CN109194233A - 一种永磁同步电机的转矩闭环控制***及方法 - Google Patents

一种永磁同步电机的转矩闭环控制***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机的转矩闭环控制***，包括：电流获取模块，用于确定出两相静止坐标系下的电流反馈信号；电流控制磁链观测模块，用于确定出估计定子磁链信号，并结合接收的电流给定信号，确定出当前时刻的电压控制量；转矩估算模块，用于确定出电磁转矩反馈值；转矩控制器，用于确定出给定电流幅值信号；电流给定生成器，用于生成电流给定信号；脉宽调制模块，用于根据电压控制量生成相应的脉宽调制信号以进行电机控制。应用本发明的方案，降低了设计工作的复杂度和运行计算的复杂度，消除了控制***设计过程和控制性能对永磁同步电机直轴同步电感参数的依赖。本发明还公开了一种永磁同步电机的转矩闭环控制方法，具有相应效果。

Description

一种永磁同步电机的转矩闭环控制***及方法
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，特别是涉及一种永磁同步电机的转矩闭环控制***及方法。
背景技术
由于矢量控制可以使得交流电机具有可媲美直流电机的转矩控制性能，已经成为永磁同步电机转矩和电流控制的主流控制方法。
在现有技术中，对永磁同步电机进行电流控制是在两相旋转坐标系下实现的，即电流闭环控制需要通过将三相电流通过Clark变换和Park变化到两相同步旋转坐标系下进行反馈控制，然后将两相旋转坐标系下的dq轴控制电压进行反Park变换，得到两相静止坐标系下的αβ轴电压控制量，进行SVPWM调制，上述过程的计算量较大，对CPU的计算性能要求较高。
并且，在两相旋转坐标系下进行永磁电机的控制时，需要对交直轴电流控制器进行解耦设计。具体的，两相旋转坐标系下永磁同步电机的电压方程可如下式所示：
其中，其中ud，uq为分别电压矢量的直轴和交轴分量；id，iq分别为电流矢量的直轴和交轴分量；Rs为定子电阻，Ld，Lq分别为直轴和交轴同步电感，ω为电机的电角速度，ψf为永磁磁链幅值，D为微分算子。
由于电压方程存在交直轴交叉耦合的影响，需要对交直轴电流控制器进行解耦设计，进一步增加了设计和运行计算的复杂度。并且，解耦控制效果容易受到电机参数的准确度的影响。
此外，永磁同步电机进行转矩闭环控制需要准确的电磁转矩反馈量。考虑安装和维护成本，永磁同步牵引传动***通常不会安装扭矩测量仪，因此需要进行电磁转矩估计。在进行电磁转矩的估计时，部分方案是根据已知的永磁磁链、两相旋转坐标系下交直轴同步电感参数以及电流实时采样值，采用公式直接计算，但是这需要做大量的参数标定实验，进行参数数据的存储，或者是需要额外的在线参数辨识算法。
还有部分方案是先观测定子磁链，再由定子磁链计算转矩。开环定子磁链观测方法中基于电压模型的方法受到积分积累误差的影响大，而基于电流模型的方法则依赖于永磁磁链参数和交直轴电感参数。在闭环定子磁链观测方法中，现有技术的在两相旋转坐标系下构造磁链观测器的方法受状态方程存在交叉耦合的影响，观测器的设计难度较大，而且磁链观测精度同时受到Ld，Lq参数准确度的影响。有学者引入有效磁链的概念，推导了两相静止坐标系下永磁同步电机的电压方程如下式所示，并研究了构造有效磁链观测器的方法，可以不依赖于直轴电感参数Ld。
其中，有效磁链的α轴和β轴分量的表达式为
但是，现有技术中构造的有效磁链观测器并没有充分利用该电压方程α轴和β轴相互解耦的特点，所设计的观测器仍然存在交叉耦合项。
并且，目前的实现方案中需要独立于电流控制器专门设计磁链观测器，也就使得在设计磁链观测器时，需要包含多个反馈参数的设计，增加了设计的复杂度，也增加了芯片的计算负担。
综上所述，如何在进行永磁同步电机的转矩闭环控制时，有效地降低设计和运行计算的复杂度，减小电机参数的影响，是目前本领域技术人员急需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种永磁同步电机的转矩闭环控制***及方法，以在进行永磁同步电机的控制时，有效地降低设计和运行计算的复杂度，减小电机参数对控制***的性能影响。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种永磁同步电机的转矩闭环控制***，包括：
电流获取模块，用于采集永磁同步电机的三相电流iu，iv及iw，并基于Clark变换确定出两相静止坐标系下的电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb；
电流控制磁链观测模块，用于根据所述电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb，直流母线电压信号Udc，转速信号ωr以及上一时刻的电压控制量uα_c_last和uβ_c_last，确定出估计定子磁链信号ψs_α和ψs_β，并结合接收的电流给定信号iα_ref和iβ_ref，确定出当前时刻的电压控制量uα_c和uβ_c；
转矩估算模块，用于根据接收的所述估计定子磁链信号ψs_α和ψs_β，所述电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb，确定出电磁转矩反馈值Te_fdb；
转矩控制器，用于根据所述电磁转矩反馈值Te_fdb以及预设的转矩给定值Te_ref，确定出给定电流幅值信号iAMP；
电流给定生成器，用于根据所述给定电流幅值信号iAMP，电机的位置信号θ，按照预设的控制策略生成所述电流给定信号iα_ref和iβ_ref；
脉宽调制模块，用于根据所述电流控制磁链观测模块确定出的当前时刻的所述电压控制量uα_c和uβ_c生成相应的脉宽调制信号以进行电机控制。
优选的，所述电流控制磁链观测模块，包括：
扩充状态观测子模块，用于将所述电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb作为状态变量建立***状态方程，将所述***状态方程中的有效磁链的相关分量作为扩充状态变量，并根据所述直流母线电压信号Udc以及所述电压控制量uα_c_last和uβ_c_last，确定出状态估计量zα_1和zβ_1，扩张状态估计量zα_2和zβ_2；
电压补偿量计算子模块，用于根据所述状态估计量zα_1和zβ_1，所述扩张状态估计量zα_2和zβ_2确定出控制补偿量uα_comp和uβ_comp；
定子磁链计算子模块，用于根据所述扩张状态估计量zα_2和zβ_2，所述转速信号ωr以及所述电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb，确定出所述估计定子磁链信号ψs_α和ψs_β；
电压控制量计算子模块，用于根据所述状态估计量zα_1和zβ_1，所述控制补偿量uα_comp和uβ_comp，以及接收的电流给定信号iα_ref和iβ_ref，确定出当前时刻的电压控制量uα_c和uβ_c。
优选的，所述***状态方程为：
其中，所述Rs为定子电阻，所述Lq为交轴同步电感，所述k为预设逆变器电压增益，所述ψextα和所述ψextβ分别为有效磁链的α轴和β轴分量；
所述iα_fdb和iβ_fdb作为所述状态变量，和为作为所述扩张状态变量。
优选的，确定出的所述状态估计量zα_1和zβ_1，所述扩张状态估计量zα_2和zβ_2满足：
其中，所述f1和f2均为反馈函数，所述反馈函数为状态估计误差值及其各阶微分或积分的线性组合或非线性组合的形式。
优选的，其特征在于，确定出的所述控制补偿量uα_comp和uβ_comp为：
其中，所述Rs为定子电阻，所述Lq为交轴同步电感。
优选的，所述电压控制量计算子模块，具体用于：
根据所述状态估计量zα_1和zβ_1，接收的电流给定信号iα_ref和iβ_ref，计算出虚拟控制信号u'α和u'β；
其中，所述虚拟控制信号u'α和u'β满足：所述gc为反馈控制率函数，所述反馈控制率函数为控制误差(iα_ref-zα_1)和(iβ_ref-zβ_1)及其各阶微分或积分的线性组合或非线性组合的形式；
根据所述虚拟控制信号u'α和u'β，所述控制补偿量uα_comp和uβ_comp，确定出所述电压控制量uα_c和uβ_c；
其中，计算出的所述电压控制量uα_c和uβ_c满足：所述k为预设逆变器电压增益。
优选的，所述定子磁链计算子模块，具体用于：
根据所述扩张状态估计量zα_2和zβ_2，确定出所述扩展磁链微分估计值Dψextα和Dψextβ；
其中，所述扩展磁链微分估计值Dψextα和Dψextβ满足：所述Lq为交轴同步电感；
根据所述扩展磁链微分估计值Dψextα和Dψextβ，所述转速信号ωr，确定出扩展磁链值ψextα和ψextβ；
其中，所述扩展磁链值ψextα和ψextβ满足：
根据所述扩展磁链值ψextα和ψextβ，所述电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb，确定出所述估计定子磁链信号ψs_α和ψs_β；
其中，所述估计定子磁链信号ψs_α和ψs_β满足：
一种永磁同步电机的转矩闭环控制方法，包括：
采集永磁同步电机的三相电流iu，iv及iw，并基于Clark变换确定出两相静止坐标系下的电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb；
根据所述电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb，直流母线电压信号Udc，转速信号ωr以及上一时刻的电压控制量uα_c_last和uβ_c_last，确定出估计定子磁链信号ψs_α和ψs_β；
根据接收的所述估计定子磁链信号ψs_α和ψs_β，所述电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb，确定出电磁转矩反馈值Te_fdb；
根据所述电磁转矩反馈值Te_fdb以及预设的转矩给定值Te_ref，确定出给定电流幅值信号iAMP；
根据所述给定电流幅值信号iAMP，电机的位置信号θ，按照预设的控制策略生成电流给定信号iα_ref和iβ_ref；
结合接收的所述电流给定信号iα_ref和iβ_ref，确定出当前时刻的电压控制量uα_c和uβ_c；
根据所述电压控制量uα_c和uβ_c生成相应的脉宽调制信号以进行电机控制。
优选的，所述根据所述电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb，直流母线电压信号Udc，转速信号ωr以及上一时刻的电压控制量uα_c_last和uβ_c_last，确定出估计定子磁链信号ψs_α和ψs_β，包括：
将所述电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb作为状态变量建立***状态方程；
将所述***状态方程中的有效磁链的相关分量作为扩充状态变量，并根据所述直流母线电压信号Udc以及所述电压控制量uα_c_last和uβ_c_last，确定出状态估计量zα_1和zβ_1，扩张状态估计量zα_2和zβ_2；
根据所述扩张状态估计量zα_2和zβ_2，所述转速信号ωr以及所述电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb，确定出所述估计定子磁链信号ψs_α和ψs_β；
所述结合接收的所述电流给定信号iα_ref和iβ_ref，确定出当前时刻的电压控制量uα_c和uβ_c，包括：
根据所述状态估计量zα_1和zβ_1，所述扩张状态估计量zα_2和zβ_2确定出控制补偿量uα_comp和uβ_comp；
结合所述状态估计量zα_1和zβ_1，所述控制补偿量uα_comp和uβ_comp，以及接收的电流给定信号iα_ref和iβ_ref，确定出当前时刻的电压控制量uα_c和uβ_c。
优选的，将所述电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb作为状态变量建立***状态方程，包括：
将所述电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb作为状态变量建立***状态方程，所述***状态方程具体为：
其中，所述Rs为定子电阻，所述Lq为交轴同步电感，所述k为预设逆变器电压增益，所述ψextα和所述ψextβ分别为有效磁链的α轴和β轴分量；
将所述***状态方程中的有效磁链的相关分量作为扩充状态变量，包括：
将和为作为扩张状态变量。
应用本发明实施例所提供的技术方案，包括：电流获取模块，用于采集永磁同步电机的三相电流iu，iv及iw，并基于Clark变换确定出两相静止坐标系下的电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb；电流控制磁链观测模块，用于根据电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb，直流母线电压信号Udc，转速信号ωr以及上一时刻的电压控制量uα_c_last和uβ_c_last，确定出估计定子磁链信号ψs_α和ψs_β，并结合接收的电流给定信号iα_ref和iβ_ref，确定出当前时刻的电压控制量uα_c和uβ_c；转矩估算模块，用于根据接收的估计定子磁链信号ψs_α和ψs_β，电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb，确定出电磁转矩反馈值Te_fdb；转矩控制器，用于根据电磁转矩反馈值Te_fdb以及预设的转矩给定值Te_ref，确定出给定电流幅值信号iAMP；电流给定生成器，用于根据给定电流幅值信号iAMP，电机的位置信号θ，按照预设的控制策略生成电流给定信号iα_ref和iβ_ref；脉宽调制模块，用于根据电流控制磁链观测模块确定出的当前时刻的电压控制量uα_c和uβ_c生成相应的脉宽调制信号以进行电机控制。
本申请的方案中，在两相静止坐标系下进行永磁同步电机的控制，避免了在两相旋转坐标系下进行电机控制的计算量大的问题，也不需要进行解耦设计。并且，本申请的方案中，电流控制磁链观测模块可以确定出估计定子磁链信号ψs_α和ψs_β，还可以确定出当前时刻的电压控制量uα_c和uβ_c，也就是说，通过电流控制磁链观测模块的设计，实现了电流控制器以及磁链观测器的一体化。因此，本申请的方案在进行永磁同步电机的控制时，有效地降低了设计和运行计算的复杂度。另外本方案不依赖于永磁同步电机的直轴同步电感参数，减小了控制***性能对直轴同步电感参数的依赖。
附图说明
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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中一种永磁同步电机的转矩闭环控制***的结构示意图；
图2为本发明一种具体实施方式中电流控制磁链观测模块的结构示意图；
图3为本发明中一种永磁同步电机的转矩闭环控制方法的实施流程图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种永磁同步电机的转矩闭环控制***，在进行永磁同步电机的转矩闭环控制时，有效地降低了计算的复杂度，减少控制***性能对电机参数的依赖程度。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。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。
请参考图1，图1为本发明中一种永磁同步电机的转矩闭环控制***的结构示意图，该***包括以下模块：
电流获取模块10，用于采集永磁同步电机的三相电流iu，iv及iw，并基于Clark变换确定出两相静止坐标系下的电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb。
电流获取模块10将采集到的永磁同步电机的三相电流iu，iv及iw进行Clark变换，可以确定出两相静止坐标系，即α-β坐标系下的电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb。iα_fdb即为电流反馈信号在α轴的分量，iβ_fdb为电流反馈信号在β轴的分量。电流获取模块10可以为一集成模块，也可以由多个子模块构成，例如图1的实施方式中，电流获取模块10包括用于采集永磁同步电机的三相电流iu，iv及iw的电流采集子模块11以及用于进行Clark变换的坐标变换子模块12。
在基于Clark变换确定出两相静止坐标系下的电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb时，可以是按照常见的变换前后幅值不变的原则，也可以是按照变换前后功率不变的原则，可根据实际需要进行选取，并不影响本发明的实施。例如一种具体实施方式中，基于幅值不变的原则确定出的电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb为：
电流控制磁链观测模块20，用于根据电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb，直流母线电压信号Udc，转速信号ωr以及上一时刻的电压控制量uα_c_last和uβ_c_last，确定出估计定子磁链信号ψs_α和ψs_β，并根据接收的电流给定信号iα_ref和iβ_ref，确定出当前时刻的电压控制量uα_c和uβ_c。
本申请的电流控制磁链观测模块20可以确定出估计定子磁链信号ψs_α和ψs_β，还可以确定出当前时刻的电压控制量uα_c和uβ_c，也就是说，通过电流控制磁链观测模块20的设计，实现了电流控制器以及磁链观测器的一体化。
具体的，电流控制磁链观测模块20可以与电流获取模块10连接，接收由电流获取模块10输出的电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb，同时，电流控制磁链观测模块20还接收直流母线电压信号Udc以及转速信号ωr。直流母线电压信号Udc可以通过电压传感器进行采集，而转速信号ωr通常可以由位置传感器的输出量进行微分获得，位置传感器设置在永磁同步电机上。
此外，电流控制磁链观测模块20还需要获取上一时刻的电压控制量uα_c_last和uβ_c_last，以进行估计定子磁链信号ψs_α和ψs_β的计算。需要指出的是，在第一次进行估计定子磁链信号ψs_α和ψs_β的计算时，电流控制磁链观测模块20获取的电压控制量uα_c_last和uβ_c_last为预先设置的初始值，例如预设为0，进而便第一次计算出估计定子磁链信号ψs_α和ψs_β，此后结合接收的电流给定信号iα_ref和iβ_ref，便第一次确定出当前时刻的电压控制量uα_c和uβ_c，这也就是作为第二次进行估计定子磁链信号ψs_α和ψs_β的计算时所需要利用的电压控制量。
并且需要说明的是，在具体实施时，针对本申请的控制***中的所有变量，在未掌握***信息的情况下均可以预先将初始值设置为0，例如上文中将电压控制量的初始值设置为0。而已知相关信息的变量，例如定子电阻Rs，交轴同步电感Lq等，可以根据测量值进行设定。
转矩估算模块30，用于根据接收的估计定子磁链信号ψs_α和ψs_β，电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb，确定出电磁转矩反馈值Te_fdb。
转矩估算模块30与电流控制磁链观测模块20连接，可以接收电流控制磁链观测模块20输出的估计定子磁链信号ψs_α和ψs_β，进而确定出电磁转矩反馈值Te_fdb。具体的，当确定出的电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb是基于幅值不变的原则确定时，则该种实施方式中，转矩估算模块30可以通过下式确定出电磁转矩反馈值Te_fdb：
转矩控制器40，用于根据电磁转矩反馈值Te_fdb以及预设的转矩给定值Te_ref，确定出给定电流幅值信号iAMP。
转矩控制器40与转矩估算模块30连接，可以接收转矩估算模块30输出的电磁转矩反馈值Te_fdb，进而根据电磁转矩反馈值Te_fdb以及预设的转矩给定值Te_ref确定出给定电流幅值信号iAMP。由于PID控制器被广泛地应用，可以选取PID控制器作为转矩控制器40以方便方案的实施，当然，也可以根据实际需要选取其他类型的反馈控制器进行电流幅值信号iAMP的确定。
电流给定生成器50，用于根据给定电流幅值信号iAMP，电机的位置信号θ，按照预设的控制策略生成电流给定信号iα_ref和iβ_ref。
电流给定生成器50可以接收电流幅值信号iAMP，电机的位置信号θ。电流幅值信号iAMP由转矩控制器40进行输出，而电机的位置信号θ通常可以由设置在永磁同步电机上的位置传感器获取。获取了给定电流幅值信号iAMP以及电机的位置信号θ之后，电流给定生成器50便可以按照预设的控制策略生成电流给定信号iα_ref和iβ_ref。
预设的控制策略通常可以为电流优化控制策略，例如一种具体实施方式中，选取基于MTPA(Maximum Torque Per Ampere，线性最大转矩电流比)的控制策略时，可以先根据直接公式计算法或者搜索算法等确定满足最大转矩电流比的定子电流矢量的空间相位角γ，之后再结合电机的位置信号生成电流给定信号iα_ref和iβ_ref，也即生成电流给定信号的α轴分量iα_ref以及β轴分量iβ_ref，采用的算式可以具体为：
电流给定生成器50生成的电流给定信号iα_ref和iβ_ref会输出至电流控制磁链观测模块20，以使得电流控制磁链观测模块20进行电压控制量uα_c和uβ_c的计算。
脉宽调制模块60，用于根据电流控制磁链观测模块20确定出的当前时刻的电压控制量uα_c和uβ_c生成相应的脉宽调制信号以进行电机控制。
脉宽调制模块60与电流控制磁链观测模块20连接，可以接收电流控制磁链观测模块20确定出的当前时刻的电压控制量uα_c和uβ_c，进而生成相应的脉宽调制信号以进行电机控制。脉宽调制模块60通常可以选取为SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉宽调制)模块。
应用本发明实施例所提供的永磁同步电机的转矩闭环控制***，包括：电流获取模块，用于采集永磁同步电机的三相电流iu，iv及iw，并基于Clark变换确定出两相静止坐标系下的电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb；电流控制磁链观测模块，用于根据电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb，直流母线电压信号Udc，转速信号ωr以及上一时刻的电压控制量uα_c_last和uβ_c_last，确定出估计定子磁链信号ψs_α和ψs_β，并结合接收的电流给定信号iα_ref和iβ_ref，确定出当前时刻的电压控制量uα_c和uβ_c；转矩估算模块，用于根据接收的估计定子磁链信号ψs_α和ψs_β，电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb，确定出电磁转矩反馈值Te_fdb；转矩控制器，用于根据电磁转矩反馈值Te_fdb以及预设的转矩给定值Te_ref，确定出给定电流幅值信号iAMP；电流给定生成器，用于根据给定电流幅值信号iAMP，电机的位置信号θ，按照预设的控制策略生成电流给定信号iα_ref和iβ_ref；脉宽调制模块，用于根据电流控制磁链观测模块确定出的当前时刻的电压控制量uα_c和uβ_c生成相应的脉宽调制信号以进行电机控制。
本申请的方案中，在两相静止坐标系下进行永磁同步电机的控制，避免了在两相旋转坐标系下进行电机控制的计算量大的问题，也不需要进行解耦设计。并且，本申请的方案中，电流控制磁链观测模块可以确定出估计定子磁链信号ψs_α和ψs_β，还可以确定出当前时刻的电压控制量uα_c和uβ_c，也就是说，通过电流控制磁链观测模块的设计，实现了电流控制器以及磁链观测器的一体化。因此，本申请的方案在进行永磁同步电机的控制时，有效地降低了设计和运行计算的复杂度。另外本方案不依赖于永磁同步电机的直轴同步电感参数，减小了控制***性能对直轴同步电感参数的依赖。
在本发明的一种具体实施方式中，可参阅图2，电流控制磁链观测模块20具体包括以下子模块：
扩充状态观测子模块21，用于将电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb作为状态变量建立***状态方程，将***状态方程中的有效磁链的相关分量作为扩充状态变量，并根据直流母线电压信号Udc以及电压控制量uα_c_last和uβ_c_last，确定出状态估计量zα_1和zβ_1，扩张状态估计量zα_2和zβ_2。
电压补偿量计算子模块22，用于根据状态估计量zα_1和zβ_1，扩张状态估计量zα_2和zβ_2确定出控制补偿量uα_comp和uβ_comp。
定子磁链计算子模块23，用于根据扩张状态估计量zα_2和zβ_2，转速信号ωr以及电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb，确定出估计定子磁链信号ψs_α和ψs_β。
电压控制量计算子模块24，用于根据状态估计量zα_1和zβ_1，控制补偿量uα_comp和uβ_comp，以及接收的电流给定信号iα_ref和iβ_ref，确定出当前时刻的电压控制量uα_c和uβ_c。
图2的实施方式中示出了电流控制磁链观测模块20的一种具体结构，由于扩充状态观测子模块21确定出的结果在确定出估计定子磁链信号ψs_α和ψs_β时以及确定出电压控制量uα_c和uβ_c时均需要使用，也即实现了计算数据的复用，因此进一步地降低了计算的复杂度，进而也就降低了芯片的计算负担。
具体的，扩充状态观测子模块21可以将电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb作为状态变量建立***状态方程，而在具体实施时，考虑到下式的电压方程可以不依赖于直轴电感参数Ld，并且α轴以及β轴相互解耦，因此可以基于该电压方程进行***状态方程的确定。电压方程可以表示为：
其中的有效磁链的α轴和β轴分量可以表示为：
具体实施时，可以在线性调制区时认为控制量与绕组端电压之间为线性关系，进而确定出的***状态方程可以为：
其中，Rs为定子电阻，Lq为交轴同步电感，ψextα和ψextβ分别为有效磁链的α轴和β轴分量。k为预设逆变器电压增益，例如可以为当然，在其他实施方式中，也可以按照非线性关系进行***状态方程的确定，并不影响本发明的实施。
扩充状态观测子模块21在将电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb作为状态变量建立***状态方程之后，可以将***状态方程中的有效磁链的相关分量作为扩充状态变量，以便基于扩张状态方程进行有效磁链的计算。
例如针对前述实施方式中的状态方程，可以将iα_fdb和iβ_fdb作为状态变量，并将和为作为扩张状态变量，并且将预设逆变器电压增益k设置为则扩充状态观测子模块21便可以基于直流母线电压信号Udc以及电压控制量uα_c_last和uβ_c_last确定出状态估计量zα_1和zβ_1，扩张状态估计量zα_2和zβ_2。
在具体实施时，确定出的状态估计量zα_1和zβ_1，扩张状态估计量zα_2和zβ_2可以满足：
其中，f1和f2均为反馈函数，反馈函数可以为状态估计误差值及其各阶微分的线性组合或非线性组合，也可以是状态估计误差值及其各阶积分的线性组合或非线性组合。
此外，考虑到计算的便捷，在具体时可以使用线性扩张状态观测器，确定出的状态估计量zα_1和zβ_1，以及扩张状态估计量zα_2和zβ_2可以满足如下扩张状态方程：
其中，b1和b2均为反馈系数，例如可以根据零极点配置理论和观测器带宽的概念，将b1和b2具体设计为：式中的ωo为根据观测器带宽调整的可调参数。
扩充状态观测子模块21可以将确定出的扩张状态估计量zα_2和zβ_2发送至定子磁链计算子模块23，定子磁链计算子模块23可以根据扩张状态估计量zα_2和zβ_2，转速信号ωr以及电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb，确定出估计定子磁链信号ψs_α和ψs_β。
在一种具体实施方式中，定子磁链计算子模块23可以具体用于：
根据扩张状态估计量zα_2和zβ_2，确定出扩展磁链微分估计值Dψextα和Dψextβ；
其中，扩展磁链微分估计值Dψextα和Dψextβ满足：Lq为交轴同步电感；
确定出扩展磁链微分估计值Dψextα和Dψextβ之后，便可以根据扩展磁链微分估计值Dψextα和Dψextβ，转速信号ωr，确定出扩展磁链值ψextα和ψextβ；
其中，确定出的扩展磁链值ψextα和ψextβ满足：
之后根据扩展磁链值ψextα和ψextβ，电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb，确定出估计定子磁链信号ψs_α和ψs_β；
其中，估计定子磁链信号ψs_α和ψs_β满足：
电压补偿量计算子模块22可以根据状态估计量zα_1和zβ_1，扩张状态估计量zα_2和zβ_2确定出控制补偿量uα_comp和uβ_comp，以便电压控制量计算子模块24可以接收由电压补偿量计算子模块22输出的控制补偿量uα_comp和uβ_comp。例如一种具体实施方式中，电压补偿量计算子模块22确定出的控制补偿量uα_comp和uβ_comp表示为：
其中的Rs为定子电阻，Lq为交轴同步电感。
电压控制量计算子模块24可以接收由电压补偿量计算子模块22输出的控制补偿量uα_comp和uβ_comp以及状态估计量zα_1和zβ_1，并且接收电流给定信号iα_ref和iβ_ref，进而确定出当前时刻的电压控制量uα_c和uβ_c。
具体的，考虑到线性化的实施例是较为常用的实施例，则电压控制量计算子模块24确定当前时刻的电压控制量uα_c和uβ_c的过程可以具体为：
根据状态估计量zα_1和zβ_1，电流给定信号iα_ref和iβ_ref，计算出虚拟控制信号u'α和u'β；
其中，虚拟控制信号u'α和u'β满足：kp为可调反馈系数，也即图2的实施方式中的控制律方程。
当然，在其他实施方式中，也可以采用非线性实施例，计算出的虚拟控制信号u'α和u'β可以满足：gc为反馈控制率函数，该反馈控制率函数为控制误差(iα_ref-zα_1)和(iβ_ref-zβ_1)及其各阶微分的线性组合或非线性组合的形式，也可以为控制误差(iα_ref-zα_1)和(iβ_ref-zβ_1)及其各阶积分的线性组合或非线性组合的形式。
在通过控制律方程计算出虚拟控制信号u'α和u'β之后，进而可以根据虚拟控制信号u'α和u'β，控制补偿量uα_comp和uβ_comp，确定出电压控制量uα_c和uβ_c；其中，计算出的电压控制量uα_c和uβ_c满足：k为预设逆变器电压增益，例如前述实施方式中预设为计算出的当前时刻的电压控制量uα_c和uβ_c，也就是在下一个计算周期时作为电压控制量uα_c_last和uβ_c_last，进行估计定子磁链信号ψs_α和ψs_β的计算。
由上述实施例可以看出，本发明的方案可以降低设计工作的复杂度和运行计算的复杂度，减少控制算法中需要调试的参数个数，消除了控制***设计过程和控制性能对永磁同步电机直轴同步电感参数的依赖。
相应于上面的***实施例，本发明实施例还提供了一种永磁同步电机的转矩闭环控制方法，下文描述的永磁同步电机的转矩闭环控制方法与上文描述的永磁同步电机的转矩闭环控制***可相互对应参照。
参见图3所示，为本发明中一种永磁同步电机的转矩闭环控制方法的实施流程图，包括以下步骤：
步骤S301：采集永磁同步电机的三相电流iu，iv及iw，并基于Clark变换确定出两相静止坐标系下的电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb。
步骤S302：根据电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb，直流母线电压信号Udc，转速信号ωr以及上一时刻的电压控制量uα_c_last和uβ_c_last，确定出估计定子磁链信号ψs_α和ψs_β。
步骤S303：根据接收的估计定子磁链信号ψs_α和ψs_β，电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb，确定出电磁转矩反馈值Te_fdb。
步骤S304：根据Te_fdb以及预设的转矩给定值Te_ref，确定出给定电流幅值信号iAMP。
步骤S305：根据给定电流幅值信号iAMP，电机的位置信号θ，按照预设的控制策略生成电流给定信号iα_ref和iβ_ref。
步骤S306：结合接收的电流给定信号iα_ref和iβ_ref，确定出当前时刻的电压控制量uα_c和uβ_c。
步骤S307：根据电压控制量uα_c和uβ_c生成相应的脉宽调制信号以进行电机控制。
在本发明的一种具体实施方式中，步骤S302可以包括以下步骤：
步骤一：将电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb作为状态变量建立***状态方程；
步骤二：将***状态方程中的有效磁链的相关分量作为扩充状态变量，并根据直流母线电压信号Udc以及电压控制量uα_c_last和uβ_c_last，确定出状态估计量zα_1和zβ_1，扩张状态估计量zα_2和zβ_2；
步骤三：根据扩张状态估计量zα_2和zβ_2，转速信号ωr以及电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb，确定出估计定子磁链信号ψs_α和ψs_β；
相应的，步骤S306包括以下两个步骤：
第一个步骤：根据状态估计量zα_1和zβ_1，扩张状态估计量zα_2和zβ_2确定出控制补偿量uα_comp和uβ_comp；
第二个步骤：结合状态估计量zα_1和zβ_1，控制补偿量uα_comp和uβ_comp，以及接收的电流给定信号iα_ref和iβ_ref，确定出当前时刻的电压控制量uα_c和uβ_c。
在本发明的一种具体实施方式中，上述步骤一可以具体包括：
根据电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb确定出***状态方程，***状态方程具体为：
其中，Rs为定子电阻，Lq为交轴同步电感，k为预设逆变器电压增益，ψextα和ψextβ分别为有效磁链的α轴和β轴分量；
相应的，步骤二中的将***状态方程中的有效磁链的相关分量作为扩充状态变量，可以包括：
将和为作为扩张状态变量。
在本发明的一种具体实施方式中，上述步骤二中确定出的状态估计量zα_1和zβ_1，扩张状态估计量zα_2和zβ_2满足：
其中，f1和f2均为反馈函数，反馈函数为状态估计误差值及其各阶微分或积分的线性组合或非线性组合的形式。
在本发明的一种具体实施方式中，上述第一个步骤中确定出的控制补偿量uα_comp和uβ_comp为：
其中，Rs为定子电阻，Lq为交轴同步电感。
在本发明的一种具体实施方式中，步骤S306可以具体包括：
根据状态估计量zα_1和zβ_1，接收的电流给定信号iα_ref和iβ_ref，计算出虚拟控制信号u'α和u'β；
其中，虚拟控制信号u'α和u'β满足：gc为反馈控制率函数，反馈控制率函数为控制误差(iα_ref-zα_1)和(iβ_ref-zβ_1)及其各阶微分或积分的线性组合或非线性组合的形式；
根据虚拟控制信号u'α和u'β，控制补偿量uα_comp和uβ_comp，确定出电压控制量uα_c和uβ_c；
其中，计算出的电压控制量uα_c和uβ_c满足：k为预设逆变器电压增益。
在本发明的一种具体实施方式中，上述步骤三可以具体包括：
根据扩张状态估计量zα_2和zβ_2，确定出扩展磁链微分估计值Dψextα和Dψextβ；
其中，扩展磁链微分估计值Dψextα和Dψextβ满足：Lq为交轴同步电感；
根据扩展磁链微分估计值Dψextα和Dψextβ，转速信号ωr，确定出扩展磁链值ψextα和ψextβ；
其中，扩展磁链值ψextα和ψextβ满足：
根据扩展磁链值ψextα和ψextβ，电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb，确定出估计定子磁链信号ψs_α和ψs_β；
其中，估计定子磁链信号ψs_α和ψs_β满足：
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的***相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见***部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的技术方案及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种永磁同步电机的转矩闭环控制***，其特征在于，包括：
电流获取模块，用于采集永磁同步电机的三相电流iu，iv及iw，并基于Clark变换确定出两相静止坐标系下的电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb；
电流控制磁链观测模块，用于根据所述电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb，直流母线电压信号Udc，转速信号ωr以及上一时刻的电压控制量uα_c_last和uβ_c_last，确定出估计定子磁链信号ψs_α和ψs_β，并结合接收的电流给定信号iα_ref和iβ_ref，确定出当前时刻的电压控制量uα_c和uβ_c；
转矩估算模块，用于根据接收的所述估计定子磁链信号ψs_α和ψs_β，所述电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb，确定出电磁转矩反馈值Te_fdb；
转矩控制器，用于根据所述电磁转矩反馈值Te_fdb以及预设的转矩给定值Te_ref，确定出给定电流幅值信号iAMP；
电流给定生成器，用于根据所述给定电流幅值信号iAMP，电机的位置信号θ，按照预设的控制策略生成所述电流给定信号iα_ref和iβ_ref；
脉宽调制模块，用于根据所述电流控制磁链观测模块确定出的当前时刻的所述电压控制量uα_c和uβ_c生成相应的脉宽调制信号以进行电机控制。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机的转矩闭环控制***，其特征在于，所述电流控制磁链观测模块，包括：
扩充状态观测子模块，用于将所述电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb作为状态变量建立***状态方程，将所述***状态方程中的有效磁链的相关分量作为扩充状态变量，并根据所述直流母线电压信号Udc以及所述电压控制量uα_c_last和uβ_c_last，确定出状态估计量zα_1和zβ_1，扩张状态估计量zα_2和zβ_2；
电压补偿量计算子模块，用于根据所述状态估计量zα_1和zβ_1，所述扩张状态估计量zα_2和zβ_2确定出控制补偿量uα_comp和uβ_comp；
定子磁链计算子模块，用于根据所述扩张状态估计量zα_2和zβ_2，所述转速信号ωr以及所述电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb，确定出所述估计定子磁链信号ψs_α和ψs_β；
电压控制量计算子模块，用于根据所述状态估计量zα_1和zβ_1，所述控制补偿量uα_comp和uβ_comp，以及接收的电流给定信号iα_ref和iβ_ref，确定出当前时刻的电压控制量uα_c和uβ_c。
3.根据权利要求2所述的永磁同步电机的转矩闭环控制***，其特征在于，所述***状态方程为：
其中，所述Rs为定子电阻，所述Lq为交轴同步电感，所述k为预设逆变器电压增益，所述ψextα和所述ψextβ分别为有效磁链的α轴和β轴分量；
所述iα_fdb和iβ_fdb作为所述状态变量，和为作为所述扩张状态变量。
4.根据权利要求3所述的永磁同步电机的转矩闭环控制***，其特征在于，确定出的所述状态估计量zα_1和zβ_1，所述扩张状态估计量zα_2和zβ_2满足：
其中，所述f1和f2均为反馈函数，所述反馈函数为状态估计误差值及其各阶微分或积分的线性组合或非线性组合的形式。
5.根据权利要求2至4任一项所述的永磁同步电机的转矩闭环控制***，其特征在于，确定出的所述控制补偿量uα_comp和uβ_comp为：
其中，所述Rs为定子电阻，所述Lq为交轴同步电感。
6.根据权利要求5所述的永磁同步电机的转矩闭环控制***，其特征在于，所述电压控制量计算子模块，具体用于：
根据所述状态估计量zα_1和zβ_1，接收的电流给定信号iα_ref和iβ_ref，计算出虚拟控制信号u'α和u'β；
其中，所述虚拟控制信号u'α和u'β满足：所述gc为反馈控制率函数，所述反馈控制率函数为控制误差(iα_ref-zα_1)和(iβ_ref-zβ_1)及其各阶微分或积分的线性组合或非线性组合的形式；
根据所述虚拟控制信号u'α和u'β，所述控制补偿量uα_comp和uβ_comp，确定出所述电压控制量uα_c和uβ_c；
其中，计算出的所述电压控制量uα_c和uβ_c满足：所述k为预设逆变器电压增益。
7.根据权利要求2所述的永磁同步电机的转矩闭环控制***，其特征在于，所述定子磁链计算子模块，具体用于：
根据所述扩张状态估计量zα_2和zβ_2，确定出所述扩展磁链微分估计值Dψextα和Dψextβ；
其中，所述扩展磁链微分估计值Dψextα和Dψextβ满足：所述Lq为交轴同步电感；
根据所述扩展磁链微分估计值Dψextα和Dψextβ，所述转速信号ωr，确定出扩展磁链值ψextα和ψextβ；
其中，所述扩展磁链值ψextα和ψextβ满足：
根据所述扩展磁链值ψextα和ψextβ，所述电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb，确定出所述估计定子磁链信号ψs_α和ψs_β；
其中，所述估计定子磁链信号ψs_α和ψs_β满足：
8.一种永磁同步电机的转矩闭环控制方法，其特征在于，包括：
采集永磁同步电机的三相电流iu，iv及iw，并基于Clark变换确定出两相静止坐标系下的电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb；
根据所述电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb，直流母线电压信号Udc，转速信号ωr以及上一时刻的电压控制量uα_c_last和uβ_c_last，确定出估计定子磁链信号ψs_α和ψs_β；
根据接收的所述估计定子磁链信号ψs_α和ψs_β，所述电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb，确定出电磁转矩反馈值Te_fdb；
根据所述电磁转矩反馈值Te_fdb以及预设的转矩给定值Te_ref，确定出给定电流幅值信号iAMP；
根据所述给定电流幅值信号iAMP，电机的位置信号θ，按照预设的控制策略生成电流给定信号iα_ref和iβ_ref；
结合接收的所述电流给定信号iα_ref和iβ_ref，确定出当前时刻的电压控制量uα_c和uβ_c；
根据所述电压控制量uα_c和uβ_c生成相应的脉宽调制信号以进行电机控制。
9.根据权利要求8所述的永磁同步电机的转矩闭环控制方法，其特征在于，所述根据所述电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb，直流母线电压信号Udc，转速信号ωr以及上一时刻的电压控制量uα_c_last和uβ_c_last，确定出估计定子磁链信号ψs_α和ψs_β，包括：
将所述电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb作为状态变量建立***状态方程；
将所述***状态方程中的有效磁链的相关分量作为扩充状态变量，并根据所述直流母线电压信号Udc以及所述电压控制量uα_c_last和uβ_c_last，确定出状态估计量zα_1和zβ_1，扩张状态估计量zα_2和zβ_2；
根据所述扩张状态估计量zα_2和zβ_2，所述转速信号ωr以及所述电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb，确定出所述估计定子磁链信号ψs_α和ψs_β；
结合接收的所述电流给定信号iα_ref和iβ_ref，确定出当前时刻的电压控制量uα_c和uβ_c，包括：
根据所述状态估计量zα_1和zβ_1，所述扩张状态估计量zα_2和zβ_2确定出控制补偿量uα_comp和uβ_comp；
结合所述状态估计量zα_1和zβ_1，所述控制补偿量uα_comp和uβ_comp，以及接收的电流给定信号iα_ref和iβ_ref，确定出当前时刻的电压控制量uα_c和uβ_c。
10.根据权利要求9所述的永磁同步电机的转矩闭环控制方法，其特征在于，所述将所述电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb作为状态变量建立***状态方程，包括：
将所述电流反馈信号iα_fdb和iβ_fdb作为状态变量建立***状态方程，所述***状态方程具体为：
其中，所述Rs为定子电阻，所述Lq为交轴同步电感，所述k为预设逆变器电压增益，所述ψextα和所述ψextβ分别为有效磁链的α轴和β轴分量；
将所述***状态方程中的有效磁链的相关分量作为扩充状态变量，包括：
将和为作为扩张状态变量。
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