CN110401394A - 一种电机控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电机控制装置及方法，通过逆变器对电机进行控制，装置包括：变磁通控制模块，根据逆变器直流侧的输入功率P_inv对定子磁链给定值进行以节能为目标的搜索并输出，以控制电机运行在最优励磁状态；间接定子量控制模块，根据当前转矩给定值T^*和实际转矩反馈值T进行转差频率闭环控制，并根据定子磁链给定值和定子磁链实际值ψ_μ进行磁链幅值闭环控制，计算出当前控制周期与上一控制周期的定子磁链空间矢量增量然后根据此增量计算当前控制周期的定子电压给定值本发明能够解决现有电机控制装置及方法受电机本体参数变化影响，难以检测和校准电机真实损耗，效率控制结果不佳的技术问题。

Description

一种电机控制装置及方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，尤其是涉及一种交流电机的节能控制装置及方法。

背景技术

目前，交流电机控制技术方法主要包括开环V/F标量控制和闭环控制，其中闭环控制主要分为按转子磁场定向控制、按定子磁场定向控制两大类。间接定子量控制(ISC)是一种定子磁场定向控制方法，它通过计算定子磁链的幅值增量和相位增量来决定指令空间电压矢量，再通过空间电压矢量调制输出来控制逆变器。该方法不但可保证磁链轨迹为圆形，同时对转矩可进行稳态和动态调节，具有优异的静、动态性能。

然而对于使用逆变器驱动的交流电机传动***，传统的电机调速技术和控制方法忽略了电机本体的高效节能运行而只是重视算法的简单和动态响应的快速性，往往采用额定恒磁通控制，传统的电机设计方法和设计理论也主要是针对于额定运行点的高效率，较少考虑或不能兼顾变频器驱动时的节能问题。

事实上，逆变器驱动***的损耗包括了变频器损耗和电机损耗，效率优化目标是使电机传动***效率最优。经研究发现，变频器损耗占电机***总损耗比例较小，电机传动***节能一般以电机本体效率优化控制为主。传统的电机效率优化控制主要基于电机的损耗模型。理论上损耗最小时，效率最高。然而，电机损耗模型受电机本体参数变化的影响，真实的电机损耗难以检测和校准，其效率控制结果往往不尽如人意。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电机控制装置及方法，以解决现有电机控制装置及方法受电机本体参数变化影响，难以检测和校准电机真实损耗，效率控制结果不佳的技术问题。

为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种电机控制装置的技术实现方案，一种电机控制装置，通过逆变器对电机进行控制，包括：

变磁通控制模块，根据所述逆变器直流侧的输入功率P_inv对定子磁链给定值进行以节能为目标的搜索并输出，以控制所述电机运行在最优励磁状态；

间接定子量控制模块，根据当前转矩给定值T^*和实际转矩反馈值T进行转差频率闭环控制，并根据定子磁链给定值和定子磁链实际值ψ_μ进行磁链幅值闭环控制，计算出当前控制周期与上一控制周期的定子磁链空间矢量增量然后根据此增量计算当前控制周期的定子电压给定值

优选的，所述间接定子量控制模块包括转差频率控制单元、磁链幅值控制单元、定子磁链空间矢量增量计算单元、电机定子给定电压矢量计算单元和SVPWM单元。所述转差频率控制单元根据给定转差值和实际转差值ω_sl进行转差频率PI控制得出动态位角增量Δx_uDyn，R_r为转子电阻，T^*为当前转矩给定值，T为实际转矩反馈值，p为极对数，|ψ_r|为转子磁链实际幅值。所述磁链幅值控制单元根据定子磁链给定值和定子磁链实际值ψ_μ进行磁链幅值P控制得出定子磁链幅值系数k_ψ。所述定子磁链空间矢量增量计算单元根据动态位角增量Δx_uDyn和定子磁链幅值系数k_ψ得出当前控制周期与上一控制周期的定子磁链空间矢量增量所述电机定子给定电压矢量计算单元根据定子磁链空间矢量增量得出当前控制周期的定子电压给定值所述SVPWM单元根据定子电压给定值进行SVPWM调制输出用于控制所述逆变器的开关动作信号S_abc，从而实现对所述电机的转矩控制。

优选的，所述定子磁链空间矢量增量计算单元根据以下公式计算当前控制周期与上一控制周期的定子磁链空间矢量增量

其中，和分别为第k和k-1时刻的定子磁链空间矢量，k和k-1时刻之间相差一个控制周期t_p，Δx_u为定子磁链空间矢量从k-1到第k时刻的位角增量，为定子磁链空间矢量一个控制周期的增量，即和的差值，k_ψ(k)为定子磁链空间矢量从第k-1到k时刻的幅值增量。

优选的，所述定子磁链空间矢量在一个控制周期内的位角增量Δx_u根据以下公式进行计算：

Δx_u＝Δx_uDyn+Δx_uStat

Δx_uStat＝(w_m+ω^* _sl)·t_p

式中，

其中，Δx_uDyn为动态位角增量，Δx_uStat为稳态位角增量，动态位角增量Δx_uDyn由所述转差频率控制单元进行转差频率PI控制调节得到。w_m为转子角速度反馈值，为给定转差值，ω_sl为实际转差值，R_r为转子电阻，T为实际转矩反馈值，p为极对数，|ψ_r|为转子磁链实际幅值，ψ_μα为定子磁链α分量，ψ_μβ为定子磁链β分量，i_sα为定子电流α分量，i_sβ为定子电流β分量。

优选的，所述转差频率控制单元根据以下公式进行转差频率PI控制得出动态位角增量Δx_uDyn：

其中，K_p和K_i分别为转差频率控制单元的转差闭环比例放大系数和积分系数，为给定转差值，ω_sl为实际转差值。

优选的，所述定子给定电压矢量计算单元根据以下公式计算当前控制周期的定子电压给定值

其中，R_s为定子电阻，为当前控制周期的电机电流给定值，t_p为控制周期，也即逆变器的器件开通关断周期。

优选的，所述变磁通控制模块包括功率计算单元和定子磁链指令寻优计算单元，所述功率计算单元计算逆变器直流侧的输入功率P_inv，所述定子磁链指令寻优计算单元以逆变器直流侧的输入功率P_inv为最小目标函数对最优定子磁链给定值ψ_μOpt进行搜索寻优，通过比较定子磁链给定值调节量和输入功率变化量ΔP_inv，寻找输入功率变化量ΔP_inv为一给定的较小值时所对应的定子磁链给定值

优选的，所述功率计算单元根据采样得到的直流侧电流i_d和电压U_d，对所述逆变器的输入功率P_inv＝U_d·i_d进行计算，所述定子磁链指令寻优计算单元采用梯度下降算法对最优定子磁链给定值ψ_μOpt进行搜索；所述定子磁链指令寻优计算单元设置搜索初始值为：

其中，为电机额定频率为ω_s0时的定子磁链值；

所述定子磁链指令寻优计算单元按照电机稳态运行时输入功率P_inv和定子磁链实际值ψ_μ的关系曲线，沿该关系曲线的负梯度方向设置一定的离散小步长，逐渐改变定子磁链给定值的大小，并根据前后两次输入功率的变化ΔP_inv确定定子磁链给定值变化的幅值和方向；

当ΔP_inv＜0时，减小定子磁链给定值当ΔP_inv＞0时，加大定子磁链给定值当|ΔP_inv|小于一定幅值时，停止搜索，保持不变；其迭代公式如下：

ΔP_inv(k)＝P_inv(k)-P_inv(k-1)

式中，ε为一小正数，K₁，K₂均为正梯度下降系数，ε、K₁和K₂根据电机额定功率和效率确定。

优选的，所述磁链幅值控制单元根据以下公式进行磁链幅值P控制得出定子磁链幅值系数k_ψ：

其中，K_ψ为磁链幅值控制单元的磁链幅值闭环比例放大系数，k_ψ为定子磁链幅值系数，|ψ_μ|为定子磁链反馈幅值。

本发明还另外具体提供了一种电机控制方法的技术实现方案，一种电机控制方法，包括以下过程：

S100)变磁通控制过程：根据逆变器直流侧的输入功率P_inv对定子磁链给定值进行以节能为目标的搜索输出，以控制电机运行在最优励磁状态；

S200)间接定子量控制过程：根据当前转矩给定值T^*和实际转矩反馈值T进行转差频率闭环控制，并根据定子磁链给定值和定子磁链实际值|ψ_μ|进行磁链幅值闭环控制，计算出当前控制周期与上一控制周期的定子磁链空间矢量增量然后根据此增量计算当前控制周期的定子电压给定值

优选的，所述过程S200)进一步包括以下步骤：

S201)根据给定转差值和实际转差值ω_sl进行转差频率PI控制得出动态位角增量Δx_uDyn，R_r为转子电阻，T为实际转矩反馈值，p为极对数，|ψ_r|为转子磁链幅值；

S202)根据定子磁链给定值和定子磁链实际值ψ_μ进行磁链幅值P控制得出定子磁链幅值系数k_ψ；

S203)根据动态位角增量Δx_uDyn和定子磁链幅值系数k_ψ得出当前控制周期与上一控制周期的定子磁链空间矢量增量

S204)根据定子磁链空间矢量增量得出当前控制周期的定子电压给定值

S205)根据定子电压给定值进行SVPWM调制输出用于控制所述逆变器的开关动作信号S_abc，从而实现对所述电机的转矩控制。

优选的，在所述步骤S203)中，进一步根据以下公式计算当前控制周期与上一控制周期的定子磁链空间矢量增量

其中，和分别为第k和k-1时刻的定子磁链空间矢量，k和k-1时刻之间相差一个控制周期t_p，Δx_u为定子磁链空间矢量从k-1到第k时刻的位角增量，为定子磁链空间矢量一个控制周期的增量，即和的差值，k_ψ(k)为定子磁链空间矢量从第k-1到k时刻的幅值增量。

优选的，在所述步骤S203)中，所述定子磁链空间矢量在一个控制周期内的位角增量Δx_u根据以下公式进行计算：

Δx_u＝Δx_uDyn+Δx_uStat

Δx_uStat＝(w_m+ω^* _sl)·t_p

式中，

其中，Δx_uDyn为动态位角增量，Δx_uStat为稳态位角增量，动态位角增量Δx_uDyn由转差频率PI控制调节得到，w_m为转子角速度反馈值，为给定转差值，ω_sl为实际转差值，R_r为转子电阻，T为实际转矩反馈值，p为极对数，|ψ_r|为转子磁链实际幅值，ψ_μα为定子磁链α分量，ψ_μβ为定子磁链β分量，i_sα为定子电流α分量，i_sβ为定子电流β分量。

优选的，在所述步骤S201)中，进一步根据以下公式进行转差频率PI控制得出动态位角增量Δx_uDyn：

其中，K_p和K_i分别为转差频率控制闭环的比例放大系数和积分系数，为给定转差值，ω_sl为实际转差值。

优选的，在所述步骤S204)中，进一步根据以下公式计算当前控制周期的定子电压给定值

其中，R_s为定子电阻，为当前控制周期的电机电流给定值，t_p为控制周期，也即逆变器的器件开通关断周期。

优选的，所述过程S100)进一步包括以下步骤：

S101)计算所述逆变器直流侧的输入功率P_inv；

S102)以逆变器直流侧的输入功率P_inv为最小目标函数对最优定子磁链给定值ψ_μOpt进行搜索寻优，通过比较定子磁链给定值调节量和输入功率变化量ΔP_inv，寻找输入功率变化量ΔP_inv为一给定的较小值时所对应的定子磁链给定值

优选的，在所述步骤S101)中，根据采样得到的直流侧电流i_d和电压U_d，对所述逆变器的输入功率P_inv＝U_d·i_d进行计算。在所述步骤S102)中，采用梯度下降算法对最优定子磁链给定值ψ_μOpt进行搜索，该算法包括以下步骤：

设置搜索初始值为：

其中，为电机额定频率为ω_s0时的定子磁链值；

按照电机稳态运行时输入功率P_inv和定子磁链实际值ψ_μ的关系曲线，沿该关系曲线的负梯度方向设置一定的离散小步长，逐渐改变定子磁链给定值的大小，并根据前后两次输入功率的变化ΔP_inv确定定子磁链给定值变化的幅值和方向；

当ΔP_inv＜0时，减小定子磁链给定值当ΔP_inv＞0时，加大定子磁链给定值当|ΔP_inv|小于一定幅值时，停止搜索，保持不变；其迭代公式如下：

ΔP_inv(k)＝P_inv(k)-P_inv(k-1)

式中，ε为一小正数，K₁，K₂均为正梯度下降系数，ε、K₁和K₂根据电机额定功率和效率确定。

优选的，在所述步骤S202)中，进一步根据以下公式进行磁链幅值P控制得出定子磁链幅值系数k_ψ：

其中，K_ψ为磁链幅值控制闭环的比例放大系数，k_ψ为定子磁链幅值系数，为定子磁链给定幅值，|ψ_μ|为定子磁链反馈幅值。

通过实施上述本发明提供的电机控制装置及方法的技术方案，具有如下有益效果：

(1)本发明采用基于ISC的高性能电机闭环控制，不受电机本体参数变化影响，能够检测和校准电机真实损耗，具有良好的动、静态性能，效率控制结果较佳；

(2)本发明采用以逆变器驱动的交流电机传动***节能优化的变磁通电机控制，避免了复杂的电机损耗模型参数计算，实现了逆变器-电机运行效率的共同优化；

(3)本发明采用节能优化搜索算法实现了最优定子磁链给定值搜索，以控制电机运行在最优励磁状态，具有在线、实时搜索优化的特点，对电机参数不敏感，具有很高的鲁棒性。

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的介绍。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它的实施例。

图1是本发明所应用的电机控制***的结构原理图；

图2是本发明电机控制装置一种具体实施例的***结构框图；

图3是本发明电机控制方法一种具体实施例间接定子量控制过程中定子磁链轨迹及其增量的矢量示意图；

图4是利用本发明电机控制方法后，电机稳态运行时，电机输入功率和定子磁链大小的关系示意图；

图中：1-电机控制装置，2-逆变器，3-中间直流环节，4-电机，10-间接定子量控制模块，11-转差频率控制单元，12-磁链幅值控制单元，13-定子磁链空间矢量增量计算单元，14-定子给定电压矢量计算单元，15-SVPWM单元，20-变磁通控制模块，21-功率计算单元，22-定子磁链指令寻优计算单元。

具体实施方式

为了引用和清楚起见，将下文中使用的技术名词、简写或缩写记载如下：

ISC：Indirect Stator-Quantities Control：间接定子量控制的简称；

SVPWM：Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉宽调制的简称；

PI控制：Proportion Integration，比例积分控制的简称；

P控制：Proportion，比例控制的简称。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如附图1至附图4所示，给出了本发明电机控制装置及方法的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如附图1和附图2所示，一种电机控制装置的实施例，通过逆变器2对电机4进行控制，具体包括：

变磁通控制模块20，根据逆变器2直流侧的输入功率P_inv对定子磁链给定值进行以节能为目标的搜索并输出，以控制电机4运行在最优励磁状态；

间接定子量控制模块10，根据当前转矩给定值T^*和实际转矩反馈值T进行转差频率闭环控制，并根据定子磁链给定值和定子磁链实际值ψ_μ进行磁链幅值闭环控制，计算出当前控制周期与上一控制周期定子磁链空间矢量的差值(即定子磁链空间矢量增量)，然后根据此差值计算当前控制周期的定子电压给定值(平均值)

如附图2所示，间接定子量控制模块10进一步包括转差频率控制单元11、磁链幅值控制单元12、定子磁链空间矢量增量计算单元13、电机定子给定电压矢量计算单元14和SVPWM单元15。转差频率控制单元11根据给定转差值和实际转差值ω_sl进行转差频率PI控制得出动态位角增量Δx_uDyn，R_r为转子电阻，T^*为当前转矩给定值，T为实际转矩反馈值，p为极对数，|ψ_r|为转子磁链实际幅值。磁链幅值控制单元12根据定子磁链给定值和定子磁链实际值ψ_μ进行磁链幅值P控制得出定子磁链幅值系数k_ψ。定子磁链空间矢量增量计算单元13根据动态位角增量Δx_uDyn和定子磁链幅值系数k_ψ得出当前控制周期与上一控制周期的定子磁链空间矢量增量电机定子给定电压矢量计算单元14根据定子磁链空间矢量增量得出当前控制周期的定子电压给定值SVPWM单元15根据定子电压给定值进行SVPWM调制输出用于控制逆变器2的开关动作信号S_abc，从而实现对(异步)电机4的转矩控制。

如附图3所示，为静止两相坐标系(αβ坐标系)中定子磁链轨迹及定子磁链空间矢量在一个控制周期的增量示意图。图中，和分别为第k和k-1时刻的定子磁链空间矢量，k和k-1时刻之间相差一个控制周期t_p，Δx_u为定子磁链空间矢量从k-1到第k时刻的位角增量，为定子磁链空间矢量一个控制周期的增量，即和的差值。如果k_ψ(k)代表定子磁链空间矢量从第k-1到k时刻的幅值增量，则第k时刻的定子磁链空间矢量为：

定子磁链空间矢量增量计算单元13进一步根据以下公式计算当前控制周期与上一控制周期的定子磁链空间矢量增量

当控制周期t_p远小于定子周期时，可认为第k个控制周期终止时需要输出的电压矢量等于当前控制周期的定子电压平均值，根据电机定子方程得可得到给定电压矢量(定子电压给定值)为：

由式(3)计算出给定电压矢量后，根据SVPWM调制输出至逆变器2的三相开关状态信号S_abc。

上述式(2)中定子磁链空间矢量(即第k时刻的)在一个控制周期的位角增量Δx_u由动态位角增量Δx_uDyn和稳态位角增量Δx_uStat组成，其中动态位角增量Δx_uDyn由转差频率PI控制调节得到。

定子磁链空间矢量在一个控制周期内的位角增量Δx_u进一步根据以下公式进行计算：

Δx_u＝Δx_uDyn+Δx_uStat

Δx_uStat＝(w_m+ω^* _sl)·t_p

式中，

其中，Δx_uDyn为动态位角增量，Δx_uStat为稳态位角增量，动态位角增量Δx_uDyn由转差频率控制单元11进行转差频率PI控制调节得到。w_m为转子角速度反馈值，为给定转差值，ω_sl为实际转差值，R_r为转子电阻，T为实际转矩反馈值，p为电机极对数，|ψ_r|为转子磁链实际幅值，ψ_μα为定子磁链α分量，ψ_μβ为定子磁链β分量，i_sα为定子电流α分量，i_sβ为定子电流β分量。

定子磁链实际值和转子磁链实际值由以下电机公式方程得到：

式中，为定子磁链空间矢量，为转子磁链空间矢量，L_r为转子电感，L_m为定转子互感，L_s为定子电感，为定子电压，为定子电流，R_s为定子电阻。

转差频率控制单元11进一步根据以下公式进行转差频率PI控制得出动态位角增量Δx_uDyn：

其中，K_p和K_i分别为转差频率控制单元11的转差闭环比例放大系数和积分系数，为给定转差值，ω_sl为实际转差值。

定子给定电压矢量计算单元14进一步根据以下公式计算当前控制周期的定子电压给定值

其中，R_s为定子电阻，为当前控制周期的电机电流给定值，t_p为控制周期，也即逆变器2的器件开通关断周期。

传统的电机控制方法，如矢量控制或间接定子量控制方法都采取了恒磁通控制方法，而没有考虑电机运行的负载工况，无法保证电机的高效、节能运行。如附图4所示，为电机稳态运行(一定转速，负载扭矩)下，不同励磁电流和电机输入功率之间的关系：

从附图4中可知，定子磁链幅值与一定输出转矩和转速下的输入功率P_inv之间存在函数关系，这种函数关系具有连续非线性且难于用解析表达式描述，但这种关系具有一种明显的凹函数关系，即在定子磁链最小允许值ψ_μMin(保证电机稳定允许的极小值)和额定定子磁链值ψ_μN之间存在一个最优定子磁链值ψ_μOpt，使电机运行效率最高。因此，可对定子给定磁链指令值进行以节能为目标导向的搜索，控制电机运行在最优励磁状态，从而使电机效率最高。

变磁通控制模块20进一步包括功率计算单元21和定子磁链指令寻优计算单元22，功率计算单元21计算逆变器2直流侧的输入功率P_inv。定子磁链指令寻优计算单元22以逆变器2直流侧的输入功率P_inv为最小目标函数对最优定子磁链给定值ψ_μOpt进行搜索寻优，通过比较定子磁链给定值调节量和输入功率变化量ΔP_inv，寻找输入功率变化量ΔP_inv为一给定的较小值时所对应的定子磁链给定值

功率计算单元21根据采样得到的直流侧电流i_d和电压U_d，对逆变器2的输入功率P_inv＝U_d·i_d进行计算，定子磁链指令寻优计算单元22采用梯度下降算法对最优定子磁链给定值ψ_μOpt进行寻优搜索。具体算法如下：

定子磁链指令寻优计算单元22设置搜索初始值为：

其中，为电机额定频率为ω_s0时的定子磁链值。

定子磁链指令寻优计算单元22按照电机4稳态运行时输入功率P_inv和定子磁链实际值ψ_μ的关系曲线，沿该关系曲线的负梯度方向设置一定的离散小步长，逐渐改变定子磁链给定值的大小，并根据前后两次输入功率的变化ΔP_inv确定定子磁链给定值变化的幅值和方向。

当ΔP_inv＜0时，减小定子磁链给定值当ΔP_inv＞0时，加大定子磁链给定值当|ΔP_inv|小于一定幅值时，停止搜索，保持不变。其迭代公式如下：

ΔP_inv(k)＝P_inv(k)-P_inv(k-1)

式中，ε为一小正数，K₁，K₂均为正梯度下降系数，ε、K₁和K₂根据电机额定功率和效率确定。

磁链幅值控制单元12进一步根据以下公式进行磁链幅值P控制得出定子磁链幅值系数k_ψ：

其中，K_ψ为磁链幅值控制单元12的磁链幅值闭环比例放大系数，k_ψ为定子磁链幅值系数，为定子磁链给定幅值，|ψ_μ|为定子磁链反馈幅值。

实施例2

一种电机控制方法的实施例，具体包括以下过程：

S100)变磁通控制过程：根据逆变器2直流侧的输入功率P_inv对定子磁链给定值进行以节能为目标的搜索并输出，以控制电机4运行在最优励磁状态；

S200)间接定子量控制过程：根据当前转矩给定值T^*和实际转矩反馈值T进行转差频率闭环控制，并根据定子磁链给定值和定子磁链实际值ψ_μ进行磁链幅值闭环控制，计算出当前控制周期与上一控制周期的定子磁链空间矢量增量然后根据此增量计算当前控制周期的定子电压给定值

过程S200)进一步包括以下步骤：

S201)根据给定转差值和实际转差值ω_sl进行转差频率PI控制得出动态位角增量Δx_uDyn，R_r为转子电阻，T^*为当前转矩给定值，T为实际转矩反馈值，p为极对数，|ψ_r|为转子磁链实际幅值；

S202)根据定子磁链给定值和定子磁链实际值ψ_μ进行磁链幅值P控制得出定子磁链幅值系数k_ψ；

S203)根据动态位角增量Δx_uDyn和定子磁链幅值系数k_ψ得出当前控制周期与上一控制周期的定子磁链空间矢量增量

S204)根据定子磁链空间矢量增量得出当前控制周期的定子电压给定值

S205)根据定子电压给定值进行SVPWM调制输出用于控制逆变器2的开关动作信号S_abc，从而实现对电机4的转矩控制。

在步骤S203)中，进一步根据以下公式计算当前控制周期与上一控制周期的定子磁链空间矢量增量

其中，和分别为第k和k-1时刻的定子磁链空间矢量，k和k-1时刻之间相差一个控制周期t_p，Δx_u为定子磁链空间矢量从k-1到第k时刻的位角增量，为定子磁链空间矢量一个控制周期的增量，即和的差值，k_ψ(k)为定子磁链空间矢量从第k-1到k时刻的幅值增量。

在步骤S203)中，定子磁链空间矢量在一个控制周期内的位角增量Δx_u根据以下公式进行计算：

Δx_u＝Δx_uDyn+Δx_uStat

Δx_uStat＝(w_m+ω^* _sl)·t_p

式中，

其中，Δx_uDyn为动态位角增量，Δx_uStat为稳态位角增量，动态位角增量Δx_uDyn由转差频率PI控制调节得到，w_m为转子角速度反馈值，为给定转差值，ω_sl为实际转差值，R_r为转子电阻，T为实际转矩反馈值，p为电机极对数，|ψ_r|为转子磁链实际幅值，ψ_μα为定子磁链α分量，ψ_μβ为定子磁链β分量，i_sα为定子电流α分量，i_sβ为定子电流β分量。

在步骤S201)中，进一步根据以下公式进行转差频率PI控制得出动态位角增量Δx_uDyn：

其中，K_p和K_i分别为转差频率控制闭环的比例放大系数和积分系数，为给定转差值，ω_sl为实际转差值。

在步骤S204)中，进一步根据以下公式计算当前控制周期的定子电压给定值

其中，R_s为定子电阻，为当前控制周期的电机电流给定值，t_p为控制周期，也即逆变器2的器件开通关断周期。

过程S100)进一步包括以下步骤：

S101)计算逆变器2直流侧的输入功率P_inv(即P_inv(k))；

S102)以逆变器2直流侧的输入功率P_inv为最小目标函数对最优定子磁链给定值ψ_μOpt进行搜索寻优，通过比较定子磁链给定值(即)调节量和输入功率变化量ΔP_inv，寻找输入功率变化量ΔP_inv(即ΔP_inv(k))为一给定的较小值时所对应的定子磁链给定值

在步骤S101)中，根据采样得到的直流侧电流i_d和电压U_d，对逆变器2的输入功率P_inv＝U_d·i_d进行计算。在步骤S102)中，采用梯度下降算法对最优定子磁链给定值ψ_μOpt进行搜索，该算法包括以下步骤：

设置搜索初始值为：

其中，为电机额定频率为ω_s0时的定子磁链值。

按照电机4稳态运行时输入功率P_inv和定子磁链实际值ψ_μ的关系曲线，沿该关系曲线的负梯度方向设置一定的离散小步长，逐渐改变定子磁链给定值的大小，并根据前后两次输入功率的变化ΔP_inv确定定子磁链给定值变化的幅值和方向。

当ΔP_inv＜0时，减小定子磁链给定值当ΔP_inv＞0时，加大定子磁链给定值当|ΔP_inv|小于一定幅值时，停止搜索，保持不变。其迭代公式如下：

ΔP_inv(k)＝P_inv(k)-P_inv(k-1)

式中，ε为一小正数，K₁，K₂均为正梯度下降系数，ε、K₁和K₂根据电机额定功率和效率确定。

在步骤S202)中，进一步根据以下公式进行磁链幅值P控制得出定子磁链幅值系数k_ψ：

其中，K_ψ为磁链幅值控制闭环的比例放大系数，k_ψ为定子磁链幅值系数，为定子磁链给定幅值，|ψ_μ|为定子磁链反馈幅值。

本发明具体实施例描述的一种电机控制***及方法，采用了基于ISC的电机效率优化变磁通控制技术，通过实施由运行工况决定的额定磁通以下的变磁通控制，实现了交流电机的高效、节能运行目标，同时该***及方法对电机参数变化不敏感。

通过实施本发明具体实施例描述的电机控制装置电机控制装置及方法的技术方案，能够产生如下技术效果：

(1)本发明具体实施例描述的电机控制装置及方法采用基于ISC的高性能电机闭环控制方式，不受电机本体参数变化影响，能够检测和校准电机真实损耗，具有良好的动、静态性能，效率控制结果较佳；

(2)本发明具体实施例描述的电机控制装置及方法采用以逆变器驱动的交流电机传动***节能优化的变磁通电机控制方式，避免了复杂的电机损耗模型参数计算，实现了逆变器-电机运行效率的共同优化；

(3)本发明具体实施例描述的电机控制装置及方法采用节能优化搜索算法实现了最优定子磁链给定值搜索，以控制电机运行在最优励磁状态，具有在线、实时搜索优化的特点，对电机参数不敏感，具有很高的鲁棒性。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相似部分互相参见即可。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (18)

1.一种电机控制装置，通过逆变器(2)对电机(4)进行控制，其特征在于，包括：

变磁通控制模块(20)，根据所述逆变器(2)直流侧的输入功率P_inv对定子磁链给定值进行以节能为目标的搜索并输出，以控制所述电机(4)运行在最优励磁状态；

间接定子量控制模块(10)，根据当前转矩给定值T^*和实际转矩反馈值T进行转差频率闭环控制，并根据定子磁链给定值和定子磁链实际值ψ_μ进行磁链幅值闭环控制，计算出当前控制周期与上一控制周期的定子磁链空间矢量增量然后根据此增量计算当前控制周期的定子电压给定值

2.根据权利要求1所述的电机控制装置，其特征在于：所述间接定子量控制模块(10)包括转差频率控制单元(11)、磁链幅值控制单元(12)、定子磁链空间矢量增量计算单元(13)、电机定子给定电压矢量计算单元(14)和SVPWM单元(15)；所述转差频率控制单元(11)根据给定转差值和实际转差值ω_sl进行转差频率PI控制得出动态位角增量Δx_uDyn，R_r为转子电阻，T^*为当前转矩给定值，T为实际转矩反馈值，p为极对数，|ψ_r|为转子磁链实际幅值；所述磁链幅值控制单元(12)根据定子磁链给定值和定子磁链实际值ψ_μ进行磁链幅值P控制得出定子磁链幅值系数k_ψ；所述定子磁链空间矢量增量计算单元(13)根据动态位角增量Δx_uDyn和定子磁链幅值系数k_ψ得出当前控制周期与上一控制周期的定子磁链空间矢量增量所述电机定子给定电压矢量计算单元(14)根据定子磁链空间矢量增量得出当前控制周期的定子电压给定值所述SVPWM单元(15)根据定子电压给定值进行SVPWM调制输出用于控制所述逆变器(2)的开关动作信号S_abc，从而实现对所述电机(4)的转矩控制。

3.根据权利要求2所述的电机控制装置，其特征在于，所述定子磁链空间矢量增量计算单元(13)根据以下公式计算当前控制周期与上一控制周期的定子磁链空间矢量增量

其中，和分别为第k和k-1时刻的定子磁链空间矢量，k和k-1时刻之间相差一个控制周期t_p，Δx_u为定子磁链空间矢量从k-1到第k时刻的位角增量，为定子磁链空间矢量一个控制周期的增量，即和的差值，k_ψ(k)为定子磁链空间矢量从第k-1到k时刻的幅值增量。

4.根据权利要求3所述的电机控制装置，其特征在于，所述定子磁链空间矢量在一个控制周期内的位角增量Δx_u根据以下公式进行计算：

Δx_u＝Δx_uDyn+Δx_uStat

Δx_uStat＝(w_m+ω^* _sl)·t_p

式中，

其中，Δx_uDyn为动态位角增量，Δx_uStat为稳态位角增量，动态位角增量Δx_uDyn由所述转差频率控制单元(11)进行转差频率PI控制调节得到；w_m为转子角速度反馈值，为给定转差值，ω_sl为实际转差值，R_r为转子电阻，T为实际转矩反馈值，p为极对数，|ψ_r|为转子磁链实际幅值，ψ_μα为定子磁链α分量，ψ_μβ为定子磁链β分量，i_sα为定子电流α分量，i_sβ为定子电流β分量。

5.根据权利要求3所述的电机控制装置，其特征在于，所述转差频率控制单元(11)根据以下公式进行转差频率PI控制得出动态位角增量Δx_uDyn：

其中，K_p和K_i分别为转差频率控制单元(11)的转差闭环比例放大系数和积分系数，为给定转差值，ω_sl为实际转差值。

6.根据权利要求5所述的电机控制装置，其特征在于，所述定子给定电压矢量计算单元(14)根据以下公式计算当前控制周期的定子电压给定值

其中，R_s为定子电阻，为当前控制周期的电机电流给定值，t_p为控制周期，也即逆变器(2)的器件开通关断周期。

7.根据权利要求2、3、4、5或6任一项所述的电机控制装置，其特征在于：所述变磁通控制模块(20)包括功率计算单元(21)和定子磁链指令寻优计算单元(22)，所述功率计算单元(21)计算逆变器(2)直流侧的输入功率P_inv，所述定子磁链指令寻优计算单元(22)以逆变器(2)直流侧的输入功率P_inv为最小目标函数对最优定子磁链给定值ψ_μOpt进行搜索寻优，通过比较定子磁链给定值调节量和输入功率变化量ΔP_inv，寻找输入功率变化量ΔP_inv为一给定的较小值时所对应的定子磁链给定值

8.根据权利要求7所述的电机控制装置，其特征在于，所述功率计算单元(21)根据采样得到的直流侧电流i_d和电压U_d，对所述逆变器(2)的输入功率P_inv＝U_d·i_d进行计算，所述定子磁链指令寻优计算单元(22)采用梯度下降算法对最优定子磁链给定值ψ_μOpt进行搜索；所述定子磁链指令寻优计算单元(22)设置搜索初始值为：

其中，为电机额定频率为ω_s0时的定子磁链值；

所述定子磁链指令寻优计算单元(22)按照电机(4)稳态运行时输入功率P_inv和定子磁链实际值ψ_μ的关系曲线，沿该关系曲线的负梯度方向设置一定的离散小步长，逐渐改变定子磁链给定值的大小，并根据前后两次输入功率的变化ΔP_inv确定定子磁链给定值变化的幅值和方向；

当ΔP_inv＜0时，减小定子磁链给定值当ΔP_inv＞0时，加大定子磁链给定值当|ΔP_inv|小于一定幅值时，停止搜索，保持不变；其迭代公式如下：

ΔP_inv(k)＝P_inv(k)-P_inv(k-1)

式中，ε为一小正数，K₁，K₂均为正梯度下降系数，ε、K₁和K₂根据电机额定功率和效率确定。

9.根据权利要求2、3、4、5、6或8任一项所述的电机控制装置，其特征在于，所述磁链幅值控制单元(12)根据以下公式进行磁链幅值P控制得出定子磁链幅值系数k_ψ：

其中，K_ψ为磁链幅值控制单元(12)的磁链幅值闭环比例放大系数，k_ψ为定子磁链幅值系数，为定子磁链给定幅值，|ψ_μ|为定子磁链反馈幅值。

10.一种电机控制方法，其特征在于，包括以下过程：

S100)变磁通控制过程：根据逆变器(2)直流侧的输入功率P_inv对定子磁链给定值进行以节能为目标的搜索并输出，以控制电机(4)运行在最优励磁状态；

S200)间接定子量控制过程：根据当前转矩给定值T^*和实际转矩反馈值T进行转差频率闭环控制，并根据定子磁链给定值和定子磁链实际值ψ_μ进行磁链幅值闭环控制，计算出当前控制周期与上一控制周期的定子磁链空间矢量增量然后根据此增量计算当前控制周期的定子电压给定值

11.根据权利要求10所述的电机控制方法，其特征在于，所述过程S200)进一步包括以下步骤：

S201)根据给定转差值和实际转差值ω_sl进行转差频率PI控制得出动态位角增量Δx_uDyn，R_r为转子电阻，T^*为当前转矩给定值，T为实际转矩反馈值，p为极对数，|ψ_r|为转子磁链实际幅值；

S202)根据定子磁链给定值和定子磁链实际值ψ_μ进行磁链幅值P控制得出定子磁链幅值系数k_ψ；

S203)根据动态位角增量Δx_uDyn和定子磁链幅值系数k_ψ得出当前控制周期与上一控制周期的定子磁链空间矢量增量

S204)根据定子磁链空间矢量增量得出当前控制周期的定子电压给定值

S205)根据定子电压给定值进行SVPWM调制输出用于控制所述逆变器(2)的开关动作信号S_abc，从而实现对所述电机(4)的转矩控制。

12.根据权利要求11所述的电机控制方法，其特征在于，在所述步骤S203)中，进一步根据以下公式计算当前控制周期与上一控制周期的定子磁链空间矢量增量

其中，和分别为第k和k-1时刻的定子磁链空间矢量，k和k-1时刻之间相差一个控制周期t_p，Δx_u为定子磁链空间矢量从k-1到第k时刻的位角增量，为定子磁链空间矢量一个控制周期的增量，即和的差值，k_ψ(k)为定子磁链空间矢量从第k-1到k时刻的幅值增量。

13.根据权利要求12所述的电机控制方法，其特征在于，在所述步骤S203)中，所述定子磁链空间矢量在一个控制周期内的位角增量Δx_u根据以下公式进行计算：

Δx_u＝Δx_uDyn+Δx_uStat

Δx_uStat＝(w_m+ω^* _sl)·t_p

式中，

其中，Δx_uDyn为动态位角增量，Δx_uStat为稳态位角增量，动态位角增量Δx_uDyn由转差频率PI控制调节得到，w_m为转子角速度反馈值，为给定转差值，ω_sl为实际转差值，R_r为转子电阻，T为实际转矩反馈值，p为极对数，|ψ_r|为转子磁链实际幅值，ψ_μα为定子磁链α分量，ψ_μβ为定子磁链β分量，i_sα为定子电流α分量，i_sβ为定子电流β分量。

14.根据权利要求13所述的电机控制方法，其特征在于，在所述步骤S201)中，进一步根据以下公式进行转差频率PI控制得出动态位角增量Δx_uDyn：

其中，K_p和K_i分别为转差频率控制闭环的比例放大系数和积分系数，为给定转差值，ω_sl为实际转差值。

15.根据权利要求14所述的电机控制方法，其特征在于，在所述步骤S204)中，进一步根据以下公式计算当前控制周期的定子电压给定值

其中，R_s为定子电阻，为当前控制周期的电机电流给定值，t_p为控制周期，也即逆变器(2)的器件开通关断周期。

16.根据权利要求10、11、12、13、14或15任一项所述的电机控制方法，其特征在于，所述过程S100)进一步包括以下步骤：

S101)计算所述逆变器(2)直流侧的输入功率P_inv；

S102)以逆变器(2)直流侧的输入功率P_inv为最小目标函数对最优定子磁链给定值ψ_μOpt进行搜索寻优，通过比较定子磁链给定值调节量和输入功率变化量ΔP_inv，寻找输入功率变化量ΔP_inv为一给定的较小值时所对应的定子磁链给定值

17.根据权利要求16所述的电机控制方法，其特征在于，在所述步骤S101)中，根据采样得到的直流侧电流i_d和电压U_d，对所述逆变器(2)的输入功率P_inv＝U_d·i_d进行计算；在所述步骤S102)中，采用梯度下降算法对最优定子磁链给定值ψ_μOpt进行搜索，该算法包括以下步骤：

设置搜索初始值为：

其中，为电机额定频率为ω_s0时的定子磁链值；

按照电机(4)稳态运行时输入功率P_inv和定子磁链实际值ψ_μ的关系曲线，沿该关系曲线的负梯度方向设置一定的离散小步长，逐渐改变定子磁链给定值的大小，并根据前后两次输入功率的变化ΔP_inv确定定子磁链给定值变化的幅值和方向；

当ΔP_inv＜0时，减小定子磁链给定值当ΔP_inv＞0时，加大定子磁链给定值当|ΔP_inv|小于一定幅值时，停止搜索，保持不变；其迭代公式如下：

ΔP_inv(k)＝P_inv(k)-P_inv(k-1)

式中，ε为一小正数，K₁，K₂均为正梯度下降系数，ε、K₁和K₂根据电机额定功率和效率确定。

18.根据权利要求10、11、12、13、14、15或17任一项所述的电机控制方法，其特征在于，在所述步骤S202)中，进一步根据以下公式进行磁链幅值P控制得出定子磁链幅值系数k_ψ：

其中，K_ψ为磁链幅值控制闭环的比例放大系数，k_ψ为定子磁链幅值系数，为定子磁链给定幅值，|ψ_μ|为定子磁链反馈幅值。