CN103066913B - 永磁同步电机参数识别系统、方法及控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种永磁同步电机参数识别系统，包括脉冲输入单元、电流采样单元、计时器单元以及参数计算单元，其中：所述脉冲输入单元，用于向电机定子输入使电机转子保持静止的脉冲矢量；所述电流采样单元，用于采样电机输入电流；所述参数计算单元，用于根据输入脉冲矢量的电压值、定子电流稳定时的电流、在定子电流稳定前两个时间点的定子反馈电流计算电机定子相绕组的电阻值、定子绕组的D轴电感和Q轴电感。本发明还提供一种对应的方法及电机控制装置。本发明通过检测输入脉冲矢量的反馈电流并结合简化电机定子电压方程，即可获得永磁同步电机的相关参数。

Description

永磁同步电机参数识别系统、方法及控制装置

技术领域

本发明涉及电机控制和领域，更具体地说，涉及一种永磁同步电机参数识别系统及方法。

背景技术

随着自动化进程的加速以及产业升级，小型设备智能化程度日渐提高。而自动化过程中的执行机构——电机，也随之蓬勃发展，相关电机的驱动技术也日渐成熟。

永磁同步电动机具有体积小，损耗低，效率高等优点，在节约能源和环境保护日益受到重视的今天，永磁同步电动机得以迅速的推广应用。当永磁同步电机的定子通入三相交流电时，三相电流在定子绕组的电阻上产生电压降。由三相交流电产生的旋转电枢磁动势及建立的电枢磁场，一方面切割定子绕组，并在定子绕组中产生感应电动势；另一方面以电磁力拖动转子以同步转速旋转。

目前驱动永磁同步电机运行的驱动控制装置(例如伺服驱动器等)采用的均是矢量控制或直接转矩控制的方法，这些方法的控制性能直接依赖于电机参数的精确度，即精确的电机参数是获得高性能控制的重要因素。

然而，现有伺服驱动器大多依赖现成的电机参数，而无法自动辨识出第三方同步电机的相关参数，这大大限制了伺服驱动器的应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对上述永磁同步电机控制装置无法识别第三方电机参数的问题，提供一种永磁同步电机参数识别系统及方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案是，提供一种永磁同步电机参数识别系统，包括脉冲输入单元、电流采样单元、计时器单元以及参数计算单元，其中：所述脉冲输入单元，用于向电机定子输入使电机转子保持静止的脉冲矢量；所述电流采样单元，用于采样电机输入电流；所述参数计算单元，用于根据输入脉冲矢量的电压值、定子电流稳定时的电流、在定子电流稳定前两个时间点的定子反馈电流计算电机定子相绕组的电阻值、定子绕组的D轴电感和Q轴电感；

所述参数计算单元包括有效值计算子单元、电阻计算子单元；所述有效值计算子单元用于计算采样获得的定子电流稳定时的电流的有效值以及计算输入脉冲矢量的电压有效值；所述电阻计算子单元用于根据输入脉冲矢量的电压有效值、定子绕组电流有效值及相绕组电阻公式计算电机定子相绕组的电阻值R，所述相绕组电阻公式为：

R＝U/I*2/3，

其中U为输入脉冲矢量的电压有效值，I为定子绕组电流有效值；

所述参数计算单元包括：坐标变换子单元和电感计算子单元，所述坐标变换子单元用于将采样获得的反馈电流通过坐标变换转换为反馈电流的D轴分量和Q轴分量；所述电感计算子单元，用于根据输入脉冲矢量的电压值、定子相绕组电压、两个时间点的反馈电流的D轴分量i_d1、i_d2和Q轴分量i_q1、i_q2以及转子零速时定子电压方程计算获得定子绕组的D轴电感L_d和Q轴电感L_q，所述转子零速时定子电压方程为：

u_d＝Ri_d+L_dPi_d，

u_q＝Ri_q+L_qPi_q，

其中u_d为输入脉冲矢量的D轴分量，u_q为输入脉冲矢量的Q轴分量，i_d为反馈电流的D轴分量，i_q为反馈电流的Q轴分量，P为微分算子。

在本发明所述的永磁同步电机参数识别系统中，所述永磁同步电机为表贴式同步隐极式电机，所述两个时间点中的第一时间点为0、第二时间点小于或等于30us，所述参数计算单元通过下式计算D轴电感L_d和Q轴电感L_q：L_d＝L_q＝(U_d-Ri_d2)/t2，其中所述U_d为输入脉冲矢量的电压的D轴分量，i_d2为第二时间点的反馈电流的D轴分量，t2为两个时间点的间隔时间。

本发明还提供一种永磁同步电机参数识别方法，包括以下步骤：

(a)向电机定子输入使电机转子保持静止的脉冲矢量；

(b)在定子电流稳定前分别检测两个时间点的定子反馈电流，并在电机定子绕组电流稳定时检测该定子绕组电流；

(c)根据输入脉冲矢量的电压值、采样获得的定子电流稳定时的定子绕组电流值、定子电流稳定前两个时间点的定子反馈电流计算电机定子相绕组的电阻值、定子绕组的D轴电感和Q轴电感；

所述步骤(c)包括根据输入脉冲矢量的电压值、定子电流稳定时的定子绕组电流值及相绕组电阻公式计算电机定子相绕组的电阻值R，所述相绕组电阻公式为：

R＝U/I*2/3，

其中U为输入脉冲矢量的电压有效值，I为定子绕组电流有效值；

所述步骤(c)包括：

(c1)通过坐标变换获得电流稳定前两个时间点的反馈电流的D轴分量i_d1、i_d2和Q轴分量i_q1、i_q2；

(c2)根据输入脉冲矢量的电压值、定子相绕组电压、两个时间点的反馈电流的D轴分量i_d1、i_d2和Q轴分量i_q1、i_q2以及转子零速时定子电压方程计算获得定子绕组的D轴电感L_d和Q轴电感L_q，所述转子零速时定子电压方程为：

u_d＝Ri_d+L_dPi_d，

u_q＝Ri_q+L_qPi_q，

其中u_d为输入脉冲矢量的D轴分量，u_q为输入脉冲矢量的Q轴分量，i_d为反馈电流的D轴分量，i_q为反馈电流的Q轴分量，P为微分算子。

在本发明所述的永磁同步电机参数识别方法中，所述永磁同步电机为表贴式同步隐极式电机，所述两个时间点中的第一时间点为0、第二时间点小于或等于30us，所述步骤(c)通过下式计算D轴电感L_d和Q轴电感L_q：L_d＝L_q＝(U_d-Ri_d2)/t2，其中所述U_d为输入脉冲矢量的电压的D轴分量，i_d2为第二时间点的反馈电流的D轴分量，t2为两个时间点的间隔时间。

本发明还提供一种永磁同步电机控制装置，包括脉冲输入单元、电流采样单元、计时器单元以及参数计算单元，其中：所述脉冲输入单元，用于向电机定子输入使电机转子保持静止的脉冲矢量；所述电流采样单元，用于采样电机输入电流；所述参数计算单元，用于根据输入脉冲矢量的电压值、定子电流稳定时的电流、在定子电流稳定前两个时间点的定子反馈电流计算电机定子相绕组的电阻值、定子绕组的D轴电感和Q轴电感；

所述参数计算单元包括有效值计算子单元、电阻计算子单元、坐标变换子单元和电感计算子单元；所述有效值计算子单元用于计算采样获得的定子电流稳定时的电流的有效值以及计算输入脉冲矢量的电压有效值；所述电阻计算子单元用于根据输入脉冲矢量的电压有效值、定子电流稳定时的电流有效值及相绕组电阻公式计算电机定子相绕组的电阻值R，所述相绕组电阻公式为：R＝U/I*2/3，其中U为输入脉冲矢量的电压有效值，I为定子电流稳定时的电流有效值；所述坐标变换子单元用于将采样获得的反馈电流通过坐标变换转换为反馈电流的D轴分量和Q轴分量；所述电感计算子单元，用于根据输入脉冲矢量的电压值、定子相绕组电压、在定子电流稳定前两个时间点的反馈电流的D轴分量i_d1、i_d2和Q轴分量i_q1、i_q2以及转子零速时定子电压方程计算获得定子绕组的D轴电感L_d和Q轴电感L_q，所述转子零速时定子电压方程为：

u_d＝Ri_d+L_dPi_d，

u_q＝Ri_q+L_qPi_q，

其中u_d为输入脉冲矢量的D轴分量，u_q为输入脉冲矢量的Q轴分量，i_d为反馈电流的D轴分量，i_q为反馈电流的Q轴分量，P为微分算子。

本发明的永磁同步电机参数识别系统及方法，通过检测输入脉冲矢量的反馈电流并结合简化电机定子电压方程，即可获得永磁同步电机的相关参数。

附图说明

图1是本发明永磁同步电机参数识别系统实施例的示意图。

图2是图1中参数计算单元的实施例的示意图。

图3是电机通直流电时的等效电路图。

图4是电机绕组输入脉冲矢量的电压波形图。

图5是电机绕组输入脉冲矢量的电流波形图。

图6是本发明永磁同步电机参数识别方法实施例的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，是本发明永磁同步电机参数识别系统实施例的示意图。本实施例中的参数识别系统包括脉冲输入单元11、电流采样单元12、计时器单元14以及参数计算单元13，上述脉冲输入单元11、电流采样单元12、计时器单元14以及参数计算单元13可集成到电机控制装置(例如伺服驱动器等)并结合软件实现。当然，在实际应用中，上述各单元也可由单独的硬件或软件实现。

脉冲输入单元11用于向电机18的定子输入一个很小的脉冲矢量，该脉冲矢量可使电机转子保持静止，即电机18的转子转速为零。通过该脉冲矢量，可将同步电机的定子电压方程(1)、(2)转换为(3)、(4)。

u_d＝Ri_d+L_dPi_d-ω_rL_qi_q             (1)

u_q＝Ri_q+L_qPi_q+ω_rL_di_d+ω_rψ^r       (2)

u_d＝Ri_d+L_dPi_d                    (3)

u_q＝Ri_q+L_qPi_q                    (4)

其中u_d为输入脉冲矢量的D轴分量，u_q为输入脉冲矢量的Q轴分量，i_d为反馈电流的D轴分量，i_q为反馈电流的Q轴分量，R为相绕组阻值，L_d为D轴电感，L_q为Q轴电感，P为微分算子，ω_r为转子角速度，ψ^r为转子磁链幅值。

电流采样单元12用于采样电机输入电流。具体地，该电流采样单元12可采样电机输入端的三相电流。

参数计算单元13根据输入脉冲矢量的电压值、定子电流稳定时的电流、在定子电流稳定前两个时间点的定子反馈电流计算电机定子相绕组的电阻值、定子绕组的D轴电感和Q轴电感。该参数计算单元13可从电流采样单元12获得三相电流，并从计时器单元14获得时间信息，据此获得电流对应的时间点。

由于电机绕组为感性负载，在通单独的一个电流时，电机电路可简化成图3所示的电路图，电流波形如图4、5所示。图3中的Ra、Rb、Rc分别对应三相绕组，且阻值满足Ra＝Rb＝Rc＝R。由图3可得，相绕组电阻公式为：

R＝U/I*2/3          (5)

其中U为输入脉冲的电压值(有效值)，I为定子绕组电流值(有效值)。

为计算相绕组的阻值，如图2所示，参数计算单元13包括有效值计算子单元131、电阻计算子单元132，其中有效值计算子单元131用于计算采样获得的定子电流稳定时的电流的有效值以及计算输入脉冲矢量的电压有效值；电阻计算子单元132用于根据输入脉冲矢量的电压值、定子绕组电流值及相绕组电阻公式(5)计算电机定子相绕组的电阻值R。

为计算电机D轴电感L_d和Q轴电感L_q，参数计算单元13还可包括坐标变换子单元133和电感计算子单元134，其中坐标变换子单元133用于将采样获得的反馈电流通过坐标变换转换为反馈电流的D轴分量i_d和Q轴分量i_q；电感计算子单元134用于根据输入脉冲矢量的电压值u_d、u_q、定子相绕组电压R、两个时间点的反馈电流的D轴分量i_d1、i_d2和Q轴分量i_q1、i_q2以及转子零速时定子电压方程(3)、(4)计算获得定子绕组的D轴电感L_d和Q轴电感L_q。

具体地，电感计算子单元134可根据定子电压方程(3)解方程得到这样根据两个时间点的时间差和两个时间点的电流值就可以求得D轴电感L_d，类似的可以求得Q轴电感L_q。

此外，参数计算单元13也可将输入脉冲矢量的电压值、在定子电流稳定前两个时间点的定子反馈电流直接代入定子电压方程，并求解得到电机定子相绕组的电阻值R、定子绕组的D轴电感L_d和Q轴电感L_q。

上述永磁同步电机可以为表贴式同步隐极式电机，由于同步隐机式电机的D轴电感L_d和Q轴电感L_q满足L_d＝L_q，而且直流通过绕组瞬间可以认为是线性的，只要电流稳定前的两个时间点中的第一时间点为0、第二时间足够小(30us以内)，则参数计算单元13可通过下式计算D轴电感L_d和Q轴电感L_q：L_d＝L_q＝(U_d-Ri_d2)/t2，其中U_d为输入脉冲矢量的电压的D轴分量，i_d2为第二时间点的反馈电流的D轴分量，t2为两个时间点的间隔时间。此时无需求解指数方程即可获得电机参数。

如图6所示，是本发明永磁同步电机参数识别方法实施例的流程示意图。本实施例的方法可由电机控制装置执行，并包括以下步骤：

步骤S61：向电机定子输入使电机转子保持静止的脉冲矢量。

步骤S62：采样电机输入电流。具体地，该步骤可采样电机输入端的三相电流。

步骤S63：根据输入脉冲矢量的电压值、定子电流稳定时的电流、在定子电流稳定前两个时间点的定子反馈电流计算电机定子相绕组的电阻值、定子绕组的D轴电感和Q轴电感。

在上述步骤S63中，可根据输入脉冲矢量的电压值、定子绕组电流值及相绕组电阻公式计算电机定子相绕组的电阻值R，相绕组电阻公式为：

R＝U/I*2/3，

其中U为输入脉冲矢量的电压有效值，I为定子绕组电流有效值。

在上述步骤S63中，还可通过以下方式获得D轴电感和Q轴电感：首先将定子绕组电流稳定前两个时间点的三相电流通过坐标变换获得两个时间点的反馈电流的D轴分量i_d1、i_d2和Q轴分量i_q1、i_q2；然后根据输入脉冲矢量的电压值、定子相绕组电压、以及转子零速时定子电压方程(3)、(4)计算获得定子绕组的D轴电感L_d和Q轴电感L_q。

当然，上述步骤S63中，也可直接根据输入脉冲矢量的电压值、两个时间点的定子反馈电流计算电机定子相绕组的电阻值、定子绕组的D轴电感和Q轴电感。

当永磁同步电机为表贴式同步隐极式电机，步骤S63中可直接取两个时间点中的第一时间点为0、第二时间点小于或等于30us，并通过下式计算D轴电感L_d和Q轴电感L_q：L_d＝L_q＝(U_d-Ri_d2)/t2，其中U_d为输入脉冲矢量的电压的D轴分量，i_d2为第二时间点的反馈电流的D轴分量，t2为两个时间点的间隔时间。

本发明还提供一种永磁同步电机控制装置，包括脉冲输入单元、电流采样单元、计时器单元以及参数计算单元，其中：脉冲输入单元用于向电机定子输入使电机转子保持静止的脉冲矢量；电流采样单元用于采样电机输入电流；参数计算单元用于根据输入脉冲矢量的电压值、定子电流稳定时的电流、在定子电流稳定前两个时间点的定子反馈电流计算电机定子相绕组的电阻值、定子绕组的D轴电感和Q轴电感。

上述永磁同步电机控制装置中，参数计算单元包括有效值计算子单元、电阻计算子单元、坐标变换子单元和电感计算子单元。

有效值计算子单元用于计算采样获得的定子电流稳定时的电流的有效值以及计算输入脉冲矢量的电压有效值；电阻计算子单元用于根据输入脉冲矢量的电压有效值、定子绕组电流有效值及相绕组电阻公式(5)计算电机定子相绕组的电阻值R；坐标变换子单元用于将采样获得的反馈电流通过坐标变换转换为反馈电流的D轴分量和Q轴分量；电感计算子单元用于根据输入脉冲矢量的电压值、定子相绕组电压、两个时间点的反馈电流的D轴分量i_d1、i_d2和Q轴分量i_q1、i_q2以及转子零速时定子电压方程(3)、(4)计算获得定子绕组的D轴电感L_d和Q轴电感L_q。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种永磁同步电机参数识别系统，其特征在于：包括脉冲输入单元、电流采样单元、计时器单元以及参数计算单元，其中：所述脉冲输入单元，用于向电机定子输入使电机转子保持静止的脉冲矢量；所述电流采样单元，用于采样电机输入电流；所述参数计算单元，用于根据输入脉冲矢量的电压值、定子电流稳定时的电流、在定子电流稳定前两个时间点的定子反馈电流计算电机定子相绕组的电阻值、定子绕组的D轴电感和Q轴电感；

所述参数计算单元包括有效值计算子单元、电阻计算子单元；所述有效值计算子单元用于计算采样获得的定子电流稳定时的电流的有效值以及计算输入脉冲矢量的电压有效值；所述电阻计算子单元用于根据输入脉冲矢量的电压有效值、定子绕组电流有效值及相绕组电阻公式计算电机定子相绕组的电阻值R，所述相绕组电阻公式为：

R＝U/I*2/3，

其中U为输入脉冲矢量的电压有效值，I为定子绕组电流有效值；

所述参数计算单元包括：坐标变换子单元和电感计算子单元，所述坐标变换子单元用于将采样获得的反馈电流通过坐标变换转换为反馈电流的D轴分量和Q轴分量；所述电感计算子单元，用于根据输入脉冲矢量的电压值、定子相绕组电压、两个时间点的反馈电流的D轴分量i_d1、i_d2和Q轴分量i_q1、i_q2以及转子零速时定子电压方程计算获得定子绕组的D轴电感L_d和Q轴电感L_q，所述转子零速时定子电压方程为：

u_d＝Ri_d+L_dPi_d，

u_q＝Ri_q+L_qPi_q，

其中u_d为输入脉冲矢量的D轴分量，u_q为输入脉冲矢量的Q轴分量，i_d为反馈电流的D轴分量，i_q为反馈电流的Q轴分量，P为微分算子。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机参数识别系统，其特征在于：所述永磁同步电机为表贴式同步隐极式电机，所述两个时间点中的第一时间点为0、第二时间点小于或等于30us，所述参数计算单元通过下式计算D轴电感L_d和Q轴电感L_q：L_d＝L_q＝(U_d-Ri_d2)/t2，其中所述U_d为输入脉冲矢量的电压的D轴分量，i_d2为第二时间点的反馈电流的D轴分量，t2为两个时间点的间隔时间。

3.一种永磁同步电机参数识别方法，其特征在于：包括以下步骤：

(a)向电机定子输入使电机转子保持静止的脉冲矢量；

(b)在定子电流稳定前分别检测两个时间点的定子反馈电流，并在电机定子绕组电流稳定时检测该定子绕组电流；

(c)根据输入脉冲矢量的电压值、采样获得的定子电流稳定时的定子绕组电流值、定子电流稳定前两个时间点的定子反馈电流计算电机定子相绕组的电阻值、定子绕组的D轴电感和Q轴电感；

所述步骤(c)包括根据输入脉冲矢量的电压值、定子电流稳定时的定子绕组电流值及相绕组电阻公式计算电机定子相绕组的电阻值R，所述相绕组电阻公式为：

R＝U/I*2/3，

其中U为输入脉冲矢量的电压有效值，I为定子电流稳定时的电流有效值；

所述步骤(c)包括：

(c1)通过坐标变换获得电流稳定前两个时间点的反馈电流的D轴分量i_d1、i_d2和Q轴分量i_q1、i_q2；

(c2)根据输入脉冲矢量的电压值、定子相绕组电压、两个时间点的反馈电流的D轴分量i_d1、i_d2和Q轴分量i_q1、i_q2以及转子零速时定子电压方程计算获得定子绕组的D轴电感L_d和Q轴电感L_q，所述转子零速时定子电压方程为：

u_d＝Ri_d+L_dPi_d，

u_q＝Ri_q+L_qPi_q，

其中u_d为输入脉冲矢量的D轴分量，u_q为输入脉冲矢量的Q轴分量，i_d为反馈电流的D轴分量，i_q为反馈电流的Q轴分量，P为微分算子。

4.根据权利要求3所述的永磁同步电机参数识别方法，其特征在于：所述永磁同步电机为表贴式同步隐极式电机，所述两个时间点中的第一时间点为0、第二时间点小于或等于30us，所述步骤(c)通过下式计算D轴电感L_d和Q轴电感L_q：L_d＝L_q＝(U_d-Ri_d2)/t2，其中所述U_d为输入脉冲矢量的电压的D轴分量，i_d2为第二时间点的反馈电流的D轴分量，t2为两个时间点的间隔时间。

5.一种永磁同步电机控制装置，其特征在于：包括脉冲输入单元、电流采样单元、计时器单元以及参数计算单元，其中：所述脉冲输入单元，用于向电机定子输入使电机转子保持静止的脉冲矢量；所述电流采样单元，用于采样电机输入电流；所述参数计算单元，用于根据输入脉冲矢量的电压值、定子电流稳定时的电流、在定子电流稳定前两个时间点的定子反馈电流计算电机定子相绕组的电阻值、定子绕组的D轴电感和Q轴电感；

所述参数计算单元包括有效值计算子单元、电阻计算子单元、坐标变换子单元和电感计算子单元；所述有效值计算子单元用于计算采样获得的定子电流稳定时的电流的有效值以及计算输入脉冲矢量的电压有效值；所述电阻计算子单元用于根据输入脉冲矢量的电压有效值、定子电流稳定时的电流有效值及相绕组电阻公式计算电机定子相绕组的电阻值R，所述相绕组电阻公式为：R＝U/I*2/3，其中U为输入脉冲矢量的电压有效值，I为定子电流稳定时的电流有效值；所述坐标变换子单元用于将采样获得的反馈电流通过坐标变换转换为反馈电流的D轴分量和Q轴分量；所述电感计算子单元，用于根据输入脉冲矢量的电压值、定子相绕组电压、在定子电流稳定前两个时间点的反馈电流的D轴分量i_d1、i_d2和Q轴分量i_q1、i_q2以及转子零速时定子电压方程计算获得定子绕组的D轴电感L_d和Q轴电感L_q，所述转子零速时定子电压方程为：

u_d＝Ri_d+L_dPi_d，

u_q＝Ri_q+L_qPi_q，

其中u_d为输入脉冲矢量的D轴分量，u_q为输入脉冲矢量的Q轴分量，i_d为反馈电流的D轴分量，i_q为反馈电流的Q轴分量，P为微分算子。