电机控制方法、装置及系统

技术领域

本申请涉及电机技术领域，具体而言，涉及一种电机控制方法、装置及系统。

背景技术

永磁同步电机(PMSM)由于具有体积小、功率密度高、效率高、可靠性高等优点，因此广泛地应用于航天航空、电动汽车、高铁牵引系统等各个领域。为了实现在同步误差发生之前对其进行预测控制，且提高其动态响应速度，一个重要的方法就是模型预测控制。模型预测直接转矩电机控制方法具有动态响应快、稳态精度高和鲁棒性强的优点，是交流电机的高性能控制算法之一。其通过对电机状态进行预测，将预测值代入性能指标价值函数来选择最优电压矢量，在最优矢量选择上更加有效。但传统模型预测直接转矩控制方法通常为有限集模型预测控制方法，只对有限数量电压矢量进行评价计算，此方法依然有一定转矩、磁链脉动和谐波大的缺陷。

发明内容

为了至少克服现有技术中的上述不足，本申请的目的在于提供一种电机控制方法、装置及系统。

第一方面，本申请实施例提供一种电机控制方法，所述电机控制方法包括：

采样获取电机的运行参数，所述运行参数包括转速给定值以及转速反馈值；

基于所述运行参数，计算理想电压矢量的模长以及所述理想电压矢量相对静止坐标系的角度；

根据所述理想电压矢量的模长以及所述理想电压矢量相对静止坐标系的角度，确定所述理想电压矢量在电压矢量六边形中所在的扇区位置；

根据所述理想电压矢量所在的扇区位置，选择待选电压矢量；

基于所述理想电压矢量和所述待选电压矢量的模长关系计算占空比，在所述待选电压矢量中加入占空比调制，得到最优电压矢量；

基于所述最优电压矢量计算三相电压开关器件的第一作用时间、第二作用时间及第三作用时间，以控制所述电机。

在一种可能的实现方式中，所述根据所述理想电压矢量的模长以及所述理想电压矢量相对静止坐标系的角度，确定所述理想电压矢量在一电压矢量六边形中所在的扇区位置的步骤，包括：

根据所述三相电压开关器件的多个桥臂上的开关状态，获取与所述三相电压开关器件的多个桥臂上的开关状态相对应的原生电压矢量；

在静止坐标系上，将所述电压矢量六边形逆时针划分为6个60°的扇区；

将所述扇区划分为N个子扇区，每个子扇区中包括一个非零电压矢量，且所述电压矢量六边形包括(N-1)×6个虚拟电压矢量；

根据所述理想电压矢量的模长以及所述理想电压矢量相对静止坐标系的角度，确定所述理想电压矢量在所述电压矢量六边形中所在的子扇区位置。

在一种可能的实现方式中，所述获取与所述三相电压开关器件的多个桥臂上的开关状态相对应的原生电压矢量的步骤，包括：

记三相两电平电压型逆变器a相桥臂的开关状态信号为第一开关状态信号S

根据三相两电平电压型逆变器三相桥臂的开关状态，得到8个原生电压矢量，所述原生电压矢量包括非零原生电压矢量以及零原生电压矢量；所述非零原生电压矢量包括第一原生电压矢量u

在一种可能的实现方式中，所述基于所述最优电压矢量计算三相电压开关器件的第一作用时间、第二作用时间及第三作用时间的步骤，包括：

基于所述理想电压矢量和所述待选电压矢量的模长关系，计算非零原生电压矢量的作用时间和零原生电压矢量的作用时间；

基于所述非零原生电压矢量的作用时间和所述零原生电压矢量的作用时间，计算所述最优电压矢量的作用时间，从而得到所述第一作用时间、所述第二作用时间及所述第三作用时间。

在一种可能的实现方式中，所述非零原生电压矢量的作用时间d

所述待选电压矢量u

其中，u

在一种可能的实现方式中，所述基于所述运行参数，计算理想电压矢量的模长以及所述理想电压矢量相对静止坐标系的角度的步骤，包括：

基于所述运行参数，根据PI调节器，生成定子磁链给定值以及转矩给定值；

基于所述定子磁链给定值以及所述转矩给定值，通过无差拍方法，计算所述理想电压矢量的模长以及所述理想电压矢量相对静止坐标系的角度。

在一种可能的实现方式中，所述采样获取电机的运行参数的步骤，包括：

采样获取任意k时刻的电机的运行参数；

所述计算所述理想电压矢量的模长以及所述理想电压矢量相对静止坐标系的角度的步骤，包括：

基于k时刻的所述定子磁链给定值以及所述转矩给定值，计算k+1时刻的所述定子磁链以及所述转矩，用于延时补偿；

基于k+1时刻的所述定子磁链给定值以及所述转矩给定值，通过转矩磁链预测模型，计算k+2时刻的所述定子磁链以及所述转矩；

基于k+2时刻的所述定子磁链给定值以及所述转矩给定值，通过无差拍方法，得到理想电压矢量的模长以及所述理想电压矢量相对静止坐标系的角度。

在一种可能的实现方式中，所述理想电压矢量的模长以及所述理想电压矢量相对静止坐标系的角度χ通过以下方式计算获得：

其中，u

χ＝ε+θ

其中，ε为定子磁链增量相对定子磁链坐标系的角度，θ

第二方面，本申请实施例还提供一种电机控制装置，所述电机控制装置包括：

采样模块：采样获取电机的运行参数，所述运行参数包括转速给定值以及转速反馈值；

计算模块：基于所述运行参数，计算理想电压矢量的模长以及所述理想电压矢量相对静止坐标系的角度；

确定模块：根据所述理想电压矢量的模长以及所述理想电压矢量相对静止坐标系的角度，确定所述理想电压矢量在一电压矢量六边形中所在的扇区位置；

选择模块：根据所述理想电压矢量所在的扇区位置，选择待选电压矢量；

校正模块：基于所述理想电压矢量和所述待选电压矢量的模长关系计算占空比，在所述待选电压矢量中加入占空比调制，得到最优电压矢量；

控制模块：基于所述最优电压矢量计算三相电压开关器件的第一作用时间、第二作用时间及第三作用时间，以控制所述电机。

第三方面，本申请实施例还提供一种电机控制系统，所述电机控制系统包括处理器及机器可读存储介质，所述机器可读存储介质存储有机器可执行指令，所述机器可执行指令在被所述处理器执行时，实现上述任意方面所述的方法。

基于上述任意一个方面，本申请实施例提供的电机控制方法、装置及系统，通过计算理想电压矢量的模长以及理想电压矢量相对静止坐标系的角度确定理想电压矢量所在的扇区位置，从而在电压矢量六边形中选择待选电压矢量，并根据理想电压矢量和待选电压矢量的模长关系调制待选电压矢量的模长，从而得到最优电压矢量。最优电压矢量在保证其具有一定的方向离散度的同时模长连续可调，可以有效地减小转矩脉动和磁链脉动，且控制性能好。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要调用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于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得其它相关的附图。

图1为本申请实施例提供的电机控制方法的流程示意图；

图2为本申请实施例提供的步骤S300的子步骤示意图；

图3为本申请实施例提供的电压矢量六边形的子扇区划分示意图；

图4为本申请实施例提供的非零电压矢量的变化示意图；

图5为本申请实施例提供的步骤S310的子步骤示意图；

图6为本申请实施例提供的步骤S600的子步骤示意图；

图7为本申请实施例提供的电压矢量模长变化示意图；

图8为本申请实施例提供的步骤S200的子步骤示意图；

图9为本申请实施例提供的步骤S220的子步骤示意图；

图10为本申请实施例提供的电机控制方法的实验结果示意图；

图11为本申请实施例提供的电机控制系统的结构示意图；

图12为本申请实施例提供的电机控制装置的结构示意图。

图标：800-电机控制系统；810-处理器；820-机器可读存储介质；830-电机控制装置；831-采样模块；832-计算模块；833-确定模块；834-选择模块；835-校正模块；836-控制模块。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例中的不同特征之间可以相互结合。

下面结合附图，对本申请的具体实施方式进行详细说明。

请参照图1，图1示例本实施提供的电机控制方法的一种流程示意图，所述方法可以包括以下步骤。

步骤S100，采样获取电机的运行参数，所述运行参数包括转速给定值以及转速反馈值。

在本实施例中，所述转速给定值为需要控制达到的转速，即目标转速；所述转速反馈值为检测得到的当前时刻的转速。具体地，所述运行参数还可以包括：当前控制周期作用的三相电压开关器件作用时间、母线电压和转子位置。

步骤S200，基于所述运行参数，计算理想电压矢量的模长以及所述理想电压矢量相对静止坐标系的角度。

在本实施例中，根据步骤S100获取的所述运行参数，可以得到定子磁链给定值以及转矩给定值，从而计算所述理想电压矢量的模长以及所述理想电压矢量相对静止坐标系的角度。

步骤S300，根据所述理想电压矢量的模长以及所述理想电压矢量相对静止坐标系的角度，确定所述理想电压矢量在电压矢量六边形中所在的扇区位置。

在本实施例中，所述电压矢量六边形由6个非零原生电压矢量构成，形成了6个扇区。电机驱动时，会控制电压矢量在所述电压矢量六边形的范围内运行。

步骤S400，根据所述理想电压矢量所在的扇区位置，选择待选电压矢量。

在本实施例中，通过将电压矢量方向离散化后，得到的所述待选电压矢量的模长是固定的，且所述待选电压矢量的模长较大。若所述理想电压矢量的模长较小，而所述待选电压矢量的模长较大时，直接将所述待选电压矢量施加控制会导致较大的稳态误差，因此，需要对所述待选电压矢量的模长进行调制。

步骤S500，基于所述理想电压矢量和所述待选电压矢量的模长关系计算占空比，在所述待选电压矢量中加入占空比调制，得到最优电压矢量。

在本实施例中，通过所述理想电压矢量和所述待选电压矢量的模长关系调制所述待选电压矢量的模长，使所述待选电压矢量的模长与所述理想电压矢量的模长相等，从而得到所述最优电压矢量。

步骤S600，基于所述最优电压矢量计算三相电压开关器件的第一作用时间、第二作用时间及第三作用时间，以控制所述电机。

在本实施例中，所述三相电压开关器件可以是三相两电平电压型逆变器。该三相两电平电压型逆变器的三相桥臂中，每相桥臂包括2个带反并联二极管的开关管，即三相两电平电压型逆变器共包括6个带反并联二极管的开关管，6个开关管分别记为开关管S

具体地，本申请提供的电机控制方法可以应用在光刻设备工件台的运动控制中，光刻设备工件台通常采用交流电机作为其多个运动方向的执行单元，交流电机一般由永磁伺服电机构成。

值得说明的是，所述电机控制方法的被控对象可以是永磁同步电机，也可以是其他类型的电机，在此不做具体限定。

可见，基于上述设计，本申请实施例提供的一种电机控制方法、装置及系统，通过所述理想电压矢量所在的扇区位置，在所述电压矢量六边形中选择所述待选电压矢量，并根据所述理想电压矢量和所述待选电压矢量的模长关系调制所述待选电压矢量的模长，从而得到所述最优电压矢量，所述最优电压矢量在保证其具有一定的方向离散度的同时模长连续可调，可以有效地减小转矩脉动和磁链脉动，提高系统控制的鲁棒性。

在一种可能的实现方式中，请参照图2，步骤S300还可以包括以下子步骤。

步骤S310，根据所述三相电压开关器件的多个桥臂上的开关状态，获取与所述三相电压开关器件的多个桥臂上的开关状态相对应的原生电压矢量。

步骤S320，在静止坐标系上，将所述电压矢量六边形逆时针划分为6个60°的扇区。

在本实施例中，所述电压矢量六边形由6个非零原生电压矢量构成。将所述电压矢量六边形逆时针划分为6个扇区后，按照沿逆时针方向编号依次增大的方式命名各扇区为扇区1～扇区6。示例性地，在扇区1中，非零原生电压矢量u

步骤S330，将所述扇区划分为N个子扇区，每个子扇区中包括一个非零电压矢量，且所述电压矢量六边形包括(N-1)×6个虚拟电压矢量。

在本实施例中，请参照图3，将所述电压矢量六边形中夹角为60°的等边三角形离散化为N等份，所述电压矢量六边形的边长也等分为N等份，即每个扇区分为N个子扇区，所述电压矢量六边形包括(N-1)×6个虚拟电压矢量，每个所述子扇区中的一个所述非零电压矢量可以是原生电压矢量，也可以是虚拟电压矢量。离散后的所述电压矢量六边形包括m个电压矢量，相邻的两个电压矢量的夹角为θ，离散度为N，N≥1且N为整数，其中，

子扇区的起始角度为f

具体地，d为相邻非零原生电压矢量中不同开关状态桥臂的占空比，d的变化方向由不同开关状态桥臂的“0”状态逐渐增加到“1”状态，l表示d的变化位置，l为0或N时表示原生电压矢量，l为其他值时表示虚拟电压矢量。例如，请参照图4，当N＝3，且d的值从

所述非零电压矢量u

所述非零电压矢量u

所述非零电压矢量u

所述非零电压矢量u

当N＝3，且d的值从

所述非零电压矢量u

所述非零电压矢量u

所述非零电压矢量u

所述非零电压矢量u

步骤S340，根据所述理想电压矢量的模长以及所述理想电压矢量相对静止坐标系的角度，确定所述理想电压矢量在所述电压矢量六边形中所在的子扇区位置。

在一种可能的实现方式中，请参照图5，步骤S310还可以包括以下子步骤。

步骤S311，记三相两电平电压型逆变器a相桥臂的开关状态信号为第一开关状态信号S

在本实施例中，所述三相两电平电压型逆变器a相桥臂的开关状态信号S

S

S

S

S

S

S

步骤S312，根据三相两电平电压型逆变器三相桥臂的开关状态，得到8个原生电压矢量，所述原生电压矢量包括非零原生电压矢量以及零原生电压矢量；所述非零原生电压矢量包括第一原生电压矢量u

在本实施例中，所述原生电压矢量所对应的开关状态组合(S

所述第一原生电压矢量u

所述第二原生电压矢量u

所述第三原生电压矢量u

所述第四原生电压矢量u

所述第五原生电压矢量u

所述第六原生电压矢量u

所述第七原生电压矢量u

所述第八原生电压矢量u

在一种可能的实现方式中，请参照图6，步骤S600还可以包括以下子步骤。

步骤S610，基于所述理想电压矢量和所述待选电压矢量的模长关系，计算非零原生电压矢量的作用时间和零原生电压矢量的作用时间。

在本实施例中，所述非零原生电压矢量的作用时间d

所述待选电压矢量u

其中，u

请参照图7，u

步骤S620，基于所述非零原生电压矢量的作用时间和所述零原生电压矢量的作用时间，计算所述最优电压矢量的作用时间，从而得到所述第一作用时间、所述第二作用时间及所述第三作用时间。

在本实施例中，通过计算所述最优电压矢量的作用时间，可以确定电压矢量三个桥臂S

在一种可能的实现方式中，请参照图8，步骤S200还可以包括以下子步骤。

步骤S210，基于所述运行参数，根据PI调节器，生成定子磁链给定值以及转矩给定值。

在本实施例中，所述运行参数可以包括所述转速给定值、所述转速反馈值、当前控制周期作用的三相电压开关器件作用时间、母线电压和转子位置，通过将所述转速给定值与所述转速反馈值相减，其差值经过PI调节器可以计算得到所述转矩给定值，且根据最大转矩电流比控制方法可以得到所述定子磁链给定值。具体地，所述PI调节器也称为PI控制器，可以根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例(P)和积分(I)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，因此，可以得到转矩给定值。

步骤S220，基于所述定子磁链给定值以及所述转矩给定值，通过无差拍方法，计算所述理想电压矢量的模长以及所述理想电压矢量相对静止坐标系的角度。

在一种可能的实现方式中，在采样获取电机的运行参数时，采样获取任意k时刻的电机的运行参数。

请参照图9，步骤S220还可以包括以下子步骤。

步骤S221，基于k时刻的所述定子磁链给定值以及所述转矩给定值，计算k+1时刻的所述定子磁链以及所述转矩，用于延时补偿。

在本实施例中，延时补偿是为了补偿数字控制器无法避免的一拍延迟，从而减小时间延迟的问题。

步骤S222，基于k+1时刻的所述定子磁链给定值以及所述转矩给定值，通过转矩磁链预测模型，计算k+2时刻的所述定子磁链以及所述转矩。

步骤S223，基于k+2时刻的所述定子磁链给定值以及所述转矩给定值，通过无差拍方法，得到理想电压矢量的模长以及所述理想电压矢量相对静止坐标系的角度。

所述理想电压矢量的模长以及所述理想电压矢量相对静止坐标系的角度χ通过以下方式计算获得：

其中，u

χ＝ε+θ

其中，ε为定子磁链增量相对定子磁链坐标系的角度，θ

为了验证本申请的有效性，对本申请进行了实验验证。

将电压矢量的方向和模长完全离散化的虚拟电压矢量算法记为DMPTC-DVVS，将本申请提供的电机控制方法记为DMPTC-EVVS。

请参照图10，图10示例了DMPTC-DVVS和DMPTC-EVVS的转矩脉动、磁链脉动、电流谐波的实验对比结果。相对DMPTC-DVVS，DMPTC-EVVS的转矩脉动和定子磁链波形脉动更小，且DMPTC-EVVS的电流谐波含量小于DMPTC-DVVS，相对于DMPTC-DVVS，DMPTC-EVVS电压矢量方向离散、模长连续可调。

本实施例还提供一种电机控制系统800，请参照图11，图11示例所述电机控制系统800的方框示意图。所述电机控制系统包括处理器810、机器可读存储介质820及电机控制装置830。所述机器可读存储介质820、处理器810相互之间直接或间接地电性连接，以实现数据的传输或交互。例如，这些元件相互之间可通过一条或多条通讯总线或信号线实现电性连接。所述电机控制装置830包括多个可以软件或固件(firmware)的形式存储于所述机器可读存储介质820中或固化在所述电机控制装置830的操作系统(operating system，OS)中的软件功能模块。所述处理器810用于执行所述机器可读存储介质820中存储的可执行模块，例如所述电机控制装置830所包括的软件功能模块及计算机程序等。

其中，所述机器可读存储介质820可以是，但不限于，随机存取存储器(RandomAccess Memory，RAM)，只读存储器(Read Only Memory，ROM)，可编程只读存储器(Programmable Read-Only Memory，PROM)，可擦除只读存储器(Erasable ProgrammableRead-Only Memory，EPROM)，电可擦除只读存储器(Electric Erasable ProgrammableRead-Only Memory，EEPROM)等。其中，机器可读存储介质820用于存储程序，所述处理器810在接收到执行指令后，执行所述程序。

所述处理器810可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。上述的处理器810可以是通用处理器810，包括中央处理器810(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器810(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器810(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器810可以是微处理器810或者该处理器810也可以是任何常规的处理器810等。

请参照图12，本申请实施例还提供一种电机控制装置830，所述电机控制装置830包括多个可以软件形式存储于机器可读存储介质820中的功能模块。从功能上划分，所述电机控制装置830可以包括采样模块831、计算模块832、确定模块833、选择模块834、校正模块835以及控制模块836。

其中：

所述采样模块831用于采样获取电机的运行参数，所述运行参数包括转速给定值以及转速反馈值。

在本实施例中，所述采样模块831可用于执行图1所示的步骤S100，关于所述采样模块831的具体描述可参考对所述步骤S100的描述。

所述计算模块832用于基于所述运行参数，计算理想电压矢量的模长以及所述理想电压矢量相对静止坐标系的角度。

在本实施例中，所述计算模块832可用于执行图1所示的步骤S200，关于所述计算模块832的具体描述可参考对所述步骤S200的描述。

所述确定模块833用于根据所述理想电压矢量的模长以及所述理想电压矢量相对静止坐标系的角度，确定所述理想电压矢量在一电压矢量六边形中所在的扇区位置。

在本实施例中，所述确定模块833可用于执行图1所示的步骤S300，关于所述确定模块833的具体描述可参考对所述步骤S300的描述。

所述选择模块834用于根据所述理想电压矢量所在的扇区位置，选择待选电压矢量。

在本实施例中，所述选择模块834可用于执行图1所示的步骤S400，关于所述选择模块834的具体描述可参考对所述步骤S400的描述。

所述校正模块835用于基于所述理想电压矢量和所述待选电压矢量的模长关系计算占空比，在所述待选电压矢量中加入占空比调制，得到最优电压矢量。

在本实施例中，所述校正模块835可用于执行图1所示的步骤S500，关于所述校正模块835的具体描述可参考对所述步骤S500的描述。

所述控制模块836用于基于所述最优电压矢量计算三相电压开关器件的第一作用时间、第二作用时间及第三作用时间，以控制所述电机。

在本实施例中，所述控制模块836可用于执行图1所示的步骤S600，关于所述控制模块836的具体描述可参考对所述步骤S600的描述。

综上所述，本申请实施例提供的电机控制方法、装置及系统，基于电机的运行参数，通过计算理想电压矢量的模长以及理想电压矢量相对静止坐标系的角度确定理想电压矢量所在的扇区位置，从而在电压矢量六边形中选择待选电压矢量，并根据理想电压矢量和待选电压矢量的模长关系调制待选电压矢量的模长，从而得到最优电压矢量，并用于控制电机。在上述设计中，最优电压矢量在保证其具有一定的方向离散度的同时模长连续可调，可以有效地减小转矩脉动和磁链脉动，且控制性能好。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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、物品或者设备不仅包括那些要素，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、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。