阅读说明：本技术 永磁同步电机宽范围调速控制方法、装置、设备及介质 (Wide-range speed regulation control method, device, equipment and medium for permanent magnet synchronous motor ) 是由 章玮 袁心谷 吴新兵 于 2020-06-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种永磁同步电机宽范围调速控制方法、装置、设备及介质,方法包括：获取永磁同步电机d、q轴电流参考值查询表；选择d、q轴电流参考值计算方式；计算拟合数据点元素下标；获取拟合数据值；数据拟合获取d、q轴电流参考值；获取永磁同步电机IO参数矩阵估计律、电压参考差值估计律和电压动态限幅值估计律；获取当前控制周期的IO参数矩阵估计值；获取当前控制周期的d、q轴电压参考差值；获取当前控制周期的d、q轴动态电压限幅值；计算当前控制周期的d、q轴电压参考值；对d、q轴电压参考值进行动态限幅；控制永磁同步电机。该方法具有鲁棒性强、电流工作点连续、电流响应速度快、跟踪精度高、数据存储量小等优点。(The invention discloses a method, a device, equipment and a medium for controlling the wide-range speed regulation of a permanent magnet synchronous motor, wherein the method comprises the following steps: acquiring a look-up table of d-axis and q-axis current reference values of the permanent magnet synchronous motor; selecting a d-axis and q-axis current reference value calculation mode; calculating the index of the fitted data point elements; acquiring a fitting data value; d and q axis current reference values are obtained through data fitting; obtaining an IO parameter matrix estimation law, a voltage reference difference value estimation law and a voltage dynamic amplitude limiting value estimation law of the permanent magnet synchronous motor; obtaining an IO parameter matrix estimation value of a current control period; acquiring d and q axis voltage reference difference values of the current control period; acquiring dynamic voltage amplitude limits of d and q axes of a current control period; calculating d and q axis voltage reference values of the current control period; dynamically limiting the d and q axis voltage reference values; controlling the permanent magnet synchronous motor. The method has the advantages of strong robustness, continuous current working points, high current response speed, high tracking precision, small data storage capacity and the like.)

永磁同步电机宽范围调速控制方法、装置、设备及介质

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，特别是涉及一种基于数据拟合查表法和无模型自适应算 法的永磁同步电机宽范围调速控制方法、装置、设备及介质。

背景技术

永磁同步电机是一种机电一体化控制的新型电机，具有效率高、转矩性能优异、体积小 等优势，被广泛应用于工业自动化控制、航天、机械等众多领域。

永磁同步电机是一个高阶次、非线性、强耦合的系统，难以精确建模，其电流模型的不 确定性较高，同时运行过程中电机参数也将受到外界干扰而发生摄动，影响控制性能。要保 证电机全系统的高动态性能和精准跟踪，就需要有跟踪速度快、静态误差小且具有强鲁棒性 的电流响应。

同时由于永磁同步电机采用永磁体励磁，无法通过励磁绕组调节励磁磁场，因此必须采 用弱磁控制技术以实现宽范围调速的性能指标。常见的弱磁控制策略有公式计算法、查表法、 负d轴电流补偿法等。公式计算法从电流轨迹的角度描述了永磁同步电机弱磁调速的过程， 并提出了对d、q轴电流幅值的约束条件，具有很高的理论价值，但由于涉及大量的复杂计算， 难以应用于实际工程；查表法将公式计算得到的数据编写成表格，存储在数据存储单元以供 电机运行时实时查询电流工作点，这种方法需要大量的数据支撑，此外常规的查表法难以从 表格中得到连续的电流轨迹，在工程应用中频繁突变的电流会对电机系统造成冲击，严重时 可能会导致系统振荡甚至崩溃；负d轴电流补偿法是将控制回路中的定子电压给定值与电压 极限值比较，经过PI控制器的计算得到d轴电流的负向补偿值，从而达到拓宽电机转速范围 的目的，但当给定电流比较大，且处于深度弱磁时，负d轴电流补偿法易引发电流调节器饱 和，导致电流失控，一旦电流失控，电机及其控制器将有可能出现超速过流，直流母线电压 升高等故障。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种永磁同步电机宽范围调速控制方法、装置、设备及介质， 以解决目前永磁同步电机弱磁控制方法中存在的电流参考值不连续、电流响应速度慢的问题。

为了达到上述目的，本发明实施例所采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供一种永磁同步电机宽范围调速控制方法，包括以下步骤：

根据数据拟合查表法，获取d、q轴电流参考值；

根据无模型自适应算法获取永磁同步电机IO参数矩阵估计律和电压参考差值估计律，以 及根据全局电流最优控制理论，获取d、q轴电压动态限幅值估计律；

根据永磁同步电机IO参数矩阵估计律、电压参考差值估计律和d、q轴电流参考值获取 d、q轴电压参考值；

根据d、q轴电压动态限幅值估计律，获取d、q轴电压动态限幅值；

根据d、q轴电压动态限幅值对d、q轴电压参考值进行限幅，并根据动态限幅后的d、q 轴电压参考值控制永磁同步电机。

第二方面，本发明实施例还提供一种永磁同步电机宽范围调速控制装置，包括：

电流参考值获取单元，用于根据数据拟合查表法，获取d、q轴电流参考值；

算法获取单元，用于根据无模型自适应算法获取永磁同步电机IO参数矩阵估计律和电压 参考差值估计律，以及根据全局电流最优控制理论，获取d、q轴电压动态限幅值估计律；

第一计算单元，用于根据永磁同步电机IO参数矩阵估计律、电压参考差值估计律和d、 q轴电流参考值获取d、q轴电压参考值；

第二计算单元，用于根据d、q轴电压动态限幅值估计律，获取d、q轴电压动态限幅值； 限幅控制单元，用于根据d、q轴电压动态限幅值对d、q轴电压参考值进行限幅，并根据动 态限幅后的d、q轴电压参考值控制永磁同步电机。

第三方面，本发明实施例还提供一种电子设备，包括：

一个或多个处理器；

存储器，用于存储一个或多个程序；

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现 如第一方面所述的方法。

第二方面，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其 特征在于，该程序被处理器执行时实现如第一方面所述的方法。

上述的一种永磁同步电机宽范围调速控制方法及装置，采用改进的数据拟合查表法计算 d、q轴电流参考值，采用无模型自适应电流控制器以实现d、q轴电流跟随，能够实现永磁 同步电机的宽范围调速控制，而且电机系统在运行过程中对电机参数的突变及摄动不敏感， 有效抑制了建模误差、工况突变等不确定性因素对控制效果产生的不利影响，能够稳定地从 恒转矩运行切入恒功率运行，实现弱磁扩速，并且能够在弱磁切入点和深度弱磁区均保持系 统的稳定运行，具有鲁棒性强、电流响应速度快、跟踪精度高、计算量小以及无需依赖专家 经验等的优点。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示 意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为一个实施例中永磁同步电机的控制系统框图；

图2为一个实施例中永磁同步电机宽范围调速控制方法的流程图；

图3a为实验系统的d轴电流参考值仿真波形；

图3b为对照系统的d轴电流参考值仿真波形；

图3c为实验系统的d轴电流反馈值仿真波形；

图3d为对照系统的d轴电流反馈值仿真波形；

图3e为实验系统的q轴电流参考值仿真波形；

图3f为对照系统的q轴电流参考值仿真波形；

图3g为实验系统的q轴电流反馈值仿真波形；

图3h为对照系统的q轴电流反馈值仿真波形；

图3i为实验系统的转速反馈值仿真波形；

图3j为对照系统的转速反馈值仿真波形；

图4为一个实施例中永磁同步电机宽范围调速控制装置。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体 实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是 本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明 内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人 员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施 例的目的，不是旨在于限制本发明。以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描 述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技 术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

图1为一个实施例中永磁同步电机的控制系统框图，如图1所示，永磁同步电机的控制 系统包括强电部分和控制部分。其中，强电部分包括直流电压源和三相逆变器，直流电压源 用于给系统供电，其输出端并联稳压电容后接三相逆变器，三相逆变器可由功率开关管(如 IGBT)和续流二极管组成，用于将直流电压源输出的直流电逆变为交流电，输入至永磁同步 电机的三相定子输入端。

控制部分包括转子位置角检测单元、定子电流检测单元、逆变器驱动单元和控制单元， 转子位置角检测单元通常由霍尔元件或编码器组成，用于读取永磁同步电机的转子位置角信 号θ(k)，输入至控制单元，经控制单元中的一阶微分单元计算获取实际转子机械角速度ω(k)， 然后与转子机械角速度参考值ω_ref(k)做差，以获取转速偏差信号Δω(k)，输入至PI速度控制 器，经PI速度控制器调节后输出电磁转矩参考值T_{e_ref}(k)。将电磁转矩参考值T_{e_ref}(k)和转子 机械角速度参考值ω_ref(k)输入至改进的电流分配器，经基于数据拟合查表法的改进的电流分 配器计算输出d轴电流参考值i_{d_ref}(k)和q轴电流参考值i_{q_ref}(k)。同时，定子电流检测单元 实时读取永磁同步电机的三相定子电流信号i_abc(k)，输入至控制单元，经Clark变换和Park 变换获取d轴电流反馈值i_d(k)和q轴电流反馈值i_q(k)。接着，将q轴电流参考值i_{q_ref}(k)、d 轴电流参考值i_{d_ref}(k)、d轴电流反馈值i_d(k)和q轴电流反馈值i_q(k)输入至无模型自适应电 流控制器中，经控制器计算输出d轴电压参考值V_{d_ref}(k)和q轴电压参考值V_{q_ref}(k)，然后经 反Park变换获取α轴电压参考值V_{α_ref}(k)和β轴电压参考值V_{β_ref}(k)，输入至SVPWM调制 单元，经调制后输出六路PWM控制信号至三相逆变器，通过驱动三相逆变器中功率开关管 的导通与关断来达到控制永磁同步电机的转速和电流的目的。其中，电流控制部分由改进的 电流分配器和无模型自适应电流控制器两个模块组成，共同实现永磁同步电机的宽范围调速， 具体如下所述。

图2为一个实施例中一种永磁同步电机宽范围调速控制方法的流程图，如图2所示，包 括以下步骤：

步骤202，根据数据拟合查表法，获取d、q轴电流参考值，包括：

获取永磁同步电机d、q轴电流参考值查询表；

采集永磁同步电机当前控制周期的电磁转矩参考值、转速参考值；

根据当前控制周期的转速参考值选择d、q轴电流参考值计算方式；

根据当前控制周期的d、q轴电流参考值计算方式、转速参考值和电磁转矩参考值，计算 d、q轴电流参考值拟合数据点元素下标，并通过查询d、q轴电流参考值查询表的方式，获 取拟合数据值；

根据当前控制周期的d、q轴电流参考值计算方式选择数据拟合方式，对拟合数据点进行 数据拟合，获取当前控制周期的d、q轴电流参考值。

具体地，在一个实施例中，获取永磁同步电机d、q轴电流参考值查询表，包括：

根据永磁同步电机弱磁控制理论、MTPA算法、MTPV算法和电机参数获取MTPA工作区的d、q轴电流参考值查询表、弱磁工作区d、q轴电流参考值查询表以及切换点判断表， 并获取各个数据表格的元素下标计算函数，以此规划电流工作点轨迹，实现全局电流最优控制。

采集永磁同步电机当前控制周期的电磁转矩参考值、转速参考值，包括：

通过控制单元的软件计算获取当前控制周期的电磁转矩参考值、转速参考值。

根据当前控制周期的转速参考值选择d、q轴电流参考值计算方式，包括：

在当前控制周期的转速参考值小于第一转速限定值的时候，判断当前控制周期的电流工 作点落在MTPA工作区内，d、q轴电流参考值的计算方式为MTPA方式；在当前控制周期的 转速参考值大于第一转速限定值而小于第二转速限定值的时候，判断电流工作点落在切换点 判断区，d、q轴电流参考值计算方式为切换点判断方式，需查询切换点判断表，进一步判断 电流工作点位于的工作区；在当前控制周期的转速参考值大于第二转速限定值的时候，判断 电流工作点落在弱磁工作区，d、q轴电流参考值的计算方式为弱磁方式。

根据当前控制周期的d、q轴电流参考值计算方式、转速参考值和电磁转矩参考值，计算 d、q轴电流参考值拟合数据点元素下标，并通过查询d、q轴电流参考值查询表的方式，获 取拟合数据值，包括：

当d、q轴电流参考值计算方式为MTPA方式时，根据当前控制周期的电磁转矩参考值 和d、q轴电流参考值下标计算函数计算拟合数据点的元素下标：

根据当前控制周期的电磁转矩参考值和MTPA工作区的d、q轴电流参考值下标计算函 数计算获取d、q轴电流参考值的精确下标x*；对精确下标x*向下取整，获得拟合数据下标 的下限值x₁；对精确下标x*向上取整，获得拟合数据下标的上限值x₂；根据拟合数据下标的 下限值x₁(或拟合数据下标的上限值x₂)获得拟合数据点下标的扩展值x₃，令x₃＝x₁-1(或x₃＝x₂+1)；

此后根据拟合数据下标的下限值x₁、上限值x₂和扩展值x₃，查询MTPA工作区的d、q轴电流参考值查询表，获取对应的拟合数据值v₁,v₂,v₃，将上述三个拟合数据点表示为(x₁,v₁),(x₂,v₂),(x₃,v₃)；

当d、q轴电流参考值计算方式为弱磁方式时，根据当前控制周期的电磁转矩参考值和d、 q轴电流参考值行下标计算函数计算拟合数据点的行下标，根据当前控制周期的转速参考值 和d、q轴电流参考值列下标计算函数计算拟合数据点的列下标：

根据当前控制周期的电磁转矩参考值和弱磁工作区的d、q轴电流参考值行下标计算函 数，经计算获取d、q轴电流参考值的精确行下标y*，对精确行下标y*向下取整获取拟合数 据点行下标的下限值y₁，对精确行下标y*向上取整获取拟合数据点行下标的上限值y₂；

根据当前控制周期的转速参考值和弱磁工作区的d、q轴电流参考值列下标计算函数，经 计算获取d、q轴电流参考值的精确列下标x^*，对精确列下标x^*向下取整获取拟合数据点列 下标的下限值x₁，对精确列下标x^*向上取整获取拟合数据点列下标的上限值x₂；

此后根据上述列下标和行下标的组合，通过查询弱磁工作区的d、q轴电流参考值查询表 查询获取对应的拟合数据值v₁,v₂,v₃,v₄，并将上述拟合点表达为 (x₁,y₁,v₁),(x₂,y₁,v₂),(x₁,y₂,v₃),(x₂,y₂,v₄)，将拟合数据点的行下标和列下标表达为 Q₁₁(x₁,y₁),Q₂₁(x₂,y₁),Q₁₂(x₁,y₂),Q₂₂(x₂,y₂)。

根据当前控制周期的d、q轴电流参考值计算方式选择数据拟合方式，对拟合数据点进行 数据拟合，获取当前控制周期的d、q轴电流参考值，包括：

在当前控制周期的d、q轴电流参考值计算方式为MTPA方式时，采用二次插值法对拟 合数据点进行数据拟合，获取当前控制周期的d、q轴电流参考值：

将MTPA工作区的d、q轴电流参考值查询表等效为从元素下标到元素值的映射，用二 次多项式来拟合这种映射关系，并将所述二次多项式表达为如下述公式(1)所示的第一拟合 函数：

P₁(x)＝a₀+a₁x+a₂x² (1)

将已知拟合数据点(x₁,v₁),(x₂,v₂),(x₃,v₃)代入上述带有未知参数的第一拟合函数，求解得 到未知参数a₀,a₁,a₃的值将的值代回第一拟合函数，得到不含未知参数的第 二拟合函数；将d、q轴电流参考值的精确下标x*代入第二拟合函数，得到如下述公式(2) 所示的d、q轴电流参考值：

在当前控制周期的d、q轴电流参考值计算方式为弱磁方式时，采用双二次线性插值法对 拟合数据点进行数据拟合，获取当前控制周期的d、q轴电流参考值：

将弱磁工作区的d、q轴电流参考值查询表等效为从元素行列下标到元素值的映射，将这 种映射关系表达为如下述公式(3)所示的未知函数：

v＝f(x,y) (3)

如下述公式(4)所示，针对数据值已知的拟合数据点 Q₁₁(x₁,y₁),Q₂₁(x₂,y₁),Q₁₂(x₁,y₂),Q₂₂(x₂,y₂)，取数据值未知的中间拟合数据点 R₁(x*,y₁),R₁(x*,y₂)，在列下标方向上进行插值，获取中间拟合数据点的数据值；

如下述公式(5)所示，对中间拟合数据点R₁(x*,y₁),R₁(x*,y₂)在行下标方向上进行插值， 获取精确数据点Q*(x*,y*)所映射的d、q轴电流参考值；

需要说明的是，传统的查表法一般不经过数据拟合处理，或仅在其中的某些电流工作区 间进行数据拟合处理，多采用计算量相对较小的线性插值方式。线性插值是将d、q轴电流参 考值查询表中元素下标到元素值的映射关系用线性函数来拟合，将一定区域内的映射关系等 效为一条直线，而实际上MTPA曲线在d、q轴电流平面内是一条位于第三象限经过坐标原 点的曲线，因此本申请的控制方法中，获取了三个拟合数据点，将MTPA工作区间内的d、q 轴电流参考值查询表中元素下标到元素值的映射等效为一条曲线，并用一个二次多项式来拟 合目标曲线，不仅解决了传统查表法中电流工作点不连续的问题，并且数据拟合的精度更高， 从而使得宽范围调速控制方法的控制精度得到了进一步的提升。

此外，针对弱磁工作区间，将图像处理领域的双二次线性插值法引入到了电机控制领域， 实现了在行下标和列下标两个方向上的数据拟合处理，在不过度增加计算量的前提下，极大 地提高了数据拟合精度，优化了电流环的控制性能。

步骤204，根据无模型自适应算法获取永磁同步电机IO参数矩阵估计律和电压参考差值 估计律，以及根据全局电流最优控制理论，获取d、q轴电压动态限幅值估计律，包括：

获取所述永磁同步电机的电流模型，并对所述电流模型进行线性化处理，以获取动态线 性化电流模型；

根据所述动态化电流模型获取全格式动态线性化数据模型；

根据所述全格式动态线性化数据模型获取IO参数矩阵估计的准则函数，并对所述IO参 数矩阵估计的准则函数进行解析，以获取所述IO参数矩阵估计律；

根据所述全格式动态线性化数据模型获取所述电压参考差值估计的准则函数，并对所述 电压参考差值估计的准则函数进行解析，以获取所述电压参考差值估计律；

根据全局电流最优控制理论，获取d、q轴电压动态限幅值估计律。

具体地，在一个实施例中，获取所述永磁同步电机的电流模型，并对所述电流模型进行 线性化处理，以获取动态线性化电流模型，包括：

具体地，已知永磁同步电机的连续状态下的电流模型，如下述公式(6)所示：

其中，i_d、i_q分别为d、q轴电流反馈值，V_{d_ref}、V_{q_ref}分别为d、q轴电压参考值，R_s为定子电阻，L_d、L_q分别为d、q轴电感，n_p为电机极对数，ω为转子机械角速度，ψ_f为永磁 磁链。

以T_s为控制周期，对上述公式(6)所示的电流模型进行离散化，并求差值，即令：Δi_d(k+1)＝i_d(k+1)-i_d(k)，Δi_d(k)＝i_d(k)-i_d(k-1)，Δi_q(k+1)＝i_q(k+1)-i_q(k)， Δi_q(k)＝i_q(k)-i_q(k-1)，ΔV_{d_ref}(k)＝V_{d_ref}(k)-V_{d_ref}(k-1)，ΔV_{q_ref}(k)＝V_{q_ref}(k)-V_{q_ref}(k-1)， 获取永磁同步电机的动态线性化电流模型，如下述公式(7)所示，并基于此实现无模型自适 应电流控制器的设计。

其中，i_d(k+1)、i_q(k+1)分别为第k+1控制周期的d、q轴电流反馈值，i_d(k)、i_q(k)分别为第k控制周期的d、q轴电流反馈值，V_{d_ref}(k)、V_{q_ref}(k)分别为第k控制周期的d、q轴 电压参考值。

本实施例中，由于永磁同步电机的动态线性化电流模型计入了d轴电流与q轴电流的耦 合项，因而能够实现电流的自动解耦控制，提高控制的动态性能，并且在处理电机的机械角 速度与电流的乘积项时，将电机的机械角速度与参数项合并作为一个整体来进行估算，因而 可以保证转速环与电流环的独立性。

根据所述动态化电流模型获取全格式动态线性化数据模型，包括：

具体地，可先将上述公式(7)所示的永磁同步电机的动态线性化电流模型简写为：

I(k+1)＝f(I(k),V_ref(k)) (8)

其中，I(k+1)为第k+1控制周期的d、q轴电流反馈值向量(也称电流输出向量)，具体 I(k)为第k控制周期的d、q轴电流反馈值向量，具体

V_ref(k)为第k控制周期的d、q轴电压参考值向量(也称电压输入向量)，具体且I(k+1)、I(k)和V_ref(k)∈R^m，f(...)表示系统的未知非线性向量函数。

并且，当计及永磁同步电机电流模型中的高阶未建模动态时，可将上述公式(8)所示的 动态线性化电流模型改写为：

I(k+1)＝f(I(k),...,I(k-n_y),V_ref(k),...,V_ref(k-n_u)) (9)

其中，n_y、n_u表示系统的阶数。

然后，定义为一个在输入相关的滑动时间窗口[k-(L_u-1),k]内的所有电 压输入信号以及在输出相关的滑动时间窗口[k-(L_y-1),k]内的所有电流输出信号组成的向 量，并将其称为永磁同步电机的输入输出向量，简称IO向量，具体如下述公式(10)所示：

其中，为第k控制周期的IO向量，L_y、L_u分别为第一预设伪阶数和第二预设伪阶数，用于表示系统输入输出数据长度，且0≤L_y≤n_y,0≤L_u≤n_u，并且当k≤0时，有

同时，定义为永磁同步电机的输入输出差值向量，简称IO差值向量，具体如 下述公式(11)所示：

其中，为第k控制周期的IO差值向量，

为第k控制周期的IO向量，

为第k-1控制周期的IO向量，ΔI(k)＝I(k)-I(k-1)为第k控制周期的d、q轴电流反馈值差值向量，ΔV_ref(k)＝V_ref(k)-V_ref(k-1)为第k控制周期的d、q轴电压参考差值向量。

针对上述公式(9)所示的永磁同步电机电流动态线性化模型，当时，将 存在一个时变的IO参数矩阵使得上述公式(9)所示的电流模型等效为如 下全格式动态线性化数据模型：

其中，为第k控制周期的IO参数矩阵， 并且对于任意控制周期(k为任意值)，IO参数矩阵均有界。

根据所述全格式动态线性化数据模型获取IO参数矩阵估计的准则函数，并对所述IO参 数矩阵估计的准则函数进行解析，以获取所述IO参数矩阵估计律，包括：

具体地，针对上述公式(12)所示的全格式动态线性化电流模型，可得IO参数矩阵估计 的准则函数，如下述公式(13)所示：

然后对

进行求导，并令导函数等于零，计算准则函数的最小值点，以获取IO参 数矩阵估计律，如下述公式(14)所示：

其中，为待估计的第k控制周期的IO参数矩阵，

为第k-1控制周期的 IO参数矩阵的估计值，简称第k-1控制周期的IO参数矩阵估计值，η为预设步 长因子，加入该步长因子的目的是为了使控制算法设计更灵活，η∈(0,2]，一般情况下可以 取η＝1.9，μ为第一预设权重，μ>0，且为了提高系统的稳定性，μ通常为一个比较大的正 值，一般情况下可以取μ＝10。

根据所述全格式动态线性化数据模型获取所述电压参考差值估计的准则函数，并对所述 电压参考差值估计的准则函数进行解析，以获取所述电压参考差值估计律，包括：

具体地，对于电流控制而言，其目标就是寻找一个合适的输入电压，使得目标电流与实 际电流之间的误差

随着时间的增加而逐渐收敛于零，因此可考虑如下输入 电压准则函数：

对V_ref(k)进行求导，并令导函数等于零，计算准则函数的最小值点，以获取电压参考差 值估计律，如下述公式(16)所示：

其中，

为待估计的第k控制周期的d、q轴电压参考差值向量，I^*(k+1)为d、q轴电流参考值向量，在实际应用时，

i_{d_ref}(k)、i_{q_ref}(k)分别为第k控制周期的d、q轴电流参考值，I(k)为第k控制周期的d、q轴电流反馈值向量，为第k控制周期的IO参数矩阵估计值的子矩阵，ΔI(k-i+1)为第k-i+1控制周期d、q轴电流反馈差值向量，ΔV_ref(k-i+Ly+1)为第k-i+Ly+1控制周期的d、q轴电压参考差值 向量，

为预设步长因子序列，加入该步长因子序列的目的是为了使控制算法设计更灵活，每个子矩阵对应一个下标相同的步长因子，各个步长因子的取值 可以均相等，取值范围可以为0<ρ_i≤1，i＝1,2,...,L_y+L_u，通常可以取一个接近1的正数， 例如一般情况下可以取λ为第二预设权重，λ>0，且由于λ是影 响电流控制性能的最关键参数，当λ比较小时，电流控制响应速度快，但超调大；当λ较大时，超调减小但响应速度也会相应变慢，同时λ的取值也将很大程度上影响算法的收敛性，因此结合理论分析和实验结果，λ的取值范围为0<λ≤0.0001。

在一个实施例中，第一预设权重μ的数值范围为[10,+∞)，本实施例取μ为10为例来说 明，预设步长因子η的数值范围为(0,2)，本实施例取η为1.9为例来说明，预设步长因子序 列中的每个步长因子的数值范围均为(0,1)，本实施例均等于 0.98为例来说明，第二预设权重λ的数值范围可以为(0,0.0001]，并且通过实验和仿真结果可 以确定，上述取值方法对高压电机和低压电机均适用，具有较强的通用性。

本实施例中，永磁同步电机的IO参数矩阵估计律和电压参考差值估计律均采用全格式动 态线性化数据模型获取，充分考虑了永磁同步电机模型中未建模的高阶不确定项，有效提高 了电流控制的动态性能和稳态精度。同时，全格式动态线性化数据模型考虑了历史电流反馈 值差值ΔI(k-1),...,ΔI(k-(L_y-1))和历史电压参考差值ΔV_ref(k-1),...,ΔV_ref(k-(L_y-1))对控制 性能的影响，因而可以有效提高系统的动态性能。

根据全局电流最优控制理论，获取d、q轴电压动态限幅值估计律，包括：

具体地，以永磁同步电机正转带可变负载的情况为例说明，反转的情况可以依此类推。 永磁同步电机稳定正转时的电流工作点总是位于d、q轴电流平面的第三象限，因此q轴电流 反馈值总是为一正值，d轴电流反馈值总是为一负值，以下关于电流值增大或减小的讨论， 均指电流绝对值的增大或减小。

当永磁同步电机运行于恒转矩区时，q轴电流反馈值随负载增长而增大，d轴电流反馈值 随q轴电流反馈值的增大而增大，增长率为k₁，电流工作点落在d、q轴电流平面第三象限的 MTPA曲线上；随着永磁同步电机转速上升，电压极限椭圆向圆心收缩，迫使电流工作点脱 离MTPA曲线，进入弱磁I区，此时，q轴电流反馈值随电机转速的上升而减小，d轴电流反 馈值随电机转速的上升而增大；当永磁同步电机的转速持续升高时，电流工作点将会落在 MTPV曲线上，随着电机转速的上升，q轴电流反馈值减小，d轴电流反馈值减小。

根据上述的理论分析与实验数据可得，永磁同步电机电流反馈值的大小与电机转速和负 载大小是相关的，在永磁同步电机控制回路中，可以用电磁转矩参考值来反映负载大小。因 此，可以将无模型自适应电流控制器的输出限幅值(即d、q轴电压参考值的限幅值)表达为 关于电机转速参考值和电磁转矩参考值的函数。

需要说明的是，由于q轴电流反馈值对电机磁通的影响比较小，而主要与电机的负载能 力有关，因此为了降低控制模块的计算量，将q轴电压参考值的限幅值选定为一个合适的常 量，如下述公式(17)所示：

其中，V_{q_lim}为q轴电压参考值的限幅值，一般取V_{q_lim}＝V_{s_max}，V_{s_max}为逆变器的电压输 出极限，也称定子电压极限。

而d轴电流反馈值将会很大程度上影响电机磁通，在弱磁切入点上，突增过大的负向d 轴电流将造成电机磁通的过度削弱，电机机械特性***，转速快速上升，最终导致电机失控， 因此有必要对d轴电压参考值进行动态限幅。

根据上述分析和实验数据显示，当电机的电流工作点落在弱磁I区时，d轴电流反馈值随 电机转速的上升而增大，而在深度弱磁区(即MTPV工作区)内，d轴电流反馈值随电机转 速的上升而减小，同时d轴电流反馈值也与负载大小有一定的相关性。因此，将d轴电压动 态限幅值估计律中的下限值估计律等效为一个与电机转速参考值和电磁转矩参考值相关的二 次函数，上限值估计律为一给定的常量，通常取该常量为定子电压极限值V_{s_max}，如下述公式 (18)所示，其中V_{d_lower_lim}为d轴电压值的动态下限，V_{d_upper_lim}为d轴电压值的上限，ω_ref为 转速参考值，T_{e_ref}为电磁转矩参考值，V_{s_max}为定子电压极限值，k₁为第一估值参数，其取 值范围为k₁>0，k₂为第二估值参数，其取值范围为k₂>0：

步骤206，根据永磁同步电机IO参数矩阵估计律、电压参考差值估计律和d、q轴电流 参考值获取d、q轴电压参考值，包括：

通过数据采集单元，获取d、q轴电流反馈值以及上一控制周期的d、q轴电流反馈值和 d、q轴电压参考值；

根据当前控制周期的d、q轴电流反馈值，上一控制周期的d、q轴电流反馈值，IO差值 向量和IO参数矩阵估计律对IO参数矩阵进行估计，获取当前控制周期的IO参数矩阵估计 值；

根据当前控制周期的IO参数矩阵估计值，d、q轴电流参考值和反馈值及d、q轴电压参 考差值估计律对电压参考差值进行估计，以获取当前控制周期的d、q轴电压参考差值；

根据当前控制周期的d、q轴电压参考差值和上一控制周期的d、q轴电压参考值，计算 获取当前控制周期的d、q轴电压参考值。

具体地，在一个实施例中，通过数据采集单元，获取d、q轴电流反馈值以及上一控制周 期的d、q轴电流反馈值和d、q轴电压参考值，包括：

在电机运行过程中，通过定子电流检测单元、Clark变换单元和Park变换单元获取当前 控制周期的d、q轴电流反馈值；获取步骤202中计算得到的d、q轴电流参考值；通过控制 程序中的存储变量获取上一控制周期的d、q轴电流反馈值和d、q轴电压参考值。

根据当前控制周期的d、q轴电流反馈值，上一控制周期的d、q轴电流反馈值，IO差值 向量和IO参数矩阵估计律对IO参数矩阵进行估计，获取当前控制周期的IO参数矩阵估计 值，包括：

具体地，在通过无模型自适应算法获取永磁同步电机的IO参数矩阵估计律和电压参考差 值估计律后，可将其预先存储至控制系统中。此后在控制过程中，获取当前控制周期的d、q 轴电流反馈值i_d(k)、i_q(k)，并从数据库中获取上一控制周期的d、q轴电流反馈值i_d(k-1)、 i_q(k-1)，然后计算电流反馈值的差值根据ΔI(k)，按照 上述公式(14)所示的IO参数矩阵估计律对当前控制周期的IO参数矩阵进行估计，以获取 当前控制周期的IO参数矩阵估计值

根据当前控制周期的IO参数矩阵估计值，d、q轴电流参考值和反馈值及d、q轴电压参 考差值估计律对电压参考差值进行估计，以获取当前控制周期的d、q轴电压参考差值，包括：

具体地，根据当前控制周期的d、q轴电流参考值i_{d_ref}(k)、i_{q_ref}(k)以及d、q轴电流反 馈值i_d(k)、i_q(k)以及IO参数矩阵估计值

按照上述公式(16)所示的电压参考差 值估计律对当前控制周期的d、q轴电压参考差值进行估计，以获取当前控制周期的d、q轴 电压参考差值ΔV_{d_ref}(k)、ΔV_{q_ref}(k)。

根据当前控制周期的d、q轴电压参考差值和上一控制周期的d、q轴电压参考值，计算 获取当前控制周期的d、q轴电压参考值，包括：

具体地，在获取当前控制周期的d、q轴电压参考差值ΔV_{d_ref}(k)、ΔV_{q_ref}(k)后，还从数 据库中获取上一控制周期的d、q轴电压参考值V_{d_ref}(k-1)、V_{q_ref}(k-1)，以计算获取当前控 制周期的d、q轴电压参考值V_{d_ref}(k)、V_{q_ref}(k)，如下述公式(19)所示：

步骤208，根据d、q轴电压动态限幅值估计律，获取d、q轴电压动态限幅值。

具体地，根据上述公式(18)所述的d、q轴电压动态限幅值估计律和数据采集单元获取 的电磁转矩参考值、电流参考值，估计当前控制周期的d、q轴电压动态限幅值V_{d_lower_lim}。

步骤210，根据d、q轴电压动态限幅值对d、q轴电压参考值进行限幅，并根据动态限幅后的d、q轴电压参考值控制永磁同步电机。

具体地，若V_{d_ref}<V_{d_lower_lim}则令V_{d_ref}＝V_{d_lower_lim}，若V_{d_ref}>V_{d_upper_lim}，则令 V_{d_ref}＝V_{d_upper_lim}，否则不做修改；若V_{q_ref}<V_{q_lower_lim}则令V_{q_ref}＝V_{q_lower_lim}，若 V_{q_ref}>V_{q_upper_lim}，则令V_{q_ref}＝V_{q_upper_lim}，否则不做修改。

对无模型自适应控制器输出的d、q轴电压参考值进行动态限幅，可以预防在弱磁切入点 处和深度弱磁区发生电流振荡、电机超速等故障，使系统平稳运行，增强控制方法的鲁棒性。

根据当前控制周期经动态限幅后的d、q轴电压参考值控制永磁同步电机。具体可参考前 述，这里不再赘述

本实施例中，通过基于数据拟合查表法和无模型自适应算法的电流控制方法能够实现永 磁同步电机的宽范围调速控制，而且永磁同步电机系统在运行过程中对电机参数的突变及摄 动不敏感，有效抑制了建模误差、工况突变等不确定性因素对控制效果产生的不利影响，能 够稳定地从恒转矩运行切入恒功率运行，实现弱磁扩速，并且能够在弱磁切入点和深度弱磁 区均保持系统的稳定运行，具有鲁棒性强、电流响应速度快、跟踪精度高、计算量小以及无 需依赖专家经验等的优点。

在一个实施例中，上述的永磁同步电机宽范围调速控制方法还包括：对IO差值向量和IO 参数矩阵估计值进行初始化。

具体地，在对永磁同步电机进行控制时，可先对系统的相关控制参数进行初始化，具体 可对第一预设伪阶数L_y、第二预设伪阶数L_u、预设步长因子η、第一预设权重μ、预设步长 因子序列ρ_i、第二预设权重λ、IO差值向量

以及IO参数矩阵估计值进行初始化。

此外，还需对IO差值向量以及IO参数矩阵估计值

进行初始化。例如， 在对IO差值向量

进行初始化时，认为初始状态下d、q轴电流反馈值的差值Δi_d(0)、 Δi_q(0)以及d、q轴电压参考差值ΔV_{d_ref}(0)、ΔV_{q_ref}(0)均为零，此时IO差值向量的 初始值中的各个元素均为零(零向量)。在对IO参数矩阵估计值进行初始 化时，第0控制周期之前的控制周期对应的参数均为零，，而对于第0控制周期对应的参数， d轴电流反馈值的差值Δi_d(0)对应的参数(即IO参数)根据计算获取，q轴电流反馈 值的差值Δi_q(0)对应的参数根据计算获取，d轴电压参考差值ΔV_{d_ref}(0)对应的参数根 据

计算获取，q轴电压参考差值ΔV_{q_ref}(0)对应的差值根据计算获取。上述电机参数R_s、 L_d和L_q仅需获知数量级即可，无需测定精确值。并且，通过上述初始化方式可加快算法收敛、 增强系统稳定性以及抑制电机起动时的尖峰电流。

在一个实施例中，上述的永磁同步电机宽范围调速控制方法还包括：判断当前控制周期 的IO参数矩阵估计值是否满足预设重置条件；如果是，则对当前控制周期的IO参数矩阵估 计值进行重置，并根据重置后的IO参数矩阵估计值对当前控制周期的电压参考差值进行估 计；如果否，则直接根据当前控制周期的IO参数矩阵估计值对当前控制周期的电压参考差值 进行估计。

具体地，在通过上述公式(14)所示的IO参数矩阵估计律获取永磁同步电机的当前控制 周期的IO参数矩阵估计值

时，还需判断其是否满足预设重置条件，如果满足，则对 其进行重置处理，从而通过对IO参数矩阵估计值做出限制，以加快算法的收敛速度。

在一个实施例中，判断当前控制周期的IO参数矩阵估计值是否满足预设重置条件，包括： 判断当前控制周期的IO参数矩阵估计值的子矩阵

的每个元素是否满足预设重置条件 并将符合重置条件的元素重置为初始值。仅需对IO参数矩阵估计值的子矩阵进行重 置判断和重置操作，计算量小且能对IO参数矩阵估计值做出修正，以加快算法收敛 的速度。

在一个实施例中，判断当前控制周期IO参数矩阵估计值

的子矩阵中的 每个元素是否满足预设重置条件，以及将满足预设重置条件的元素重置为初始值，包括：

如果

或者或者则使其中，为子矩阵

的对角线元素，b₂为第一预设上限值、c为第一预设下限值，

为子矩阵

的对角线元素的初始值；如果或者则使其中，为子矩阵的非对角线元素，b₁为第二预设下限值，为子矩阵的非对角线元素的初始值。

需要说明的是，由于子矩阵

的对角线元素为d轴电压参考差值ΔV_{d_ref}(k)和 q轴电压参考差值ΔV_{q_ref}(k)的参数，因此ΔV_{d_ref}(k)对应的参数(即IO参数)的上限值和下 限值可根据计算获取，ΔV_{q_ref}(k)对应的参数的上限值和下限值可根据

计算获取，并且 在计算时，电机参数仅需获知数量级即可，无需测定精确值。

进一步地，针对本申请提出的永磁同步电机控制方法，发明人还给出了仿真对比实验。 实验系统为转速环采用PI控制器，电流环采用数据拟合查表的无模型自适应控制器的电机系 统，对照系统为转速环采用PI控制器，电流环采用常规查表PI控制器的电机系统，并保持 实验系统和对照系统的转速环PI控制器和d、q轴电流参考值查询表的结构、参数和数据完 全一致，以及在相同工况下进行仿真对比实验。仿真过程中，电机带0.1N*m负载运行，转 速参考值以斜坡方式给定，其增长率为2400RPM/s，上限值为13500RPM，仿真运行总时长 为6s。

图3a为实验系统的d轴电流参考值仿真波形，图3b为对照系统的d轴电流参考值仿真 波形。从图3a和图3b可以看出，在弱磁切入点处，采用本申请的电流控制方法的实验系统 由于动态限幅的作用d轴电流参考值突降小，仅为-1.25A,此后随着电机转速的上升，d轴电 流参考值以固定斜率降低，在电机转速达到13500RPM完成升速过程后，d轴电流参考值保 持不变。由于实验系统对d轴电流参考值查询表的数据进行了拟合处理，使d轴电流参考值 波形平滑，无毛刺、尖峰或振荡，对电机系统的冲击小，有利于系统的稳定运行。而对照系 统在弱磁切入点处d轴电流参考值的突降比较大，达到了-2.25A，在此后的升速过程中，由 于d轴电流参考值查询表的电流工作点不连续，造成d轴电流参考值在邻近的两个数值间反 复振荡，这将会给电机系统带来较大冲击，不利于系统的稳定运行。

图3c为实验系统的d轴电流反馈值仿真波形，图3d为对照系统的d轴电流反馈值仿真 波形。从图3c和图3d可以看出，实验系统的d轴电流反馈波形波动小，在弱磁切入点处的电流尖峰小，电流响应快；实验系统的d轴电流反馈波形的波动范围大，弱磁切入点处的电流尖峰较大，可能对电机系统造成冲击，造成弱磁切入点处电机转速的波动。

图3e为实验系统的q轴电流参考值仿真波形，图3f为对照系统的q轴电流参考值仿真 波形。从图3e和图3f可以看出，实验系统的q轴电流参考值仿真波形平滑，无下降尖峰，对照系统的q轴电流参考值波形振荡剧烈且存在严重的下降尖峰。此外，注意到实验系统在恒转矩区的q轴电流给定更小，相应的损耗也更小，整机效率更高。

图3g为实验系统的q轴电流反馈值仿真波形，图3h为对照系统的q轴电流反馈值仿真 波形。从图3g和图3h可以看出，实验系统在弱磁切入点处的q轴电流反馈波形尖峰小，q轴电流反馈值波动范围小，电流响应速度快；对照系统在弱磁切入点的q轴电流反馈波形出现了明显的尖峰，且q轴电流反馈值的波动范围大，在弱磁升速段出现了很多毛刺，这都将对系统的稳定运行带来不利影响。

图3i为实验系统的转速反馈值仿真波形，图3j为对照系统的转速反馈值仿真波形。从图 3i和图3j可以看出，实验系统在整个升速过程中，转速反馈值的波形更平滑，升速率与转速 参考值保持一致，未出现明显波动；实验系统的转速反馈值波形在弱磁切入点处和升速结束 点处均发生了一定的波动，这会对整机性能带来不利影响。

因此从上述仿真对比实验中可以看出，本申请的永磁同步电机控制方法，具有数据预存 量小、计算量小、收敛速度快，d、q轴电流参考值波形平滑不振荡，可以实现d、q轴电流 自动解耦控制，保证q轴电流的快速跟踪和d轴电流的稳定调整，同时抑制电机起动及弱磁 切入点处的电流尖峰，利于系统稳定运行。此外，本发明提出的电机控制方法具有IO参数自 适应调整能力，因此具有优越的鲁棒性，对电机参数变化的适应能力强，对环境变化带来的 不确定因素不敏感，抗干扰能力强。

综上所述，本申请的永磁同步电机宽范围调速控制方法，根据MTPA算法、MTPV算法和弱磁控制理论获取各个工作区的d、q轴电流参考值查询表，并针对不同的工作区选择二次 插值法和双二次线性插值法对d、q轴电流参考值查询表中的数据进行拟合处理，使得计算得 到的d、q轴电流参考值波形平滑，无突变或振荡，并通过将非线性的永磁同步电机的电流模 型动态线性化为全格式动态线性数据模型，并在此基础上，根据无模型自适应算法实现对电 机电流的控制，具有计算量小、收敛速度快的特性，并且可以实现d、q轴电流自动解耦控制， 保证q轴电流的快速跟踪和d轴电流的稳定调整，动态性能优越，电流波动较小，此外还根 据全局电流最优控制理论获取d、q轴电压动态限幅值估计律，根据转速参考值和电磁转矩参 考值实时计算d、q轴电压的动态限幅值，对d、q轴电压参考值进行动态限幅处理，进一步 增强系统的稳定性。应用该方法的电机系统对环境变化带来的不确定因素不敏感，抗干扰能 力强，且对电机参数的变化具有很强的适应能力，当被控电机更换时，无需重新整定相关的 无模型自适应控制器参数。

图4为一个实施例中一种永磁同步电机宽范围调速控制装置，如图4所示，包括：电流 参考值获取单元10、算法获取单元20、第一计算单元30、第二计算单元40、限幅控制单元50。

其中，电流参考值获取单元10，用于根据数据拟合查表法，获取d、q轴电流参考值；

算法获取单元20，用于根据无模型自适应算法获取永磁同步电机IO参数矩阵估计律和 电压参考差值估计律，以及根据全局电流最优控制理论，获取d、q轴电压动态限幅值估计律；

第一计算单元30，用于根据永磁同步电机IO参数矩阵估计律、电压参考差值估计律和d、 q轴电流参考值获取d、q轴电压参考值；

第二计算单元40，用于根据d、q轴电压动态限幅值估计律，获取d、q轴电压动态限幅 值；

限幅控制单元50，用于根据d、q轴电压动态限幅值对d、q轴电压参考值进行限幅，并 根据动态限幅后的d、q轴电压参考值控制永磁同步电机。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的 部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式 实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种 逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以 集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的 耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以 是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部 件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。 可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个 单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以 采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以 存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对 现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该 计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计 算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的 存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发 明的保护范围。