一种用于电机的电流辨识方法、电机控制器及车辆

摘要

本发明公开了一种用于电机的电流辨识方法、电机控制器及车辆，电流辨识方法包括：获取定子电压值、当前时刻的定子电流采样值、定子电流估计值、磁链角速度采样值；根据定子电压值、当前时刻的定子电流估计值、磁链角速度采样值计算下一时刻的定子电流预估计值；根据当前时刻的定子电流采样值、定子电流估计值计算当前时刻的反馈调节值；根据定子电流预估计值以及反馈调节值计算下一时刻的定子电流估计值。本发明提出的电流辨识方法用于辨识定子电流估计值，通过电流辨识方法可以避免直接进行电流采样时存在的延时，同时滤除因为电流采样电路引入的干扰噪声，可提高动态调节速度，提升系统稳态性。

权利要求

1.一种用于电机的电流辨识方法，其特征在于，包括：获取定子电压值、当前时刻的定子电流采样值、定子电流估计值、磁链角速度采样值；

根据所述定子电压值、当前时刻的定子电流估计值、磁链角速度采样值计算下一时刻的定子电流预估计值；

计算所述当前时刻的定子电流采样值、定子电流估计值的差值，通过反馈调节矩阵与所述差值确定所述当前时刻的反馈调节值；

根据所述定子电流预估计值以及反馈调节值计算下一时刻的定子电流估计值；

其中，所述下一时刻的定子电流估计值与所述定子电流预估计值、差值构成电流辨识方程，所述反馈调节矩阵的矩阵参数由，与所述电流辨识方程对应的特征方程的根、磁链角速度以及采样周期确定。

2.如权利要求1所述的用于电机的电流辨识方法，其特征在于，所述电流辨识方程还包括电流观测矩阵、电压观测矩阵以及角速度观测矩阵，所述电流辨识方程中，所述电流观测矩阵为与所述定子电流估计值对应的方程参数，所述电压观测矩阵为与所述定子电压值对应的方程参数，所述角速度观测矩阵为与所述磁链角速度采样值对应的方程参数，所述电流观测矩阵的矩阵参数由所述磁链角速度以及采样周期确定；

所述电压观测矩阵的矩阵参数由所述采样周期、定子交直轴电抗确定；

所述角速度观测矩阵的矩阵参数由转子磁链、所述采样周期以及定子交直轴电抗确定。

3.如权利要求2所述的用于电机的电流辨识方法，其特征在于，所述电流辨识方程中，所述定子电流采样值、定子电压值、定子电流估计值表示为两相旋转坐标系中的空间矢量形式，所述磁链角速度为所述两相旋转坐标系相对于两相静止坐标系旋转的角速度。

4.如权利要求3所述的用于电机的电流辨识方法，其特征在于，所述电流观测矩阵的形式为：

5.如权利要求3所述的用于电机的电流辨识方法，其特征在于，所述电压观测矩阵的形式为：

6.如权利要求3所述的用于电机的电流辨识方法，其特征在于，所述角速度观测矩阵的形式为：

7.如权利要求3所述的用于电机的电流辨识方法，其特征在于，所述反馈调节矩阵的形式为：

8.一种电机控制器，其特征在于，用于执行权利要求1至7任一项所述的用于电机的电流辨识方法。

9.一种车辆，其特征在于，包括权利要求8所述的电机控制器。

说明书

一种用于电机的电流辨识方法、电机控制器及车辆

技术领域

[0001] 本发明实施例涉及同步电机技术，尤其涉及一种用于电机的电流辨识方法、电机控制器及车辆。

背景技术

[0002] 永磁电机驱动系统中，控制算法通常需要离散化，并在微处理器(如DSP)中实现数字化控制。电流控制回路是电机驱动系统中最内部的控制回路，也是最核心的控制回路，如何有效实现电流控制回路的数字控制，将直接影响电机驱动系统的控制性能。在进行电流采样的过程中，由于软件代码的串行执行，数字执行延迟是不可避免的。通常，电机驱动系统的控制器配置基于PWM的控制方法，相应的，数字执行延迟通常为一个采样周期。对于电机系统中的电流调节器，由于控制器在电流采样过程中存在一个采样周期的延迟，因此将上述电流采样值作为输入进行计算时，输出电压的幅值和相位都存在一定的误差。和电流采样频率fsamp比较，当永磁电机的转速频率fe足够低时，可以忽略这些误差，当转速频率fe大于fsamp/20时，电流调节器的输出电压误差可能导致电流环不能稳定工作，甚至引起过流故障，比如，如果转速频率fe等于fsamp/20，则电流调节器的输出电压的相位误差可达18°，进而导致电流调节器性能明显退化。

[0003] 现有技术中，可以直接对电流调节器的输出电压进行1个或1.5个电流采样周期的相位补偿，以弥补电流采样过程中导致的一个电流采样周期的延迟，但是在此过程中会引入新的相位延迟和幅值衰减，难以应用到对电机驱动系统的稳态性能、动态性能要求较高的场景。

发明内容

[0004] 本发明提供一种用于电机的电流辨识方法、电机控制器及车辆，以达到准确辨识电机电流的目的。

[0005] 第一方面，本发明实施例提供了一种用于电机的电流辨识方法，包括：

[0006] 获取定子电压值、当前时刻的定子电流采样值、定子电流估计值、磁链角速度采样值；

[0007] 根据所述定子电压值、当前时刻的定子电流估计值、磁链角速度采样值计算下一时刻的定子电流预估计值；

[0008] 根据所述当前时刻的定子电流采样值、定子电流估计值计算当前时刻的反馈调节值；

[0009] 根据所述定子电流预估计值以及反馈调节值计算下一时刻的定子电流估计值。

[0010] 进一步的，根据所述当前时刻的定子电流采样值、定子电流估计值计算当前时刻的反馈调节值包括：

[0011] 计算所述当前时刻的定子电流采样值、定子电流估计值的差值，通过反馈调节矩阵与所述差值确定所述当前时刻的反馈调节值，

[0012] 所述下一时刻的定子电流估计值与所述定子电流预估计值、差值构成电流辨识方程，

[0013] 所述反馈调节矩阵的矩阵参数由，与所述电流辨识方程对应的特征方程的根、磁链角速度以及采样周期确定。

[0014] 进一步的，所述电流辨识方程还包括电流观测矩阵、电压观测矩阵以及角速度观测矩阵，

[0015] 所述电流辨识方程中，所述电流观测矩阵为与所述定子电流估计值对应的方程参数，所述电压观测矩阵为与所述定子电压值对应的方程参数，所述角速度观测矩阵为与所述磁链角速度采样值对应的方程参数，

[0016] 所述电流观测矩阵的矩阵参数由所述磁链角速度以及采样周期确定；

[0017] 所述电压观测矩阵的矩阵参数由所述采样周期、定子交直轴电抗确定；

[0018] 所述角速度观测矩阵的矩阵参数由转子磁链、所述采样周期以及定子交直轴电抗确定。

[0019] 进一步的，所述辨识方程中，所述定子电流采样值、定子电压值、定子电流估计值表示为两相旋转坐标系中的空间矢量形式，

[0020] 所述磁链角速度为所述两相旋转坐标系相对与两相静止坐标系旋转的角速度。

[0021] 进一步的，所述电流观测矩阵的形式为：

[0022]

[0023] 进一步的，所述电压观测矩阵的形式为：

[0024]

[0025] 进一步的，所述角速度观测矩阵的形式为：

[0026]

[0027] 进一步的，所述反馈调节矩阵的形式为：

[0028]

[0029] 第二方面，本发明实施例还提供了一种电机控制器，用于执行本发明实施例记载的任意用于电机的电流辨识方法。

[0030] 第三方面，本发明实施例还提供了一种车辆，包括本发明实施例记载的电机控制器。

[0031] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提出一种电流辨识方法，其中，通过定子电压值，当前时刻的定子电流采样值，定子电流估计值以及磁链角速度计算下一时刻的定子电流估计值。通过定子电压值，当前时刻的定子电流估计值以及磁链角速度进行下一时刻的定子电流估计值，定子电流估计值辨识过程中涉及的参数变量种类少，可以提高辨识过程的动态响应速率，通过在辨识过程中引入由当前时刻的定子电流采样值和定子电流估计值构成的反馈调节值，可以提高定子电流的辨识精度，同时滤除由电流采样电路引入的干扰噪声，提高电机系统的稳态性能。

附图说明

[0032] 图1是实施例中的电流辨识方法流程图；

[0033] 图2是实施例中的电机控制器结构示意图；

[0034] 图3是实施例中的一种电机驱动系统结构示意图；

[0035] 图4是实施例中的另一种电机驱动系统结构示意图。

具体实施方式

[0036] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

[0037] 实施例一

[0038] 图1是实施例中的电流辨识方法流程图，本实施例提出的电流辨识方法可适用于电机控制的情况，该方法可以采用软件的方式实现，该方法可以配置在电机控制器中，参考图1，电流辨识方法包括：

[0039] S1.获取定子电压值、当前时刻的定子电流采样值、定子电流估计值、磁链角速度采样值。

[0040] 示例性的，本实施例中，定子电压值为给定值，定子电流采样值为定子电流的采样值，磁链角速度采样值为由位置传感器采集的角速度采样值。定子电流估计值为一计算值。

[0041] S2.根据定子电压值、当前时刻的定子电流估计值、磁链角速度采样值计算下一时刻的定子电流预估计值。

[0042] 示例性的，本步骤中，基于电机的电压方程，定子电流预估计值与定子电压值、定子电流估计值以及磁链角速度采样值存在一定的函数关系，根据该函数关系可以求出下一时刻的定子电流预估计值。

[0043] S3.根据当前时刻的定子电流采样值、定子电流估计值计算当前时刻的反馈调节值。

[0044] 示例性的，本实施例中，电流辨识方法主要根据当前时刻的电流采样值估计下一时刻的电流估计值，本实施例中，利用当前时刻的定子电流采样值、定子电流估计值，可以求出电流采样值与电子电流估计值的误差，根据反馈控制原理，将该误差作为估计下一时刻电流估计值的反馈调节值，可以为提高电流辨识的精度。

[0045] S4.根据定子电流预估计值以及反馈调节值计算下一时刻的定子电流估计值。

[0046] 示例性的，本实施例中可以构建下一时刻定子电流估计值与定子电流预估计值以及反馈调节值的函数关系，根据该函数关系可以实现定子电流估计值的实时跟踪计算。

[0047] 示例性的，为了将电机控制过程中的众多控制参数解耦，便于进行定子电流估计值的辨识，本实施例中，基于两相旋转坐标系构建用于辨识定子电流估计值的函数方程。

[0048] 示例性的，以直流电机为例，直流电机的磁场包括励磁磁场和电枢磁场，直流电机上下两块磁体产生励磁磁场，方向从N‑>S，电枢磁场与励磁磁场垂直，通常将电磁磁场(d)的轴线称为直轴，与直轴垂直的电枢磁场(q)的轴线称为交轴，由直轴和交轴构成的坐标系即为两相旋转坐标系(d‑q坐标系)。

[0049] 具体的，本实施例中，函数方程的构建过程包括：

[0050] 步骤1.在d‑q坐标系下构建定子电压方程，定子电压方程为：

[0051]

[0052] 式中，us为定子电压，s为微分算子，Ldq为定子交直轴电抗，Rs为定子电阻，is为定子电流，ωe为磁链角速度， 为转子磁链。

[0053] 步骤2.利用前向欧拉公式将d‑q坐标系下的定子电压方程进行离散化，得到定子电压离散方程，如下：

[0054]

[0055] 式中， 为定子电流采样值， 为定子电流估计值，Ts为采样周期。

[0056] 步骤3.根据电子电压离散方程确定离散定子电流估计方程，如下：

[0057]

[0058] 步骤4.根据离散定子电流估计方程确定定子电流观测方程。

[0059] 具体的，本步骤中将离散定子电流估计方程转换为定子电流观测方程，定子电流观测方程中，定子电流估计值、定子电流采样值、定子电压值表示为两相旋转坐标系中的空间矢量形式，即：

[0060]

[0061]

[0062] 参考离散定子电流估计方程，定子电流观测方程为：

[0063]

[0064] 参考定子电流观测方程，定子电流观测方程包括电流观测矩阵A、电压观测矩阵B以及角速度观测矩阵G。

[0065] 示例性的，定子电流观测方程中v表示磁链角速度，磁链角速度为两相旋转坐标系M M P相对与两相静止坐标系旋转的角速度，v 为磁链角速度采样值，i为定子电流采样值，i 为定子电流估计值，u为定子电压。

[0066] 参考离散定子电流估计方程，定子电流观测方程中，电流观测矩阵为与定子电流估计值对应的方程参数，电流观测矩阵的矩阵参数由磁链角速度以及采样周期确定。

[0067] 示例性的，本实施例中，磁链角速度采样值可以为由传感器测量的磁链角速度值，磁链角速度可以为由预设的电机模型(例如滑模观测器)估计出的磁链角速度值。为便于计算，磁链角速度采样值可以与磁链角速度的取值相同。

[0068] 具体的，电流观测矩阵A为：

[0069]

[0070] 式中，Ld为直轴电抗，Lq为交轴电抗，通常情况下，TsRs/Ld、TsRs/Lq约为0，则电流观测矩阵A可变形为：

[0071]

[0072] 参考离散定子电流估计方程，定子电流观测方程中，电压观测矩阵B为与定子电压值对应的方程参数，电压观测矩阵的矩阵参数由采样周期、定子交直轴电抗确定，具体的，电压观测矩阵B为：

[0073]

[0074] 参考离散定子电流估计方程，定子电流观测方程中，角速度观测矩阵G为与磁链角速度采样值对应的方程参数，角速度观测矩阵的矩阵参数由转子磁链、采样周期以及定子交直轴电抗确定，具体的，角速度观测矩阵G为：

[0075]

[0076] 式中， 为转子磁链。

[0077] 步骤5.在定子电流观测方程中引入反馈调节环节，构成电流辨识方程。

[0078] 本实施例中，定子电流估计值与定子电流采样值呈一定的函数关系，若定子电流采样值变化，则定子电流估计值会发生变化，根据反馈控制原理，本步骤中，定子电流采样值与当前时刻的定子电流估计值作为估计下一时刻电流估计值的反馈调节值，电流辨识方程为：

[0079]

[0080] 本步骤中，计算当前时刻的定子电流采样值 定子电流估计值 的差值，通过反馈调节矩阵L与上述差值可以确定当前时刻的反馈调节值。

[0081] 电流辨识方程中通过 可以确定定子电流预估计值，通过可以确定反馈调节值，通过电流预估计值以及反馈调节值可以确定下一时刻的定子电流估计值。

[0082] 本步骤中，反馈调节矩阵L的矩阵参数由与电流辨识方程对应的特征方程的根、磁链角速度以及采样周期确定。

[0083] 具体的，设反馈调节矩阵L的形式为：

[0084]

[0085] 结合反馈调节矩阵，电流辨识方程的特征方程为：

[0086] s2+(l1+l2‑2)s+1‑(l1+l2)+l1l2+(ωeTs)2＝0

[0087] 根据上述特征方程，设定特征方程的根为负根β，根据求根公式，特征方程的根满足：

[0088]

[0089] 根据上式，l1与l2的表达式为：

[0090]

[0091] 示例性的，本步骤中，可以根据劳斯判据，通过仿真调试确定β的取值，相应的，反馈调节矩阵为：

[0092]

[0093] 本实施例中，通过电流辨识方程可以辨识定子电流估计值，在电机控制过程中，定子电流估计值用于代替传统电机驱动过程中，直接采集的定子电流采样值，以避免由于电流采样存在延时，造成基于电流采样值计算出的电压幅值与相位与期望值存在误差，进而影响电机动态性能的问题。

[0094] 本实施例提出一种电流辨识方法，其中，通过定子电压值，当前时刻的定子电流采样值，定子电流估计值以及磁链角速度计算下一时刻的定子电流估计值。通过定子电压值，当前时刻的定子电流估计值以及磁链角速度进行下一时刻的定子电流估计值，定子电流估计值辨识过程中涉及的参数变量种类少，可以提高辨识过程的动态响应速率，通过在辨识过程中引入由当前时刻的定子电流采样值和定子电流估计值构成的反馈调节值，可以提高定子电流的辨识精度，同时滤除由电流采样电路引入的干扰噪声，提高电机系统的稳态性能。

[0095] 实施例二

[0096] 图2是实施例中的电机控制器结构示意图，参考图2，电机控制器包括数据采集模块100，定子电流预估计模块200，反馈调节模块300以及定子电流估计模块400。

[0097] 数据采集模块100用于获取定子电压值、当前时刻的定子电流采样值、定子电流估计值、磁链角速度采样值。

[0098] 定子电流预估计模块200用于根据定子电压值、当前时刻的定子电流估计值、磁链角速度采样值计算下一时刻的定子电流预估计值。

[0099] 反馈调节模块300用于根据当前时刻的定子电流采样值、定子电流估计值计算当前时刻的反馈调节值。

[0100] 定子电流估计模块400用于根据定子电流预估计值以及反馈调节值计算下一时刻的定子电流估计值。

[0101] 示例性的，本实施例中，定子电流预估计模块、反馈调节模块以及定子电流估计模块中可以配置实施例一中记载的电流辨识方程，定子电流预估计模块、反馈调节模块以及定子电流估计模块可以通过电流辨识方程计算所需的定子电流预估计值、反馈调节值以及定子电流估计值。

[0102] 本实施例中，电流辨识方程的构造过程与实施例一中记载的内容相同，且起到的有益效果相同，具体内容不再赘述。

[0103] 实施例三

[0104] 在实施例一和实施例二的基础上，本实施例中提出一种车辆，车辆配置实施例二中的电机控制器。车辆中可以配置永磁同步电机或者无速度传感器永磁同步电机，电机控制器可以配置在永磁同步电机系统或者无速度传感器永磁同步电机系统中。

[0105] 图3是实施例中的一种电机驱动系统结构示意图，参考图3，车辆包括电机控制器1、PI电流调节器2、第一变换器3、驱动控制器4、驱动电路5、第二变换器6、第三变换器7和电机8。

[0106] 电机控制器1与PI电流调节器2相连接，PI电流调节器2通过第一变换器3与驱动控制器4相连接，驱动控制器4通过驱动电路5与电机8相连接。第二变换器6用于采集电机8的相电流，第二变换器6与第三变换器7相连接，第三变换器7与电机控制器1相连接。

[0107] 示例性的，图3所示的电机驱动系统中，电机8为无速度传感器永磁同步电机，电机驱动系统的工作过程包括：

[0108] 步骤1.第二变换器采集电机的相电流ia、ib，并通过Clarke变换将相电流ia、ib转换至两相静止坐标系中，形成相电流iα、iβ。

[0109] 步骤2.第三变换器通过park变换将相电流iα、iβ转换至两相旋转坐标系中，形成相电流id、iq。

[0110] 步骤3.电机控制器接收步骤2中的相电流id、i，利用实施例一中的电流辨识方法进行电流辨识，得到定子电流估计值

[0111] 示例性的，步骤3中电机控制器接收到的相电流为定子电流采样值 电机控制器中存储有当前时刻的定子电流估计值 通过定子电流采样值当前时刻的定子电流估计值 磁链角速度以及定子电压值，基于电流辨识方程可以计算出下一时刻的定子电流估计值

[0112] 示例性的，本步骤中，定子电压值为给定值，计算下一时刻定子电流估计值时所需的转子磁链 可以通过位置估计的方式获得，例如，可以通过观测器法(滑膜观测器、全状态观测器等)，通过建立电机的理想模型，重构电机的反电动势和转速位置，进而估算出转子磁链。根据第二变换器采集电机的相电流ia、ib，电机控制器可以根据位置速度估计方法(滑模观测器法等)计算出所需的磁链角速度ωe。

[0113] 步骤4.PI电流调节器接收步骤3中电机控制器输出的定子电流估计值 并输出向相电压Vd、Vq。

[0114] 步骤5.第一变换器通过逆park变换将相电压Vd、Vq转换至两相静止坐标系中，形成相电压Vα、Vβ。

[0115] 示例性的，电机控制器估算出的磁链角速度后，根据磁链角速度ωe，可以进一步得到两相旋转坐标系相对于两相静止坐标系转动的角度θ，第一变换器可以接收电机控制器发送的角度θ，基于θ值将相电压Vd、Vq转换至两相静止坐标系中，形成相电压Vα、Vβ。

[0116] 步骤6.驱动控制器通过逆Clarke变换将相电压Vα、Vβ转换至两相静止坐标系中形成相电压Va、Vb、Vc，并根据驱动控制方法生成驱动控制指令，通过驱动控制指令控制电机转动。

[0117] 示例性的，本步骤中，驱动控制方法可以为基于支持向量机(Support Vector Machines，SVM)的控制方法、基于脉冲宽度调制技术(Pulse Width Modulation，PWM)的控制方法、基于空间电压矢量调制技术(Space Vetor Pulse Width Modulation，SVPWM)的控制方法等。

[0118] 图4是实施例中的另一种电机驱动系统结构示意图，参考图4，车辆包括电机控制器1、PI电流调节器2、第一变换器3、驱动控制器4、驱动电路5、第二变换器6、第三变换器7、电机8和位置传感器9。

[0119] 电机控制器1与PI电流调节器2相连接，PI电流调节器2通过第一变换器3与驱动控制器4相连接，驱动控制器4通过驱动电路5与电机8相连接，电机8还通过位置传感器9与电机控制器1相连接。第二变换器6用于采集电机8的相电流，第二变换器6与第三变换器7相连接，第三变换器7与电机控制器1相连接。

[0120] 示例性的，图4所示的电机驱动系统中，电机8为永磁同步电机，图4所示的电机驱动系统的工作过程与图3所示的电机驱动系统的工作过程相似，其中，图4所示的电机驱动系统工作时，计算下一时刻定子电流估计值时所需的磁链角速度ωe、转子磁链 为位置传感器的测量值。角度θ也为测量值，第一变换器可以接收位置传感器发送的角度θ，基于θ值将相电压Vd、Vq转换至两相静止坐标系中，形成相电压Vα、Vβ。

[0121] 本实施例提出的车辆包括PI电流调节器，其中PI电流调节器的输入为由电机控制器估算出的定子电流估计值，由于电机控制器估算出的定子电流估计值补偿了电流采样过程中存在的采样延时，同时消除了电流采样过程中的干扰噪声，因此PI电流调节器输出电压的相位误差小，PI电流调节器的性能可以得到显著的提高，进而可以提高电机驱动系统的稳态精度和动态性能，提高整车的性能指标。

[0122] 注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。