技术领域
[0001] 本
发明涉及永磁同步电机技术领域，特别是指一种基于无模型控制器的永磁同步电机控制方法及装置。
背景技术
[0002] 永磁同步电机由于高功率
密度，高效节能受到深入的研究与广泛的应用。模型预测控制(MPC)因其具有原理简单，响应速度快，善于处理多约束多变量问题等优点逐渐成为研究的热点。在高性能交流电机调速领域，MPC与经典的
磁场定向控制相比，它没有
电流内环，无需复杂的参数整定，省时省
力，同时MPC具有易于处理多目标，多变量的约束问题的优势。与直接转矩控制相比，MPC在最优作用矢量的选择上更准确，更容易考虑到各种非线性约束条件。目前，MPC已成为电力
电子传动领域控制方法中一个重要的分支。
[0003] 在理想工况以及电机参数准确的情况下，模型预测控制可以实现优越的稳态和动态性能。但是在实际应用中，电机运行工作环境、运行工况的变化会导致电机参数的改变，以及本身参数测量的不准确都会影响控制
算法的性能。具体的会造成电机在运行过程中的存在噪音，电流存在静态误差甚至电流发散从而影响系统的控制性能和
稳定性。为了提高控制算法对不同控制对象的适用性，提高开发、生产效率，提升控制算法的鲁棒性很重要。为了提高控制算法的参数鲁棒性，在此前的研究中，已经提出了一些方法，例如在线参数辨识和构建扰动观测器等，然而在线参数辨识需要大量的计算，这会增加系统的复杂性，并且辨识算法的准确性直接影响控制系统的性能；而基于扰动观测器的方法，控制性能的好坏取决于系统测量的准确性。因此这些方法仍然存在参数鲁棒性差的问题，只不过是从控制算法本身转移到了其他方面。
发明内容
[0004] 有鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于无模型控制器的永磁同步电机控制方法及装置，能够提高控制的鲁棒性。
[0005] 基于上述目的本发明提供的基于无模型控制器的永磁同步电机控制方法，包括：
[0006] 获取永磁同步电机的控制电流；
[0007] 获取所述永磁同步电机当前的实际电流和实际
电压；
[0008] 将所述控制电流、所述实际电流和所述实际电压输入至预设的无模型控制器，预测所述永磁同步电机的控制电压；
[0009] 根据所述控制电压，驱动所述永磁同步电机。
[0010] 在本发明一些
实施例中，所述获取永磁同步电机的控制电流，具体包括：
[0011] 获取所述永磁同步电机的转速控制值和d轴电流控制值；
[0012] 获取所述永磁同步电机的实际转速值；
[0013] 根据所述转速控制值、d轴电流控制值和所述实际转速值，得到所述控制电流。
[0014] 在本发明一些实施例中，所述根据所述转速控制值、d轴电流控制值和所述实际转速值，得到所述控制电流，具体包括：
[0015] 计算所述转速控制值与所述实际转速值之间的误差；
[0016] 对所述误差进行PI调节，得到q轴电流控制值；
[0017] 将所述d轴电流控制值和所述q轴电流控制值进行坐标变换，得到两相静止
坐标系下的控制电流。
[0018] 在本发明一些实施例中，所述获取所述永磁同步电机当前的实际电流和实际电压，具体包括：
[0019] 获取所述永磁同步电机当前的
三相电流；
[0020] 对所述三相电流进行坐标转换，得到两相静止坐标系下的实际电流；
[0021] 根据所述实际电流，计算所述实际电压。
[0022] 在本发明一些实施例中，所述将所述控制电流、所述实际电流和所述实际电压输入至预设的无模型控制器，预测所述永磁同步电机的控制电压，具体包括：
[0023] 将所述控制电流、所述实际电流和所述实际电压输入至预设的无模型控制器，使所述无模型控制器根据所述实际电流和所述实际电压估算性能误差，并根据所述控制电流和所述性能误差预测所述控制电压。
[0024] 在本发明一些实施例中，所述性能误差的估算公式为：
[0025]
[0026]
[0027]
[0028] 其中， 为性能误差，Tsc为控制周期，nF为控制周期的个数， 为第k个控制周期的
定子电流， 为第k个控制周期的定子电压，α为权重系数。
[0029] 在本发明一些实施例中，所述电压控制的计算公式为：
[0030]
[0031] 其中， 为控制电压， 为控制电流。
[0032] 在本发明一些实施例中，所述根据所述电压控制
信号，驱动所述永磁同步电机，具体包括：
[0033] 对所述电压
控制信号进行SVPWM调制，得到六路
开关信号；
[0034] 将所述六路开关信号作用于所述永磁同步电机的逆变器，以驱动所述永磁同步电机。
[0035] 本发明还提供一种基于无模型控制器的永磁同步电机控制装置，能够实现上述基于无模型控制器的永磁同步电机控制方法，所述装置包括：
[0036] 控制电流获取模
块，用于获取永磁同步电机的控制电流；
[0037] 实际获取模块，用于获取所述永磁同步电机当前的实际电流和实际电压；
[0038] 控制电压获取模块，用于将所述控制电流、所述实际电流和所述实际电压输入至预设的无模型控制器，预测所述永磁同步电机的控制电压；以及，
[0039] 驱动模块，用于根据所述控制电压，驱动所述永磁同步电机。
[0040] 在本发明一些实施例中，所述控制电压获取模块具体用于：
[0041] 将所述控制电流、所述实际电流和所述实际电压输入至预设的无模型控制器，使所述无模型控制器根据所述实际电流和所述实际电压估算性能误差，并根据所述控制电流和所述性能误差预测所述控制电压。
[0042] 从上面所述可以看出，本发明提供的基于无模型控制器的永磁同步电机控制方法及装置，能够获取永磁同步电机的控制电流，并获取永磁同步电机当前的实际电流和实际电压，以将控制电流、实际电流和实际电压输入至预设的无模型控制器，预测所述永磁同步电机的控制电压，从而根据所述控制电压，驱动所述永磁同步电机。本发明实施例仅用到永磁同步电机的输入和输出数据，无需参数信息，以将所有已知和未知量以及扰动考虑进去，有效提高控制的鲁棒性。
附图说明
[0043] 图1为本发明实施例提供的基于无模型控制器的永磁同步电机控制方法的流程示意图；
[0044] 图2为本发明实施例提供的基于无模型控制器的永磁同步电机控制方法的原理图；
[0045] 图3为本发明实施例在准确参数下的仿真
波形图；
[0046] 图4为本发明实施例在准确参数下的相电流THD分析图；
[0047] 图5为本发明实施例参数变化为5R和2L时的仿真波形图；
[0048] 图6为本发明实施例参数变化为5R和2L时的相电流THD分析图；
[0049] 图7为本发明实施例参数变化为0.5ψf和2L时的仿真波形图；
[0050] 图8为本发明实施例参数变化为0.5ψf和2L时的相电流THD分析图；
[0051] 图9为本发明实施例参数变化为10R，0.7ψf和2L时的空载实验波形图；
[0052] 图10为本发明实施例参数变化为10R，0.7ψf和2L时的带载实验波形图；
[0053] 图11为本发明实施例参数变化为0.1R，2ψf和0.5L时的空载实验波形图；
[0054] 图12为本发明实施例参数变化为0.1R，2ψf和0.5L时的带载实验波形图；
[0055] 图13为本发明实施例参数变化为1R，2ψf和2L时的空载实验波形图；
[0056] 图14为本发明实施例参数变化为1R，2ψf和2L时的带载实验波形；
[0057] 图15为本发明实施例提供的基于无模型控制器的永磁同步电机控制装置的结构示意图。
具体实施方式
[0058] 为使本发明的目的、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，对本发明进一步详细说明。
[0059] 参见图1，是本发明实施例提供的基于无模型控制器的永磁同步电机控制方法的流程示意图，所述方法包括：
[0060] S1、获取永磁同步电机的控制电流。
[0061] 本发明实施例中的控制电流是指控制永磁同步电机的电流。控制电流一般为矢量，且控制电流可以根据转速控制值、d轴电流控制值和永磁同步电机的实际转速值计算得出。
[0062] 具体地，步骤S1中的所述获取永磁同步电机的控制电流，包括：
[0063] 获取所述永磁同步电机的转速控制值和d轴电流控制值；
[0064] 获取所述永磁同步电机的实际转速值；
[0065] 根据所述转速控制值、d轴电流控制值和所述实际转速值，得到所述控制电流。
[0066] 如图2所示，设置一个
编码器，通过编码器可以获取永磁同步电机SPMSM的实际转速值ωr。同时，获取永磁同步电机的转速控制值ωr*，转速控制值ωr*是指控制永磁同步电* *机的转速指令值。另外，获取永磁同步电机的d轴电流控制值id ，d轴电流控制值id 是指控制永磁同步电机的d轴电流指令值。
[0067] 在获取永磁同步电机的转速控制值ωr*、d轴电流控制值id*和实际转速值ωr，即可根据转速控制值ωr*、d轴电流控制值id*和实际转速值ωr，计算控制电流iα*、iβ*，具体包括：
[0068] 计算所述转速控制值ωr*与所述实际转速值ωr之间的误差；
[0069] 对所述误差进行PI调节，得到q轴电流控制值iq*；
[0070] 将所述d轴电流控制值id*和所述q轴电流控制值iq*进行坐标变换，得到两相静止坐标系下的控制电流iα*、iβ*。
[0071] 如图2所示，将转速控制值ωr*与实际转速值ωr之间的误差通过一个PI调节器ASR，得到q轴电流控制值iq*。对于表贴式永磁同步电机，采用
最大转矩电流比控制，d轴电流控制值为id*＝0。
[0072] 由于电流为矢量，通过编码器获取永磁同步电机中电流矢量与α轴的夹
角θ，根据d轴电流控制值id*、q轴电流控制值iq*和夹角θ，通过dq到αβ坐标转换，得到两相静止坐标系下的控制电流iα*、iβ*：
[0073]
[0074] S2、获取所述永磁同步电机当前的实际电流和实际电压。
[0075] 具体地，步骤S2中的所述获取所述永磁同步电机当前的实际电流和实际电压，包括：
[0076] 获取所述永磁同步电机当前的三相电流；
[0077] 对所述三相电流进行坐标转换，得到两相静止坐标系下的实际电流；
[0078] 根据所述实际电流，计算所述实际电压。
[0079] 如图2所示，获取输入至永磁同步电机SPMSM的三相电流，通过abc到αβ坐标转换，得到两相静止坐标系下的实际电流iα、iβ，同时，根据实际电流iα、iβ，可以计算实际电压uα、uβ。
[0080] S3、将所述控制电流、所述实际电流和所述实际电压输入至预设的无模型控制器，预测所述永磁同步电机的控制电压。
[0081] 如图2所示，将实际电流iα、iβ，实际电压uα、uβ和控制电流iα*、iβ*输入至无模型控制器，可以得到永磁同步电机的控制电压uα*、uβ*。
[0082] 具体地，步骤S3中的所述将所述控制电流、所述实际电流和所述实际电压输入至预设的无模型控制器，预测所述永磁同步电机的控制电压，包括：
[0083] 将所述控制电流、所述实际电流和所述实际电压输入至预设的无模型控制器，使所述无模型控制器根据所述实际电流和所述实际电压估算性能误差，并根据所述控制电流和所述性能误差预测所述控制电压。
[0084] 更具体地，对于一阶单输入单输出系统，定义系统的超局部模型为：
[0085] y＝F+αu。
[0086] 其中u为系统的输入，y为系统的输出，F为性能误差，包含系统已知和未知的量，其中包括系统未知的部分以及可能的干扰，α为输入变量的权重系数，其为一个常数值，在本实施例中取 其中L为电机定子电感。
[0087] 结合永磁同步电机的复矢量数学模型和一阶系统的超局部模型，来建立基于超局部模型的永磁同步电机无模型控制器如下：
[0088]
[0089] 其中is为定子电流，us为定子电压。
[0090] 将上式离散化后得到：
[0091]
[0092] 其中 为第k个控制周期的定子电流， 为预测的第k+1个控制周期的定子电流，Tsc为控制周期。
[0093] 结合微分计算的方法，可将一阶系统的超局部模型改写为：
[0094]
[0095] 其中 为F的估计值，即估算的性能误差，y0是y对应于
采样时间间隔[t-m,t]内的初始值，m的值非常小，取决于系统的采样
频率和噪声强度，本实施例中取m＝nFTsc，nF为控制周期的个数。
[0096] 其中，F1,F2可以被表示为：
[0097]
[0098]
[0099] 根据控制电流和实际电流，经过基于超局部模型的永磁同步电机无模型控制器，得到控制电压。
[0100] 假设 达到其参考值 (控制电流)，最终的控制电压可以表示为：
[0101]
[0102] 两相静止坐标系下的控制电压为：
[0103]
[0104] S4、根据所述控制电压，驱动所述永磁同步电机。
[0105] 具体地，步骤S4中的所述根据所述电压控制信号，驱动所述永磁同步电机，包括：
[0106] 对所述电压控制信号进行SVPWM调制，得到六路开关信号；
[0107] 将所述六路开关信号作用于所述永磁同步电机的逆变器，以驱动所述永磁同步电机。
[0108] 如图2所示，将控制电压uα*、uβ*经过SVPWM调制，得到六路开关信号Sa、Sb、Sc，将六路开关信号Sa、Sb、Sc作用于永磁同步电机的逆变器Inverter，驱动永磁同步电机。
[0109] 本发明实施例在永磁同步电机上验证其有效性，通过图3、图4以及对比图5、图6、图7、图8所示的仿真对比可以看出。在参数发生变化时，无模型控制器的算法在动态和稳态性能上，都展现了良好的鲁棒性。图3为参数准确时的仿真波形，图5、图7为参数发生变化时的仿真波形，其中通道1表示速度指令值和速度实际值，通道2为q轴电流控制值和实际值，通道3为a相电流。图4为参数准确时的稳态相电流THD分析，图6、图8为参数发生变化时的稳态相电流THD分析。通过对比，从仿真结果和THD分析可以看出，参数变化对控制系统几乎不造成影响，控制系统具有很强的参数鲁棒性。图9、图11、图13为参数不准确时的空载实验波形，图10、图12、图14为参数不准确时的带载实验波形。通道1为电机实际转速值，通道2、3为q轴电流控制值与实际值，通道4为电机相电流。通过实验波形可以看出，参数变化对系统性能影响很小，基于超局部模型的永磁同步电机无模型控制器具有很强的参数鲁棒性，无论仿真还是实验都与理论分析一致。
[0110] 本实施例中，本发明提供的基于无模型控制器的永磁同步电机控制方法，能够获取永磁同步电机的控制电流，并获取永磁同步电机当前的实际电流和实际电压，以将控制电流、实际电流和实际电压输入至预设的无模型控制器，预测所述永磁同步电机的控制电压，从而根据所述控制电压，驱动所述永磁同步电机。本发明实施例仅用到永磁同步电机的输入和输出数据，无需参数信息，以将所有已知和未知量以及扰动考虑进去，有效提高控制的鲁棒性。
[0111] 相应地，本发明还提供一种基于无模型控制器的永磁同步电机控制装置，能够实现上述基于无模型控制器的永磁同步电机控制方法的所有流程。
[0112] 参见图15，是本发明实施例提供的基于无模型控制器的永磁同步电机控制装置的结构示意图，该装置包括：
[0113] 控制电流模块1，用于获取永磁同步电机的控制电流；
[0114] 实际获取模块2，用于获取所述永磁同步电机当前的实际电流和实际电压；
[0115] 控制电压获取模块3，用于将所述控制电流、所述实际电流和所述实际电压输入至预设的无模型控制器，预测所述永磁同步电机的控制电压；以及，
[0116] 驱动模块4，用于根据所述控制电压，驱动所述永磁同步电机。
[0117] 进一步地，所述控制电压获取模块具体用于：
[0118] 将所述控制电流、所述实际电流和所述实际电压输入至预设的无模型控制器，使所述无模型控制器根据所述实际电流和所述实际电压估算性能误差，并根据所述控制电流和所述性能误差预测所述控制电压。
[0119] 本发明提供的基于无模型控制器的永磁同步电机控制装置，能够获取永磁同步电机的控制电流，并获取永磁同步电机当前的实际电流和实际电压，以将控制电流、实际电流和实际电压输入至预设的无模型控制器，预测所述永磁同步电机的控制电压，从而根据所述控制电压，驱动所述永磁同步电机。本发明实施例仅用到永磁同步电机的输入和输出数据，无需参数信息，以将所有已知和未知量以及扰动考虑进去，有效提高控制的鲁棒性。
[0120] 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；在本发明的思路下，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发明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。
[0121] 另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明难以理解，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，以便避免使本发明难以理解，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发明的平台的(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)以描述本发明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发明。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。
[0122] 尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，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。
[0123] 本发明的实施例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，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
