈补偿，计算得出所述电机当前周期的控制电压；

矢量调制模块，对所述控制电压进行坐标变换和矢量调制，并基于所述电机的母线电压进行处理，得到下一周期的控制信号传输至所述电机。