电机控制方法和装置

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及电机控制方法和装置。

背景技术

在电机控制中，逆变器输出电压是一种非常宝贵的资源，其受到直流母线电压和PWM调制方法的约束。逆变器输出电压决定了逆变器的功率容量上限，及电流的动态响应性能。在多相交流电机的控制中，能够充分利用逆变器的输出电压至关重要。在电机控制的控制器设计过程中，需要满足磁场同步旋转d-q轴系下的电压矢量和能够达到其极限值，但是不能超过其极限值。

在传统的电机控制设计中往往采用饱和单元与抗饱和设计组合的方式，应对两相轴系下的电压矢量和有界问题，但是这种针对矢量和有界的抗饱和设计包含高的非线性成分，很难针对各种电机控制方法设计统一的抗饱和参数，并且由于饱和单元的存在，控制器的控制增益往往必须限定在一个较小范围，调整空间较小，这会导致积分饱和或者积分失控现象，影响电机控制的稳定性。

因此，如何动态的提高电机控制系统中电压利用率、满足矢量和有界需求并保持控制系统的稳定性，是急需解决的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提出一种电机控制方法和装置，旨在解决如何动态的提高电机控制系统中电压利用率、满足矢量和有界需求并保持控制系统的稳定性的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种电机控制方法，所述电机控制方法包括如下步骤：

获取转矩需求和转速信息，根据所述转矩需求和所述转速信息确定参考电流；

获取电机反馈电流和当前时变增益参数，通过预先创建的增益可调的电流反馈控制模块根据所述当前时变增益参数确定动态控制增益，并根据所述动态控制增益、所述参考电流和所述电机反馈电流确定参考电压；

通过预先创建的矢量和有界控制算法模块根据预设电压矢量和有界需求与所述参考电压确定输出电压；

根据所述输出电压生成PWM信号，通过多相逆变桥根据所述PWM信号驱动电机达到所述转矩需求。

可选地，通过预先创建的增益可调的电流反馈控制模块根据所述当前时变增益参数确定动态控制增益的步骤包括：

通过预先创建的增益可调的电流反馈控制模块对所述当前时变增益参数进行线性或非线性变换，得到变换结果；

通过所述增益可调的电流反馈控制模块根据所述变换结果确定动态控制增益。

可选地，根据所述动态控制增益、所述参考电流和所述电机反馈电流确定参考电压的步骤包括：

根据所述电机反馈电流和所述参考电流确定电流控制误差；

获取电机运行参数，根据所述电机运行参数、所述参考电流和所述电机反馈电流、所述电流控制误差、所述动态控制增益确定参考电压。

可选地，通过预先创建的矢量和有界控制算法模块根据预设电压矢量和有界需求与所述参考电压确定输出电压的步骤包括：

获取所述电机对应的逆变器的直流母线电压和逆变系数，根据所述直流母线电压和所述逆变系数确定电压矢量和极限值；

通过预先创建的矢量和有界控制算法模块根据预设电压矢量和有界需求、所述电压矢量和极限值和所述参考电压确定输出电压。

可选地，通过预先创建的矢量和有界控制算法模块根据预设电压矢量和有界需求、所述电压矢量和极限值和所述参考电压确定输出电压的步骤之后，包括：

通过所述矢量和有界控制算法模块根据预设电压矢量和有界需求、所述电压矢量和极限值和所述参考电压和所述输出电压，确定目标时变增益参数；

通过所述矢量和有界控制算法模块将所述目标时变增益参数发送到所述增益可调的电流反馈控制模块中，并通过所述增益可调的电流反馈控制模块根据所述目标时变增益参数确定所述当前时变增益参数。

可选地，获取电机反馈电流和当前时变增益参数的步骤包括：

对所述电机进行电流采样，得到采样电流，并对所述采样电流进行坐标转换，以获取到电机反馈电流；

在所述增益可调的电流反馈控制模块中获取当前时变增益参数。

可选地，根据所述输出电压生成PWM信号，所述多相逆变桥根据所述PWM信号驱动电机达到所述转矩需求的步骤包括：

对所述输出电压进行反坐标转换，并根据经过所述反坐标转换的输出电压生成PWM信号；

将所述PWM信号输入电机对应的多相逆变桥中，通过所述多相逆变桥根据所述PWM信号实现电压输出并驱动所述电机达到所述转矩需求。

此外，为实现上述目的，本发明还提供一种电机控制装置，所述电机控制装置包括：

第一确定模块，用于获取转矩需求和转速信息，根据所述转矩需求和所述转速信息确定参考电流；

第二确定模块，用于获取电机反馈电流和当前时变增益参数，通过预先创建的增益可调的电流反馈控制模块根据所述当前时变增益参数确定动态控制增益，并根据所述动态控制增益、所述参考电流和所述电机反馈电流确定参考电压；

第三确定模块，用于通过预先创建的矢量和有界控制算法模块根据预设电压矢量和有界需求与所述参考电压确定输出电压；

电压实现模块，用于根据所述输出电压生成PWM信号，通过多相逆变桥根据所述PWM信号驱动电机达到所述转矩需求。

优选地，所述第二确定模块还用于：

通过预先创建的增益可调的电流反馈控制模块对所述当前时变增益参数进行线性或非线性变换，得到变换结果；

通过所述增益可调的电流反馈控制模块根据所述变换结果确定动态控制增益。

优选地，所述第二确定模块还用于：

根据所述电机反馈电流和所述参考电流确定电流控制误差；

获取电机运行参数，根据所述电机运行参数、所述参考电流和所述电机反馈电流、所述电流控制误差、所述动态控制增益确定参考电压。

优选地，所述第三确定模块还用于：

获取所述电机对应的逆变器的直流母线电压和逆变系数，根据所述直流母线电压和所述逆变系数确定电压矢量和极限值；

通过预先创建的矢量和有界控制算法模块根据预设电压矢量和有界需求、所述电压矢量和极限值和所述参考电压确定输出电压。

优选地，所述第三确定模块还用于：

通过所述矢量和有界控制算法模块根据预设电压矢量和有界需求、所述电压矢量和极限值和所述参考电压和所述输出电压，确定目标时变增益参数；

通过所述矢量和有界控制算法模块将所述目标时变增益参数发送到所述增益可调的电流反馈控制模块中，并通过所述增益可调的电流反馈控制模块根据所述目标时变增益参数确定所述当前时变增益参数。

优选地，所述第二确定模块还用于：

对所述电机进行电流采样，得到采样电流，并对所述采样电流进行坐标转换，以获取到电机反馈电流；

在所述增益可调的电流反馈控制模块中获取当前时变增益参数。

优选地，所述电压实现模块还用于：

对所述输出电压进行反坐标转换，并根据经过所述反坐标转换的输出电压生成PWM信号；

将所述PWM信号输入电机对应的多相逆变桥中，通过多相逆变桥根据所述PWM信号实现电压输出并驱动所述电机达到所述转矩需求。

本发明提出的电机控制方法，获取转矩需求和转速信息，根据转矩需求和转速信息确定参考电流；获取电机反馈电流和当前时变增益参数，通过预先创建的增益可调的电流反馈控制模块根据当前时变增益参数确定动态控制增益，并根据动态控制增益、参考电流和电机反馈电流确定参考电压；通过预先创建的矢量和有界控制算法模块根据预设电压矢量和有界需求与参考电压确定输出电压；根据输出电压生成PWM信号，通过多相逆变桥根据PWM信号控制电机达到转矩需求。本发明通过增益可调的电流反馈控制模块进行动态增益调整，当输出电压矢量和接近其极限值时，自动调整为很小的控制增益，从而避免了积分饱和或者积分失控，当输出电压矢量和未达到其极限值时，自动保持较大的控制增益，保证电机控制系统具有快速响应能力，通过矢量和有界控制算法模块在电机控制过程中，满足电压矢量和能够达到其极限值，但不超过其极限值的需求，进而提高电机控制的稳定性。

附图说明

图1为本发明电机控制方法第一实施例的流程示意图；

图2为本发明电机控制流程示意图；

图3为本发明对时变增益参数进行非线性变换示意图；

图4为本发明电机转矩、转速、电流和电压变化示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将集合实施例，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。

参照图1，图1为本发明电机控制方法第一实施例的流程示意图，本实施例电机控制方法运用于电机控制系统中，电机控制系统可以用于控制多相交流电机，多相交流电机也包含三相交流电机，电机控制系统包括：矢量和有界控制算法模块、增益可调的电流反馈控制模块，以及必要的最大转矩电流比(MTPA)和弱磁控制模块、Park反变换和Clarke反变换模块、PWM信号生成模块、Clarke变换和Park变换模块，所述方法包括：

步骤S10，获取转矩需求和转速信息，根据所述转矩需求和所述转速信息确定参考电流；

在本实施例中，如图2所示，电机控制系统根据输入需求，获取转矩需求T

步骤S20，获取电机反馈电流和当前时变增益参数，通过预先创建的增益可调的电流反馈控制模块根据所述当前时变增益参数确定动态控制增益，并根据所述动态控制增益、所述参考电流和所述电机反馈电流确定参考电压；

在本实施例中，电机控制系统通过对电机的多相电流进行采样和坐标转换，获取到电机反馈电流，电机控制系统通过增益可调的电流反馈控制模块获取当前时变增益参数，根据当前时变增益参数确定动态控制增益，并根据动态控制增益、参考电流和电机反馈电流确定参考电压。

具体地，获取电机反馈电流和当前时变增益参数的步骤包括：

步骤S201，对所述电机进行电流采样，得到采样电流，并对所述采样电流进行坐标转换，以获取到电机反馈电流；

在该步骤中，如图2所示，电机控制系统通过对电机的多相电流进行采样，得到电机在静止多相轴系下的多相电流i

步骤S202，在所述增益可调的电流反馈控制模块中获取当前时变增益参数。

在该步骤中，电机控制系统在增益可调的电流反馈控制模块中获取当前时变增益参数。可以理解的是，如图2所示，矢量和有界控制算法模块在计算出时变增益参数k

具体地，通过预先创建的增益可调的电流反馈控制模块根据所述当前时变增益参数确定动态控制增益的步骤包括：

步骤S203，通过预先创建的增益可调的电流反馈控制模块对所述当前时变增益参数进行线性或非线性变换，得到变换结果；

在该步骤中，电机控制系统通过预先创建的增益可调的电流反馈控制模块对当前时变增益参数进行线性或非线性变换，得到变换结果；具体地，通过增益可调的电流反馈控制模块磁场同步旋转d-q轴系下的电流反馈调节，当前时变增益参数k

如图3所示，采用不同的α设计的g(k

同时将所述非线性变换函数g(k

步骤S204，通过所述增益可调的电流反馈控制模块根据所述变换结果确定动态控制增益。

在该步骤中，电机控制系统通过增益可调的电流反馈控制模块根据变换结果确定动态控制增益；需要说明的是，电机控制系统可采用多种鲁棒控制方法，包括基于UDE(uncertainty and disturbance estimator)的鲁棒性控制方法、滑模控制(sliding modecontrol,SMC)鲁棒性控制方法、自抗扰控制(active disturbance rejection control,ADRC)方法、DOB控制方法(disturbance observer based control)等。

具体地，根据所述动态控制增益、所述参考电流和所述电机反馈电流确定参考电压的步骤包括：

步骤S205，根据所述电机反馈电流和所述参考电流确定电流控制误差；

在该步骤中，电机控制系统通过增益可调的电流反馈控制模块根据电机反馈电流和参考电流确定电流控制误差。

步骤S206，获取电机运行参数，根据所述电机运行参数、所述参考电流和所述电机反馈电流、所述电流控制误差、所述动态控制增益确定参考电压。

在该步骤中，电机控制系统获取电机运行参数，通过增益可调的电流反馈控制模块根据电机运行参数、参考电流和电机反馈电流、电流控制误差、动态控制增益确定参考电压。

步骤S30，通过预先创建的矢量和有界控制算法模块根据预设电压矢量和有界需求与所述参考电压确定输出电压；

在本实施例中，电机控制系统通过预先创建的矢量和有界控制算法模块根据预设电压矢量和有界需求与参考电压确定输出电压；具体地，如图2所示，增益可调的电流反馈控制模块在计算出磁场同步旋转d-q轴系下的参考电压U

其中，U

具体地，步骤S30包括：

步骤S301，获取所述电机对应的逆变器的直流母线电压和逆变系数，根据所述直流母线电压和所述逆变系数确定电压矢量和极限值；

在该步骤中，电机控制系统获取电机对应的逆变器的直流母线电压和逆变系数，根据直流母线电压和逆变系数确定电压矢量和极限值U

步骤S302，通过预先创建的矢量和有界控制算法模块根据预设电压矢量和有界需求、所述电压矢量和极限值和所述参考电压确定输出电压。

在该步骤中，电机控制系统通过预先创建的矢量和有界控制算法模块根据预设电压矢量和有界需求、电压矢量和极限值和参考电压确定确定磁场同步旋转d-q轴系下的输出电压U

其中，k

考虑以下李雅普诺夫函数：

对该李雅普诺夫函数求导可得：

将所述矢量和有界控制算法模块的控制方程(4)代入，并进一步简化可得

对上述方程(7)求解即可得

这样通过合适的选择V(t)的初始值V(0)，比如使U

一旦V(t)＝1，可以得到(2)式中的椭球方程，从而进一步满足磁场同步旋转d-q轴系下的电压矢量和有界的需求

增益可调的电流反馈控制模块用于磁场同步旋转d-q轴系下的电流反馈调节，并通过时变增益参数k

具体地，步骤S30之后，包括：

步骤S303，通过所述矢量和有界控制算法模块根据预设电压矢量和有界需求、所述电压矢量和极限值和所述参考电压和所述输出电压，确定目标时变增益参数；

在该步骤中，电机控制系统通过矢量和有界控制算法模块根据预设电压矢量和有界需求、电压矢量和极限值和参考电压和输出电压，确定目标时变增益参数；可以理解的是，矢量和有界控制算法模块通过上述公式(4)计算输出电压的同时，计算出目标时变增益参数。

步骤S304，通过所述矢量和有界控制算法模块将所述目标时变增益参数发送到所述增益可调的电流反馈控制模块中，并通过所述增益可调的电流反馈控制模块根据所述目标时变增益参数确定所述当前时变增益参数。

在该步骤中，电机控制系统通过矢量和有界控制算法模块将目标时变增益参数发送到增益可调的电流反馈控制模块中，并通过增益可调的电流反馈控制模块根据目标时变增益参数确定当前时变增益参数；可选地，增益可调的电流反馈控制模块中存储了上一次电机控制时矢量和有界控制算法模块计算出的时变增益参数，在当前电机控制过程中，增益可调的电流反馈控制模块将上一次电机控制时矢量和有界控制算法模块计算出的时变增益参数作为当前时变增益参数，矢量和有界控制算法模块计算出目标时变增益参数并发送到增益可调的电流反馈控制模块中，此时增益可调的电流反馈控制模块删除上一次电机控制时矢量和有界控制算法模块计算出的时变增益参数，并存储矢量和有界控制算法模块计算出的目标时变增益参数，用于下一次电机控制。可选地，在当前电机控制过程中，电机控制系统通过矢量和有界控制算法模块将目标时变增益参数发送到增益可调的电流反馈控制模块中，增益可调的电流反馈控制模块根据目标时变增益参数和上一次电机控制时矢量和有界控制算法模块计算出的时变增益参数，计算出两者的均值作为当前时变增益参数，用于当前电机控制过程中。可选地，在当前电机控制过程中，矢量和有界控制算法模块计算出目标时变增益参数并发送到增益可调的电流反馈控制模块中，并将矢量和有界控制算法模块计算出的目标时变增益参数作为当前时变增益参数，用于当前电机控制过程中。

步骤S40，根据所述输出电压生成PWM信号，通过多相逆变桥根据所述PWM信号驱动电机达到所述转矩需求。

在本实施例中，电机控制系统通过矢量和有界控制算法模块得到输出电压后，根据输出电压生成PWM信号，通过多相逆变桥根据PWM信号驱动电机达到转矩需求。

具体地，步骤S40包括：

步骤S401，对所述输出电压进行反坐标转换，并根据经过所述反坐标转换的输出电压生成PWM信号；

在该步骤中，如图2所示，电机控制系统对输出电压U

步骤S402，将所述PWM信号输入电机对应的多相逆变桥中，通过所述多相逆变桥根据所述PWM信号实现电压输出并驱动所述电机达到所述转矩需求。

在该步骤中，如图2所示，电机控制系统将PWM信号输入电机对应的多相逆变桥中，通过多相逆变桥根据PWM信号实现电压输出，并基于该电压输出驱动电机达到转矩需求。

本实施例的电机控制系统获取转矩需求和转速信息，根据转矩需求和转速信息确定参考电流；获取电机反馈电流和当前时变增益参数，通过预先创建的增益可调的电流反馈控制模块根据当前时变增益参数确定动态控制增益，并根据动态控制增益、参考电流和电机反馈电流确定参考电压；通过预先创建的矢量和有界控制算法模块根据预设电压矢量和有界需求与参考电压确定输出电压；将PWM信号输入电机对应的多相逆变桥中，通过多相逆变桥根据PWM信号驱动电机达到转矩需求。本发明通过增益可调的电流反馈控制模块进行动态增益调整，当输出电压矢量和接近其极限值时，自动调整为很小的控制增益，从而避免了积分饱和或者积分失控，当输出电压矢量和未达到其极限值时，自动保持较大的控制增益，保证电机控制系统具有快速响应能力，通过矢量和有界控制算法模块在电机控制过程中，满足电压矢量和能够达到其极限值，但不超过其极限值的需求，进而提高电机控制的稳定性。

在具体应用时，电机控制系统可采用多种鲁棒控制方法，以下以UDE(uncertaintyand disturbance estimator)的鲁棒性控制方法和滑模控制(sliding mode control,SMC)鲁棒性控制方法进行举例说明：

应用举例1：针对基于UDE(uncertainty and disturbance estimator)的鲁棒性控制的电压矢量和有界性设计。

考虑多相永磁同步电机在磁场同步旋转d-q轴系下的数学模型为：

其中I

在永磁同步电机的应用中，如电动汽车、风力发电、工业机床等应用中，主要的控制目标为电机转矩。通过对磁场同步旋转d-q轴系下的定子电流I

如图2所示，其转矩控制目标通过最大转矩电流比和弱磁控制计算出磁场同步旋转d-q轴系下的所需的定子电流参数

基于有界UDE鲁棒控制的设计过程如下：

1)设计如下的误差动态特性函数：

其中g

2)结合电流控制误差e

3)根据系统动态特性，Δ

根据UDE设计规则，Δ

其中L

4)将(13)式中的Δ

化简可得最终的针对电流控制的UDE控制方程如下：

其中

(17)式即为针对磁场同步旋转d-q轴系下增益可调的电流反馈控制器，其可以通过g

在电机控制应用中，通常采用对同步旋转d-q轴系下的最终电压输出进行归一化处理：

从而(2)式可以转化为：

以一款永磁同步电机的电驱系统为例进行了仿真分析。电机的机械系统模型表示成：

其中J

表1永磁同步电机及电驱系统的系统参数：

表2控制系统参数：

其控制效果如图4所示，但设定一个较大转矩参考值190N·m，所述控制算法能够立马实现转矩的跟踪，从而电机的转速进行一个加速过程。当t＝8s时，电机转速达到210rad/s；伴随电机转速的升高，电机的最终输出电压

应用举例2：针对基于滑模控制(sliding mode control,SMC)的鲁棒性控制的电压矢量和有界性设计。考虑应用举例1中的永磁同步电机模型，基于有界SMC鲁棒控制的设计过程如下：

1)设计如下的带积分特性的滑模面：

2)定义李雅普诺夫函数：

并对李雅普诺夫函数求导可得：

3)设计控制方程为：

其中g

因而(23)式可转换为：

进一步有：

由于

在SMC控制设计中，依然需将(24)式中的U

本发明还提供一种电机控制装置。本发明电机控制装置包括：

第一确定模块，用于获取转矩需求和转速信息，根据所述转矩需求和所述转速信息确定参考电流；

第二确定模块，用于获取电机反馈电流和当前时变增益参数，通过预先创建的增益可调的电流反馈控制模块根据所述当前时变增益参数确定动态控制增益，并根据所述动态控制增益、所述参考电流和所述电机反馈电流确定参考电压；

第三确定模块，用于通过预先创建的矢量和有界控制算法模块根据预设电压矢量和有界需求与所述参考电压确定输出电压；

电压实现模块，用于根据所述输出电压生成PWM信号，通过多相逆变桥根据所述PWM信号驱动电机达到所述转矩需求。

优选地，所述第二确定模块还用于：

通过预先创建的增益可调的电流反馈控制模块对所述当前时变增益参数进行线性或非线性变换，得到变换结果；

通过所述增益可调的电流反馈控制模块根据所述变换结果确定动态控制增益。

优选地，所述第二确定模块还用于：

根据所述电机反馈电流和所述参考电流确定电流控制误差；

获取电机运行参数，根据所述电机运行参数、所述参考电流和所述电机反馈电流、所述电流控制误差、所述动态控制增益确定参考电压。

优选地，所述第三确定模块还用于：

获取所述电机对应的逆变器的直流母线电压和逆变系数，根据所述直流母线电压和所述逆变系数确定电压矢量和极限值；

通过预先创建的矢量和有界控制算法模块根据预设电压矢量和有界需求、所述电压矢量和极限值和所述参考电压确定输出电压。

优选地，所述第三确定模块还用于：

通过所述矢量和有界控制算法模块根据预设电压矢量和有界需求、所述电压矢量和极限值和所述参考电压和所述输出电压，确定目标时变增益参数；

通过所述矢量和有界控制算法模块将所述目标时变增益参数发送到所述增益可调的电流反馈控制模块中，并通过所述增益可调的电流反馈控制模块根据所述目标时变增益参数对所述当前时变增益参数进行更新。

优选地，所述第二确定模块还用于：

对所述电机进行电流采样，得到采样电流，并对所述采样电流进行坐标转换，以获取到电机反馈电流；

在所述增益可调的电流反馈控制模块中获取当前时变增益参数。

优选地，所述电压实现模块还用于：

对所述输出电压进行反坐标转换，并根据经过所述反坐标转换的输出电压生成PWM信号；

将所述PWM信号输入电机对应的多相逆变桥中，通过所述多相逆变桥根据所述PWM信号实现电压输出并驱动所述电机达到所述转矩需求。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书与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，均同理包括在本发明的专利保护范围内。