基于反电动势的最大转矩电流比控制方法、装置与流程

1.本发明涉及电机控制领域，尤其涉及一种基于反电动势的最大转矩电流比控制方法、装置。


背景技术：

2.永磁同步电机(permanentmagnet synchronous motor，简称pmsm)，由定子、转子和端盖等部件构成，定子由叠片叠压而成以减少电动机运行时产生的铁耗，其中装有三相交流绕组，称作电枢，转子上装有永磁体，为电机提供励磁，永磁同步电机凭借其结构紧凑、传动效率高、功率密度大等优点，在汽车、航空航天、工业等领域得到广泛应用。
3.现有技术中，对于pmsm的控制方法有六段式控制与矢量控制，六段式控制方法实现较为简单，但不能精确控制电机位置，且由于电机定子中电流为方波，使得电机震动明显；矢量控制可以对电机进行较好的位置控制，电机定子中的电流为正弦波，但此方法在控制bemf为梯形波的永磁同步电机时，电机输出的效率往往不能达到最高，且控制较为复杂，对mcu性能要求较高。


技术实现要素：

4.本发明提供一种基于反电动势的最大转矩电流比控制方法、装置，以解决电机输出效率不高、控制复杂的问题。
5.根据本发明的第一方面，提供了一种基于反电动势的最大转矩电流比控制方法，包括：
6.构建目标关系，所述目标关系表征了电机处于最大转矩电流比时，所述电机的abc三相的反电动势与电流的关系；
7.获取目标电机的反电动势；
8.根据所述目标电机的反电动势以及所述目标关系，确定所述目标电机的电流。
9.可选的，构建目标关系，包括：
10.确定第一关系与第二关系，所述第一关系表征了所述abc三相的反电动势的k次谐波的幅值、电机转子电角度以及所述反电动势之间的关系；所述第二关系表征了所述abc三相的电流的k次谐波的幅值、电机转子电角度以及所述电流之间的关系；
11.根据所述第一关系和所述第二关系，确定所述电机的平均输出转矩与所述电流的k次谐波的幅值以及所述反电动势的k次谐波的幅值之间的第三关系；
12.根据所述第二关系，确定第四关系，所述第四关系表征了所述电流的有效值与所述电流的k次谐波的幅值之间的关系；
13.根据所述第三关系以及所述第四关系，确定所述目标关系。
14.可选的，所述第一关系表征为：
15.[0016][0017][0018]
所述第二关系表征为：
[0019][0020][0021][0022]
其中，
[0023]
e
a
(θ)、e
b
(θ)、e
c
(θ)表示所述abc三相的反电动势；
[0024]
e
k
表示所述反向电动势的k次谐波的幅值；
[0025]
i
a
(θ)、i
b
(θ)、i
c
(θ)表示所述abc三相的电流；
[0026]
i
k
表示所述电流的k次谐波的幅值；
[0027]
θp表示所述电流与所述反电动势的相角；
[0028]
θ表示所述电机转子电角度。
[0029]
可选的，当所述相角为零时，所述第三关系表征为：
[0030][0031]
当所述abc三相的电流的有效值相同时，所述第四关系表征为：
[0032][0033]
其中，
[0034]
t
ave
表征了所述平均输出转矩；
[0035]
w
m
表征了所述电机的转速；
[0036]
i
rms
表征了所述电流的有效值。
[0037]
可选的，根据所述第三关系以及所述第四关系，确定所述目标关系，包括：
[0038]
利用拉格朗日乘数法，以所述电机的总电流值为常数为约束条件，根据所述第三关系以及所述第四关系，求解所述转矩电流比的最大值，得到所述目标关系。
[0039]
可选的，所述目标关系表征为：
[0040][0041][0042]
[0043][0044]
其中，
[0045]
γ表示拉格朗日乘数；
[0046]
c表示所述电机的总电流值。
[0047]
可选的，所述方法还包括：
[0048]
根据所述目标电机的电流，控制所述目标电机。
[0049]
可选的，所述电机包括以下至少之一：
[0050]
表贴式永磁同步电机、内嵌式永磁同步电机、开关磁阻电机。
[0051]
根据本发明的第二方面，提供了一种基于反电动势的最大转矩电流比控制装置，包括：
[0052]
关系构建模块，用于构建目标关系，所述目标关系表征了电机处于最大转矩电流比时，所述电机的abc三相的反电动势与电流的关系；
[0053]
数据获取模块，用于获取目标电机的反电动势；
[0054]
电流确定模块，用于根据所述目标电机的反电动势以及所述目标关系，确定所述目标电机的电流。
[0055]
根据本发明的第三方面，提供了一种电机控制系统，包括控制模块、电机，所述控制模块连接所述电机，所述控制模块用于实现本发明第一方面及其可选方案所述的基于反电动势的最大转矩电流比控制方法。
[0056]
根据本发明的第四方面，提供了一种电子设备，包括处理器与存储器，
[0057]
所述存储器，用于存储代码和相关数据；
[0058]
所述处理器，用于执行所述存储器中的代码用以实现本发明第一方面及其可选方案所述的基于反电动势的最大转矩电流比控制方法。
[0059]
根据本发明的第五方面，提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现本发明第一方面及其可选方案所述的基于反电动势的最大转矩电流比控制方法。
[0060]
本发明提供的基于反电动势的最大转矩电流比控制方法、装置，构建了反电动势与最优电流的关系，进而在对电机进行控制时，通过分析目标电机的反电动势，计算出目标电机的最优电流，优化目标电机的最大输出转矩，以实现对目标电机的最大转矩电流比的控制；相比于部分方案中的矢量控制，本发明控制方法简单，对mcu的性能要求不高，能够使目标电机输出的效率达到最高；同时，相比于六段式控制方法，能够对目标电机的位置进行精确地控制。
附图说明
[0061]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0062]
图1是本发明一实施例中基于反电动势的最大转矩电流比控制方法的流程示意图一；
[0063]
图2是本发明一实施例中步骤s101的流程示意图；
[0064]
图3是本发明一实施例中步骤s1014的流程示意图；
[0065]
图4是本发明一实施例中基于反电动势的最大转矩电流比控制方法的流程示意图二；
[0066]
图5是现有技术中矢量控制法控制电机的结构示意图；
[0067]
图6是现有技术中反电动势为正弦波的波形示意图；
[0068]
图7是现有技术中反电动势为非正弦波的波形示意图；
[0069]
图8是本发明一实施例中反电动势的波形图；
[0070]
图9是本发明一实施例中反电动势进行fft变换后的波形示意图；
[0071]
图10是本发明一实施例中电流的波形示意图；
[0072]
图11是本发明一实施例中电机运行时反电动势的波形示意图；
[0073]
图12是本发明一实施例中平均输出转矩的电流的波形示意图；
[0074]
图13是本发明一实施例中基于反电动势的最大转矩电流比控制的程序模块示意图一；
[0075]
图14是本发明一实施例中基于反电动势的最大转矩电流比控制的程序模块示意图二；
[0076]
图15是本发明一实施例中电子设备的结构示意图。
具体实施方式
[0077]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0078]
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0079]
下面以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
[0080]
请参考图1，基于反电动势的最大转矩电流比控制方法，包括：
[0081]
s101：构建目标关系；
[0082]
所述目标关系表征了电机处于最大转矩电流比时，所述电机的abc三相的反电动势与电流的关系；
[0083]
其中的电流可以理解为在电机的定子中注入的电流，其中的反电动势可以理解为
电机的转子上永磁体旋转过程中，最大转矩电流比可以理解为对平均输出转矩与定子电流的比值；
[0084]
由于磁链在定子绕组上运动引起磁场变化而生成的感应电动势，进而通过实验数据，分析电机处于最大转矩电流比时，反电动势与电路的关系，得到目标关系。
[0085]
一种实施方式中，所述电机包括以下至少之一：
[0086]
表贴式永磁同步电机、内嵌式永磁同步电机、开关磁阻电机。
[0087]
请参考图2，一种实施方式中，步骤s101，包括：
[0088]
s1011：确定第一关系与第二关系；
[0089]
所述第一关系表征了所述abc三相的反电动势的k次谐波的幅值、电机转子电角度以及所述反电动势之间的关系；
[0090]
所述第二关系表征了所述abc三相的电流的k次谐波的幅值、电机转子电角度以及所述电流之间的关系；
[0091]
一种举例中，第一关系可以通过对反电动势进行傅里叶变换，得到反电动势的k次谐波的幅值、电机转子电角度以及所述反电动势之间的关系，即反电动势可以由不用频率和幅值的正弦信号叠加表示；
[0092]
进一步举例中，第一关系可以表示为：
[0093][0094]
同理，所述第二关系可以表示为：
[0095][0096]
其中，
[0097]
e
a
(θ)、e
b
(θ)、e
c
(θ)表示所述abc三相的反电动势；
[0098]
e
k
表示所述反向电动势的k次谐波的幅值；
[0099]
i
a
(θ)、i
b
(θ)、i
c
(θ)表示所述abc三相的电流；
[0100]
i
k
表示所述电流的k次谐波的幅值；
[0101]
θp表示所述电流与所述反电动势的相角，即以度的形式表征反电动势与电流的相位差；
[0102]
θ表示所述电机转子电角度。
[0103]
s1012：根据所述第一关系和所述第二关系，确定所述电机的平均输出转矩与所述电流的k次谐波的幅值以及所述反电动势的k次谐波的幅值之间的第三关系；
[0104]
所述平均输出转矩可以理解为平均输出功率与电机的转速的比值，平均输出功率可以通过反电动势与电流得到；
[0105]
进一步举例中，当所述相角为零时，电机可以保证以最大的平均功率输出，此时，电机的平均输出转矩与所述电流的k次谐波的幅值以及所述反电动势的k次谐波的幅值之间的关系可以表示为：
[0106][0107]
对上述公式(3)进行简化，可以得到下述第三关系：
[0108][0109]
其中，
[0110]
t
ave
表征了所述平均输出转矩；
[0111]
w
m
表征了所述电机的转速；
[0112]
通过上述公式(4)表征的第三关系可以看出，本发明一实施例中的得到是平均输出转矩与反电动势谐波的幅值、电流谐波的幅值之间的关系，而非部分方案中平均输出转矩与反电动势、电流之间的关系，进而在反电动势中包含大量谐波，而非正弦波时，也能够为电机提供最大的输出转矩电流比，保证电机的输出功率达到最大。
[0113]
s1013：根据所述第二关系，确定第四关系；
[0114]
所述第四关系表征了所述电流的有效值与所述电流的k次谐波的幅值之间的关系；
[0115]
进一步举例中，当所述abc三相的电流的有效值相同时，所述第四关系表征为：
[0116][0117]
其中，i
rms
表征了所述电流的有效值。
[0118]
s1014：根据所述第三关系以及所述第四关系，确定所述目标关系。
[0119]
进一步举例中，步骤s1014，包括：
[0120]
s10141：利用拉格朗日乘数法，以所述电机的总电流值为常数为约束条件，根据所述第三关系以及所述第四关系，求解所述转矩电流比的最大值，得到所述目标关系。
[0121]
一种举例中，最大转矩电流比可以通过以下公式表征：
[0122][0123]
其中，mtpa表征了最大转矩电流比；
[0124]
电机的总电流值为常数可以通过以下公式表示：
[0125][0126]
其中，c表示所述电机的总电流值。
[0127]
对于公式(6)、(7)，利用拉格朗日乘数法求的电流与反电动势的关系，以及拉格朗日乘数与反电动势谐波的幅值的关系，进而，在实际应用中，通过对反电动势谐波的分析，得到拉格朗日乘数，再根据反电动势得到电流，实现电机的最大转矩电流比。
[0128]
一种举例中，所述目标关系表征为：
[0129][0130]
其中，
[0131]
γ表示拉格朗日乘数。
[0132]
以上实施方式中，得到的目标关系可以看出，本发明一实施例中，电流与反电动势以及反电动势的谐波有关，进而，在控制电机的反电动势为梯形波的同时，能够控制电机的输出效率达到最高，且控制方法简单，对mcu的要求也不高。
[0133]
s102：获取目标电机的反电动势；
[0134]
s103：根据所述目标电机的反电动势以及所述目标关系，确定所述目标电机的电流。
[0135]
进一步举例中，步骤s103中，在确定目标电机的电流时，需要先对获取到的目标电机的反电动势经过快速傅里叶变换，得到目标电机的反电动势的多次谐波分量，进而根据得到的谐波分量以及反电动势确定目标电机的电流。
[0136]
请参考图4，一种实施方式中，所述方法还包括：
[0137]
s104：根据所述目标电机的电流，控制所述目标电机。
[0138]
本发明一实施例中还提供了一种电机控制系统，包括控制模块、电机，所述控制模块连接所述电机，所述控制模块用于实现本发明第一方面及其可选方案所述的基于反电动势的最大转矩电流比控制方法。
[0139]
下面结合图5至图12，详细阐述本发明一实施例中所述方法的积极效果：
[0140]
图5为现有技术中通过矢量控制法控制电机的原理图，具体控制过程如下：
[0141]
通过在直(d)轴和交(q)轴给定参考电流(例如图5中的i
d_ref
与i
q_ref
)，将给定参考电流与电机定子中电流采样值进行比较(其中，电流采样值经过clark变换得到i
α
和i
β
，将i
α
和i
β
经过park变换得到i
d
和i
q
)，产生误差信号，误差信号经过pi控制器产生d轴和q轴参考电压(例如图5中的u
d_ref
和u
q_ref
)，所产生的参考电压经过park逆变换生成α
‑
β坐标系下的参考电压(u
α_ref
和u
β_ref
)，最后根据α
‑
β坐标系下的参考电压，空间矢量调制算法可以产生相应的pwm信号(例如图5中的pwm 1
‑
6)驱动逆变器以控制电机，通过选择合理的pi控制器
的相关参数，最终电机定子中流过的电流为正弦波。
[0142]
图5中，电机的平均输出转矩的表达式为：
[0143][0144]
其中，θ为电机转子电角度，e
x
(θ)和i
x
(θ)为电机任意一相的反电动势和相电流，w
m
为电机机械转速。
[0145]
由傅里叶级数展开可知，e
x
(θ)和i
x
(θ)是不同频率和幅值的正弦信号的叠加。
[0146]
基于正弦函数的正交性，对于反电动势为正弦波的电机(例如图6所示，其中a、b、c对应的正弦波分别为电机三相的反电动势的波形)，此时，在电机的定子中注入正弦电流可以提供最大的输出转矩电流比，使电机效率达到最优；
[0147]
对于反电动势为非正弦波的电机(例如图7所示，其中a、b、c对应的正弦波分别为电机三相的反电动势的波形)，反电动势中含有大量谐波，若此时在电机中注入频率为基波的正弦电流，并不能提供最大的输出转矩电流比，进而无法使得电机达到最大的输出效率。
[0148]
本发明一实施例中，通过对反电动势与电流的分析，构建了表征电流与反电动势之间关系的目标关系，即公式(8)所示，进而在对电机注入电流时，通过分析电机的反电动势的谐波，计算出能够达到最大转矩电流比的最优的定子电流，进而实现对电机的控制。
[0149]
请参考图8，一种举例中，电机转速为1200rpm时，获取到电机的反电动势，对反电动势进行快速傅里叶变换，得到反电动势的多次谐波的分量，可例如图9中所示，
[0150]
由图9可以看出，反电动势的基波分量的幅值为11.257v，三次谐波分量的幅值为1.334v，五次谐波的分量的幅值为
‑
0.36v，根据公式(8)中表征的目标关系，可以计算得到电机处于最大转矩电流比时的电流，电流的波形可例如图10中i2对应的波形，i1对应的波形为正弦波；
[0151]
由图10可知，电流的基波分量的幅值为0.991a，三次谐波分量的幅值为0.127a，五次谐波的分量的幅值为
‑
0.032a，
[0152]
图11中为电机运行中反电动势的波形，根据电流与反电动势，可以得到电机的平均输出转矩，平均输出转矩可例如图12中所示，其中，灰度值偏低的波形为在定子中输入正弦波时平均输出转矩对应的波形，此时，平均输出转矩为1.065n.m，灰度值偏高的波形为在定子中输入通过公式(8)得到的电流时，平均输出转矩对应的波形，此时，平均输出转矩为1.086n.m，可见，通过本发明得到的电流注入定子中时，在电流有效值相同的情况下，相比于在定子中注入正弦波，平均输出转矩提升了2％。
[0153]
需要说明的是，本发明是实施例提供的方法，不仅可以用于对电机的控制，还可以用于电机转矩脉动分析中。
[0154]
请参考图13，本发明一实施例还提供了一种基于反电动势的最大转矩电流比控制装置2，包括：
[0155]
关系构建模块201，用于构建目标关系，所述目标关系表征了电机处于最大转矩电流比时，所述电机的abc三相的反电动势与电流的关系；
[0156]
数据获取模块202，用于获取目标电机的反电动势；
[0157]
电流确定模块203，用于根据所述目标电机的反电动势以及所述目标关系，确定所述目标电机的电流。
[0158]
可选的，关系构建模块201，具体用于：
[0159]
确定第一关系与第二关系，所述第一关系表征了所述abc三相的反电动势的k次谐波的幅值、电机转子电角度以及所述反电动势之间的关系；所述第二关系表征了所述abc三相的电流的k次谐波的幅值、电机转子电角度以及所述电流之间的关系；
[0160]
根据所述第一关系和所述第二关系，确定所述电机的平均输出转矩与所述电流的k次谐波的幅值以及所述反电动势的k次谐波的幅值之间的第三关系；
[0161]
根据所述第二关系，确定第四关系，所述第四关系表征了所述电流的有效值与所述电流的k次谐波的幅值之间的关系；
[0162]
根据所述第三关系以及所述第四关系，确定所述目标关系。
[0163]
可选的，所述第一关系表征为：
[0164][0165][0166][0167]
所述第二关系表征为：
[0168][0169][0170][0171]
其中，
[0172]
e
a
(θ)、e
b
(θ)、e
c
(θ)表示所述abc三相的反电动势；
[0173]
e
k
表示所述反向电动势的k次谐波的幅值；
[0174]
i
a
(θ)、i
b
(θ)、i
c
(θ)表示所述abc三相的电流；
[0175]
i
k
表示所述电流的k次谐波的幅值；
[0176]
θp表示所述电流与所述反电动势的相角；
[0177]
θ表示所述电机转子电角度。
[0178]
可选的，当所述相角为零时，所述第三关系表征为：
[0179][0180]
当所述abc三相的电流的有效值相同时，所述第四关系表征为：
[0181][0182]
其中，
[0183]
t
ave
表征了所述平均输出转矩；
[0184]
w
m
表征了所述电机的转速；
[0185]
i
rms
表征了所述电流的有效值。
[0186]
可选的，根据所述第三关系以及所述第四关系，确定所述目标关系，包括：
[0187]
利用拉格朗日乘数法，以所述电机的总电流值为常数为约束条件，根据所述第三关系以及所述第四关系，求解所述转矩电流比的最大值，得到所述目标关系。
[0188]
可选的，所述目标关系表征为：
[0189][0190][0191][0192][0193]
其中，
[0194]
γ表示拉格朗日乘数；
[0195]
c表示所述电机的总电流值。
[0196]
请参考图14，一种实施方式中，所述装置还包括：
[0197]
电机控制模块204，用于根据所述目标电机的电流，控制所述目标电机。
[0198]
可选的，所述电机包括以下至少之一：
[0199]
表贴式永磁同步电机、内嵌式永磁同步电机、开关磁阻电机。
[0200]
请参考图15，本发明还提供了一种电子设备30，包括
[0201]
处理器31；以及，
[0202]
存储器32，用于存储处理器的可执行指令；
[0203]
其中，处理器31配置为经由执行可执行指令来执行以上所涉及的方法。
[0204]
处理器31能够通过总线33与存储器32通讯。
[0205]
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现以上所涉及的方法。
[0206]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。