CN103178769B - 永磁同步电机静止状态下参数离线辨识方法 - Google Patents

Abstract

永磁同步电机静止状态下参数离线辨识方法，属于电机控制领域。它为了解决现有永磁同步电机静止参数辨识方法需要转子外锁、辨识时间过长、结果一致性差、实用性较差等问题。该方法始终保持转子处于静止的状态，在定子绕组的直轴注入高频电压信号，检测三相定子电流并变换到两相旋转坐标，通过离散傅里叶变换之后可以得到直轴高频电流幅值，从而计算得到直轴电感数值;然后在定子绕组交轴注入高频电压信号，用同样的方法得到交轴电感数值;接着在定子绕组的直轴通入线性增加的电流，通过对逆变器电压的重构，得到产生相应电流的电压，以直轴电压值为纵坐标，直轴电流值为横坐标，使用最小二乘法计算拟合直线斜率，最终得到斜率值就是定子电阻数值。

Description

永磁同步电机静止状态下参数离线辨识方法

技术领域

本发明涉及电机控制领域，具体涉及永磁同步电机静止状态下参数离线辨识方法。

背景技术

近年来，永磁同步电机调速系统逐渐成为交流调速传动领域的研究热点，在航天、电动车等领域得到广泛的应用。这是由于永磁同步电机与传统的感应电机相比，其优点在于:高效节能、功率因数高、功率密度高、过载能力强等，永磁同步电机已成为变频调速电气传动系统的理想选择。

目前，许多永磁同步电机调速系统的控制技术，例如最大转矩电流比控制、弱磁控制、无位置传感控制等均要求事先知道永磁同步电机的参数。此外，在设计永磁同步电机矢量控制系统的电流环PI控制器时，也需要知道被控电机的参数。因此，在永磁同步电机处于静止状态下预先辨识其参数变的十分重要。

针对永磁同步电机参数的静止辨识需求，目前较多采用的方法是使用仪器对电机进行测量。该方法需要人工转动电机转子，并且需要转子的精确定位，耗时费力。也有提出采用通用变频器对电机参数进行辨识的方案，这些方案在辨识过程中需要对转子外锁或者在辨识起始时转子会转动到一个固定位置，这在电机已经耦合负载的情况下便无法适用，同时有些方法的辨识精度也不高。

发明内容

本发明为了解决现有永磁同步电机静止参数辨识方法需要转子外锁、辨识时间过长、结果一致性差、实用性较差等问题，从而提出了永磁同步电机静止状态下参数离线辨识方法。

本发明所述的永磁同步电机静止状态下参数离线辨识方法包括下述步骤:

步骤一、通过向永磁同步电机的定子绕组中注入高频旋转电压和脉冲电压的方式获得永磁同步电机转子初始位置角θ；

步骤二、停止注入电压，采用开环控制方式，在被测永磁同步电机的定子绕组直轴中注入幅值为U_id、角频率为ω_i的直轴正弦高频电压矢量信号;

同时采集永磁同步电机定子绕组的三相电流数值，通过旋转坐标变换，得到直轴高频电流分量，

采用离散傅里叶变换对得到直轴高频电流幅值进行处理，进而计算得到直轴电感L_d，

计算得到直轴电感L_d的具体过程为：

步骤二一、通过查表法产生幅值为U_id、角频率为ω_i的直轴正弦高频电压矢量信号U_idsinω_it，

步骤二二、通过采集获得的A相绕组的电流和C相绕组的电流，计算得到B相绕组的电流，

步骤二三、利用三相静止坐标到两相旋转坐标系的变换公式，得到直轴电流值和交轴电流值，

步骤二四、采用离散傅里叶变换计算直轴电流中ω_i频率的正弦分量的幅值I_d1，

步骤二五、由U_id、I_d1和ω_i计算得到直轴电感L_d，

步骤三、停止注入直轴高频电压矢量信号，在永磁同步电机定子绕组交轴注入幅值为U_iq、角频率为ω_i的交轴正弦高频电压矢量信号;

同时采集永磁同步电机定子绕组三相电流数值，通过旋转坐标变换，得到交轴高频电流分量，

采用离散傅里叶变换得到交轴高频电流幅值，进而计算得到交轴电感L_q，

计算得到交轴电感L_q的具体过程为:

步骤三一、通过查表法产生幅值为U_iq、角频率为ω_i的直轴正弦高频电压矢量信号U_iqsinω_it，

步骤三二、通过采集获得的A相绕组的电流和C相绕组的电流，计算得到B相绕组的电流，

步骤三三、利用三相静止坐标到两相旋转坐标系的变换公式，得到直轴电流值和交轴电流值，

步骤三四、采用离散傅里叶变换计算交轴电流中ω_i频率的正弦分量的幅值I_q2，

步骤三五、由U_iq、I_q2和ω_i计算得到交轴电感L_q，

步骤四、采用电流环闭环控制，在直轴上注入一个随时间线性增加的直轴电流，得到在不同电流下对应的电流PI调节器输出值采用不同电流下对应的电流PI调节器输出值对逆变器输出电压的重构，得到产生相应电流的电压u_sd，以直轴电压值为纵坐标，直轴电流值为横坐标，注入的电流信号为电机额定电流的20%～50%，利用最小二乘法对直线u＝f(i)＝R_si_sd+Δu进行拟合，得到的斜率参数R_s是所辨识得到的永磁同步电机定子电阻值，完成永磁同步电机参数辨识，获得了直轴电感L_d、交轴电感L_q和所辨识得到的永磁同步电机定子电阻值R_s，

其中，Δu是由于逆变器非线性产生的偏置量。

本发明的优点:

本发明采用的在永磁同步电机直轴和交轴注入高频信号的方式，分别计算得到直轴和交轴电感，再通过往直轴注入阶梯上升的电流信号，利用最小二乘拟合直线的方式，得到电阻参数，整体过程简单易行，需要时间缩短10到30秒;在辨识电阻的过程中，消除了逆变器非线性对辨识结果的影响，辨识结果有较高的一致性，相对于平均值的偏差在5%以内;能够保证在整个辨识过程中，电机转子处于静止状态;可以广泛地应用到内置式永磁同步电机控制系统中，不需要额外硬件开销，可以在普通商用变频器上广泛应用。

附图说明

图1是本发明所述的永磁同步电机静止状态下参数离线辨识方法流程图，

图2是在直轴注入正弦高频电压信号辨识直轴电感参数的原理框图，

图3是在交轴注入正弦高频电压信号辨识交轴电感参数的原理框图，

图4是在直轴注入线性增加电流辨识定子电阻的原理框图，

图5是两相同步旋转轴系、两相静止轴系和三相静止轴系的相对关系示意图。其中，d-q坐标系为两相同步旋转轴系、α-β坐标系为两相静止轴系、ABC坐标系为三相静止轴系。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述的永磁同步电机静止状态下参数离线辨识方法包括下述步骤:

步骤一、通过向永磁同步电机的定子绕组中注入高频旋转电压和脉冲电压的方式获得永磁同步电机转子初始位置角θ；

步骤二、停止注入电压，采用开环控制方式，在被测永磁同步电机的定子绕组直轴中注入幅值为U_id、角频率为ω_i的直轴正弦高频电压矢量信号;

同时采集永磁同步电机定子绕组的三相电流数值，通过旋转坐标变换，得到直轴高频电流分量，

在每次注入直轴高频电压的同时，采集三相定子绕组中的A相电流i_ad、B相电流i_bd和C相电流i_cd，并将所述三相静止坐标系下的三相定子电流i_ad、i_bd和i_cd转换成两相同步旋转坐标系下的d轴电流i_d1和q轴电流i_q1，通过离散傅里叶变换得到的d轴电流i_d1的幅值为i_d1，其中坐标变换角为步骤一所得到的初始位置角，

采用离散傅里叶变换对得到直轴高频电流幅值进行处理，进而计算得到直轴电感L_d;

步骤三、停止注入直轴高频电压矢量信号，在永磁同步电机定子绕组交轴注入幅值为U_iq、角频率为ω_i的交轴正弦高频电压矢量信号;

同时采集永磁同步电机定子绕组三相电流数值，通过旋转坐标变换，得到交轴高频电流分量，

在每次注入直轴高频电压的同时，采集三相定子绕组中A相电流i_aqi_ad、B相电流i_bq和C相电流i_cq，并将所述三相静止坐标系下的三相定子电流i_aq、i_bq和i_cq转换成两相同步旋转坐标系下的d轴电流i_d2和q轴电流i_q2，通过离散傅里叶变换得到的q轴电流i_q2的幅值为I_q2，其中坐标变换角为步骤一所得到的初始位置角，

采用离散傅里叶变换得到交轴高频电流幅值，进而计算得到交轴电感L_q;

步骤四、采用电流环闭环控制，在直轴上注入一个随时间线性增加的直轴电流，得到在不同电流下对应的电流PI调节器输出值，采用不同电流下对应的电流PI调节器输出值对逆变器输出电压的重构，得到产生相应电流的电压u_sd，以直轴电压值为纵坐标，直轴电流值为横坐标，注入的电流信号为电机额定电流的20%～50%，通常为30%至50%，利用最小二乘法对直线u＝f(i)＝R_si_sd+Δu进行拟合，得到的斜率参数R_s是所辨识得到的永磁同步电机定子电阻值，完成永磁同步电机参数辨识，获得了直轴电感L_d、交轴电感L_q和所辨识得到的永磁同步电机定子电阻值R_s，

其中，Δu是由于逆变器非线性产生的偏置量。

本实施方式中所提及的所有角度均为电角度。

具体实施方式二、本实施方式与具体实施方式一所述的永磁同步电机静止状态下参数离线辨识方法的区别在于，步骤二所述的采用离散傅里叶变换对得到直轴高频电流幅值进行处理，进而计算得到直轴电感L_d的具体过程为:

步骤二一、通过查表法产生幅值为U_id、角频率为ω_i的直轴正弦高频电压矢量信号U_idsinω_it，

步骤二二、通过采集获得的A相绕组的电流和C相绕组的电流，计算得到B相绕组的电流，

步骤二三、利用三相静止坐标到两相旋转坐标系的变换公式，得到直轴电流值和交轴电流值，

步骤二四、采用离散傅里叶变换计算直轴电流中ω_i频率的正弦分量的幅值I_d1，

步骤二五、由U_id、I_d1和ω_i计算得到直轴电感L_d。

具体实施方式三、本实施方式与具体实施方式一所述的永磁同步电机静止状态下参数离线辨识方法的区别在于，步骤三所述的采用离散傅里叶变换得到交轴高频电流幅值，进而计算得到交轴电感L_q的具体过程为:

步骤三一、通过查表法产生幅值为U_iq、角频率为ω_i的直轴正弦高频电压矢量信号U_iqsinω_it，

步骤三二、通过采集获得的A相绕组的电流和C相绕组的电流，计算得到B相绕组的电流，

步骤三三、利用三相静止坐标到两相旋转坐标系的变换公式，得到直轴电流值和交轴电流值，

步骤三四、采用离散傅里叶变换计算交轴电流中ω_i频率的正弦分量的幅值I_q2，

步骤三五、由U_iq、I_q2和ω_i计算得到交轴电感L_q。

具体实施方式四、本实施方式与具体实施方式一、二或三所述的永磁同步电机静止状态下参数离线辨识方法的区别在于，步骤二所述的在被测永磁同步电机的定子绕组直轴中注入幅值为U_id、角频率为ω_i的直轴正弦高频电压矢量信号的幅值为被测永磁同步电机额定电压的30%～80%，注入持续时间为3s～5s，注入频率为5OOHz～2kHz;

步骤三所述的在永磁同步电机定子绕组交轴注入幅值为U_iq、角频率为ω_i的交轴正弦高频电压矢量信号的幅值为被测永磁同步电机额定电压的30%～80%，注入持续时间为3s～5s，注入频率为5OOHz～2kHz。

所注入高频旋转电压信号的频率远大于内置式永磁同步电机的额定运行频率。

具体实施方式五、本实施方式与具体实施方式一所述的永磁同步电机静止状态下参数离线辨识方法的区别在于，步骤四中所述的在直轴上注入一个随时间线性增加的直轴电流的注入持续时间为2s～10s，通常采用5s～8s;注入的最大电流为电机的额定电流的60%～120%，通常为80%～100%。

永磁同步电机系统可以模仿直流电机的控制方法对永磁同步电机进行控制。在永磁同步电机的转子位置可知的情况下，借助坐标变换，可以转换成等效直流电机来控制。在一些具体的控制方法中，例如最大转矩电流比控制、弱磁控制、无位置传感控制等均要求事先知道永磁同步电机的参数，本发明提出的方法就是解决获得永磁同步电机参数的静止辨识问题。

永磁同步电动机是交流同步电机调速系统的主要环节，参见图5所示，取转子永磁体基波励磁磁场轴线为直轴(d轴)，交轴(q轴)顺着旋转方向超前直轴90度，直交轴轴系随同转子以角速度ω_r一道旋转，它的空间坐标以直轴与参考轴A相轴间的角度θ来表示，规定A相所在轴——参考轴A相轴为零度。则转子初始位置角θ为初始时的转子磁场与参考轴A相轴之间的夹角。参考轴A相轴与两相静止坐标系下的α轴重合，β轴顺着旋转方向超前α轴90度。

本发明分三大部分辨识永磁同步电机的参数，

第一部分如步骤一至步骤二所述，辨识得到永磁同步电机的直轴电感L_d，

第二部分如步骤三所述，辨识得到永磁同步电机的交轴电感L_q，

第三部分如步骤四所述，辨识得到永磁同步电机的定子电阻R_s。

下面进行详细说明:

第一部分得到永磁同步电机的转子初始位置并辨识得到直轴电感L_d，直轴电感辨识过程参见图2所示，在定子绕组直轴中注入正弦波高频电压信号，通过检测三相定子电流，对三相定子电流变换到两相旋转坐标系，然后经过离散傅里叶变换和相应计算，从而获得永磁同步电机的直轴电感L_d。

在两相旋转坐标系下，直轴电压方程可以表示为:

其中，R_s为定子电阻，为直轴磁链、为交轴磁链，ω_e为转子电角速度，p为微分算子。

由于转子保持静止，则ω_e为0。在分析高频电压模型时，定子电阻R_s相对于高频电抗分量非常小，电阻压降可以忽略不计，进而式(1)可以表示为式(2)所示:

由软件程序产生所注入直轴高频电压信号的参考值，它的幅值为U_id、角频率为ω_i，通过软件计数器进行定时控制，可以实时电角度为ω_it，在两相旋转坐标系下直轴电压信号的参考值为U_idsinω_it。通过两相旋转坐标系到两相静止坐标系的变换，分别得到在两相静止坐标系下的电压信号参考值和。由于施加在电机直轴的电压信号在永磁同步电机转子上不产生转矩分量，因此能够保持电机转子保持静止状态。

将所述电压参考值和作为输入量，采用空间矢量脉宽调制方法控制三相逆变桥输出三相电压给内置式永磁同步电机，实现往内置式永磁同步电机定子绕组注入直轴的高频电压信号，电压矢量将会在电机内产生脉振磁场，从而产生高频定子电流。

电流检测环节通过电流传感器检测电机定子电流，采样得到的为三相定子电流i_ad、i_bd和i_cd，也可以只检测其中的两相，根据三相电流瞬时值和为0计算出第三相电流。然后按公式(2)进行三相静止到两相旋转坐标系变换:

$\left[\begin{array}{c}{i}_{d1}\\ i_{q1}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& \cos (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& \cos (\mathrm{\θ}-\frac{4\mathrm{\π}}{3})\\ -\sin & -\sin (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& -\sin (\mathrm{\θ}-\frac{4\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ad}}\\ i_{\mathrm{bd}}\\ i_{\mathrm{cd}}\end{array}\right]---\left(2\right)$

高频电流基波幅值的离散傅里叶变换的提取实现方式如下

$\left\{\begin{array}{c}{R}_1=\frac{2}{N}\left[i_{d1}\right[0]+\underset{n=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{i}_{d1}[n\left]\cos \frac{2\mathrm{\πn}}{N}\right]\\ {I_1=\frac{2}{N}[-\underset{n=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{i}_{d1}[n\left]\sin \frac{2\mathrm{\πn}}{N}\right]}_{}\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中R₁和I₁分别表示实部和虚部的幅值。

从而可以计算出高频电流的基波幅值为式(4)所示

$I_{d1}=\sqrt{{R_1}^2+{I_1}^2}---\left(4\right)$

因此，可以通过式(5)计算得到永磁同步电机直轴电感L_d:

$L_d=\frac{U_{\mathrm{id}}}{{\mathrm{\ω}}_i{I}_{d1}}---\left(5\right)$

第二部分辨识得到交轴电感L_q，直轴电感辨识过程参见图3所示，在定子绕组交轴中注入正弦波高频电压信号，通过检测三相定子电流，对三相定子电流变换到两相旋转坐标系，然后经过离散傅里叶变换和相应计算，从而获得永磁同步电机的直轴电感L_q，计算方法与步骤二相同，计算公式如式(6)所示:

$L_q=\frac{U_{\mathrm{iq}}}{{\mathrm{\ω}}_i{I}_{q2}}---\left(6\right)$

第三部分辨识得到永磁同步电机定子电阻R_s，具体辨识过程参加图4所示，通过软件计数器产生一个线性增加的直轴电流给定信号，与采样反馈的直轴电流作差，然后输入电流调节器并得到其控制输出信号，同时保持交轴控制输入为0，进而保证不产生交轴电流，防止转子动作。电流调节器输出经过两相旋转坐标系到两相静止坐标系的变换，得到的结果输入空间矢量脉宽调制计算模块，计算得到三相逆变器每个桥臂的占空比，从而控制逆变器的电压输出。采样电机定子三相电流i_ad、i_bd和i_cd，也可以只检测其中的两相，根据三相电流瞬时值和为0计算出第三相电流。然后按公式(2)进行三相静止到两相旋转坐标系变换，得到直轴电流输出i_d1，经过低通滤波器滤波作为反馈，直轴电流信号给定与其作差，然后输入电流调节器，形成电流闭环控制。

采用本发明技术方案，可以在通用变频器上对永磁同步电机的参数进行静止辨识。

Claims (5)

1.永磁同步电机静止状态下参数离线辨识方法，其特征在于：该方法包括下述步骤：

步骤一、通过向永磁同步电机的定子绕组中注入高频旋转电压和脉冲电压的方式获得永磁同步电机转子初始位置角θ；

步骤二、停止注入电压，采用开环控制方式，在被测永磁同步电机的定子绕组直轴中注入幅值为U_id、角频率为ω_i的直轴正弦高频电压矢量信号；

同时采集永磁同步电机定子绕组的三相电流数值，通过旋转坐标变换，得到直轴高频电流分量，

采用离散傅里叶变换得到直轴高频电流幅值，然后再计算得到直轴电感L_d，

步骤三、停止注入直轴正弦高频电压矢量信号，在永磁同步电机定子绕组交轴注入幅值为U_iq、角频率为ω_i的交轴正弦高频电压矢量信号；

同时采集永磁同步电机定子绕组三相电流数值，通过旋转坐标变换，得到交轴高频电流分量，

采用离散傅里叶变换得到交轴高频电流幅值进行处理，进而计算得到交轴电感L_q；

步骤四、采用电流环闭环控制，在直轴上注入一个随时间线性增加的直轴电流，得到在不同电流下对应的电流PI调节器输出值采用不同电流下对应的电流PI调节器输出值对逆变器输出电压的重构，得到产生相应电流的电压u_sd，以直轴电压值为纵坐标，直轴电流值为横坐标，注入的电流信号为电机额定电流的20％～50％，利用最小二乘法对直线u＝f(i)＝R_si_sd+Δu进行拟合，得到的斜率参数R_s是所辨识得到的永磁同步电机定子电阻值，完成永磁同步电机参数辨识，获得了直轴电感L_d、交轴电感L_q和所辨识得到的永磁同步电机定子电阻值R_s，

其中，Δu是由于逆变器非线性产生的偏置量。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机静止状态下参数离线辨识方法，其特征在于：步骤二所述的采用离散傅里叶变换得到直轴高频电流幅值，然后再计算得到直轴电感L_d的具体过程为：

步骤二一、通过查表法产生幅值为U_id、角频率为ω_i的直轴正弦高频电压矢量信号U_idsinω_it，

步骤二二、通过采集获得的A相绕组的电流和C相绕组的电流，计算得到B相绕组的电流，

步骤二三、利用三相静止坐标到两相旋转坐标系的变换公式，得到直轴电流值和交轴电流值，

步骤二四、采用离散傅里叶变换计算直轴电流中ω_i频率的正弦分量的幅值I_d1，

步骤二五、由U_id、I_d1和ω_i计算得到直轴电感L_d。

3.根据权利要求1所述的永磁同步电机静止状态下参数离线辨识方法，其特征在于：步骤三所述的采用离散傅里叶变换得到交轴高频电流幅值进行处理，进而计算得到交轴电感L_q的具体过程为：

步骤三一、通过查表法产生幅值为U_iq、角频率为ω_i的交轴正弦高频电压矢量信号U_iqsinω_it，

步骤三二、通过采集获得的A相绕组的电流和C相绕组的电流，计算得到B相绕组的电流，

步骤三三、利用三相静止坐标到两相旋转坐标系的变换公式，得到直轴电流值和交轴电流值，

步骤三四、采用离散傅里叶变换计算交轴电流中ω_i频率的正弦分量的幅值I_q2，

步骤三五、由U_iq、I_q2和ωi计算得到交轴电感L_q。

4.根据权利要求1、2或3所述的永磁同步电机静止状态下参数离线辨识方法，其特征在于：步骤二所述的在被测永磁同步电机的定子绕组直轴中注入幅值为U_id、角频率为ω_i的直轴正弦高频电压矢量信号的幅值为被测永磁同步电机的额定电压的30％～80％，注入持续时间为3s～5s，注入频率为500Hz～2kHz；

步骤三所述的在永磁同步电机定子绕组交轴注入幅值为U_iq、角频率为ω_i的交轴正弦高频电压矢量信号的幅值为被测永磁同步电机额定电压的30％～80％，注入持续时间为3s～5s，注入频率为500Hz～2kHz。

5.根据权利要求1所述的永磁同步电机静止状态下参数离线辨识方法，其特征在于：步骤四中所述的在直轴上注入一个随时间线性增加的直轴电流的注入持续时间为2s～10s；注入的最大电流为电机的额定电流的60％～120％。