CN104836499B - 永磁同步电机交、直轴电感参数在线辨识方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种永磁同步电机交、直轴电感参数在线辨识方法及系统，其中方法包括：采样永磁同步电机在dq坐标系下的直轴电压ud、交轴电压uq、直轴电流id、以及交轴电流iq；根据直轴电压ud、交轴电压uq、直轴电流id、交轴电流iq，对反电势系数和永磁同步电机的相电阻Rs取常数，对最小二乘法进行降阶处理，计算得到永磁同步电机的交轴电感参数Lq，以及永磁同步电机的直轴电感参数Ld。其通过根据直轴电压ud、交轴电压uq、直轴电流id、交轴电流iq、以及基于最小二乘法的降阶计算模型，计算永磁同步电机的交轴电感参数Lq以及直轴电感参数Ld，减小了计算量，从而有效的解决了现有的基于最小二乘法实现永磁同步电机参数的在线辨识方法中的计算量较大的问题。
Description
技术领域
本发明涉及电机领域，特别是涉及一种永磁同步电机交、直轴电感参数在线辨识方法及系统。
背景技术
永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）以其结构简单、运行可靠、体积小、损耗低、效率高等优点，在数控机床、电子电气领域得到广泛应用。永磁同步电机参数对于其应用有着重要的影响。通常，永磁同步电机运行时，电感参数变化很大，合适的永磁同步电机参数在线辨识方法对于高精度的永磁同步电机控制系统非常重要。高斯在预测天体运动轨迹时提出的最小二乘法，由于具有计算原理简单，不需要所估计变量的任何统计特性，因此被广泛应用于系统参数辨识，甚至在许多其它参数辨识方法失效时，仍能够提供比较准确的辨识结果；现有的基于最小二乘法实现永磁同步电机参数的在线辨识方法是对永磁同步电机的绕组电阻及交、直轴电感参数进行辨识，其需要进行大量的矩阵计算，在进行矩阵计算时，在实际应用中计算量较大，占用运行资源较多。
发明内容
基于此，有必要针对现有的基于最小二乘法实现永磁同步电机参数的在线辨识方法中的计算量较大的问题，提供一种永磁同步电机交、直轴电感参数在线辨识方法及系统。
一种永磁同步电机交、直轴电感参数在线辨识方法，包括如下步骤：
S100，采样永磁同步电机在dq坐标系下的直轴电压ud、交轴电压uq、直轴电流id、以及交轴电流iq；
S200，根据所述直轴电压ud、所述交轴电压uq、所述直轴电流id、以及所述交轴电流iq，对反电势系数和所述永磁同步电机的相电阻Rs取常数，对最小二乘法进行降阶处理，计算得到所述永磁同步电机的交轴电感参数Lq，以及所述永磁同步电机的直轴电感参数Ld。
较佳地，所述对最小二乘法进行降阶处理后，得到的基于最小二乘法的降阶计算模型为：
yd(k)=εd(k)；
θd=[bd,cd]T；
yq(k)=εq(k)；
θq=[bq,cq]T；
其中，k为当前采样时刻，k-1为上一采样时刻；
yd(k)为当前采样所述永磁同步电机输出的直轴向量，yq(k)为当前采样所述永磁同步电机输出的交轴向量；
θd为所述永磁同步电机的直轴电感参数向量，θq为所述永磁同步电机的交轴电感参数向量；
Ts为采样时间，为所述永磁同步电机的相电阻Rs的最小二乘估计，ωe为所述永磁同步电机的电角速度。
作为一种可实施方式，所述步骤S100包括如下步骤：
S110，控制电流环控制器发出电压命令，产生所述永磁同步电机在所述dq坐标系下的所述直轴电压ud、所述交轴电压uq；
S120，所述永磁同步电机在所述dq坐标系下的所述直轴电压ud、所述交轴电压uq经由Park逆变换，得到所述永磁同步电机在αβ坐标系下的第一直轴电压uα、第一交轴电压uβ；
S130，所述永磁同步电机在所述αβ坐标系下的所述第一直轴电压uα、所述第一交轴电压uβ经空间矢量脉宽调制后经由逆变器驱动所述永磁同步电机；
S140，采样所述永磁同步电机在所述第一直轴电压uα、所述第一交轴电压uβ驱动下，产生的三相电流，取任意两相电流进行Clarke变换及Park变换后，得到所述永磁同步电机在所述dq坐标系下的所述直轴电流id、以及所述交轴电流iq。
作为一种可实施方式，所述步骤S100还包括如下步骤：
S140’，检测所述永磁同步电机的电角速度ωe。
较佳地，所述最小二乘法为普通最小二乘法、遗忘因子最小二乘法、增广最小二乘法、辅助模型最小二乘法、广义最小二乘法、或广义增广最小二乘法。
相应的，为实现上述永磁同步电机交、直轴电感参数在线辨识方法，本发明还提供了一种永磁同步电机交、直轴电感参数在线辨识系统，包括电流环控制器、Park逆变换单元、空间矢量脉宽调制单元、逆变器、Clarke变换单元、Park变换单元、还包括参数辨识单元，其中：
所述电流环控制器的输出端与所述Park逆变换单元的输入端连接，用于将在dq坐标系下的直轴电压ud和交轴电压uq输入给所述Park逆变换单元；
所述Park逆变换单元的输出端与所述空间矢量脉宽调制单元的输入端连接，所述空间矢量脉宽调制单元的输出端与所述逆变器的输入端连接，所述逆变器的输出端与永磁同步电机的输入端连接，用于向所述永磁同步电机输入驱动电压；
所述永磁同步电机的输出端与所述Clarke变换单元的输入端连接，用于向所述Clarke变换单元输入所述永磁同步电机在所述驱动电压下产生的三相电流；
所述Clarke变换单元，用于采样所述三相电流中任意两相，进行Clarke变换；
所述Park变换单元的输入端与所述Clarke变换单元的输出端连接，用于将进行所述Clarke变换后的任意两相电流进行Park变换，转换为在所述dq坐标系下的直轴电流id、以及交轴电流iq；
所述参数辨识单元，用于利用所述直轴电压ud、所述交轴电压uq、所述直轴电流id、以及所述交轴电流iq，对反电势系数和所述永磁同步电机的相电阻Rs取常数，对最小二乘法进行降阶处理，计算得到所述永磁同步电机的交轴电感参数Lq，以及所述永磁同步电机的直轴电感参数Ld。
较佳地，还包括角速度与角位置传感器，其中：
所述角速度与角位置传感器的输入端与所述永磁同步电机的输出端连接，所述角速度与角位置传感器的输出端与所述参数辨识单元的输入端连接，用于检测所述永磁同步电机的电角速度ωe，并将所述电角速度ωe输入给所述参数辨识单元。
值得说明的是，所述最小二乘法为普通最小二乘法、遗忘因子最小二乘法、增广最小二乘法、辅助模型最小二乘法、广义最小二乘法、或广义增广最小二乘法。
本发明提供的一种永磁同步电机交、直轴电感参数在线辨识方法及系统，其中方法为采样永磁同步电机在dq坐标系下的直轴电压ud、交轴电压uq、直轴电流id、以及交轴电流iq；利用直轴电压ud、交轴电压uq、直轴电流id、交轴电流iq，对反电势系数和永磁同步电机的相电阻Rs取常数，对最小二乘法进行降阶处理，计算得到永磁同步电机的交轴电感参数Lq，以及永磁同步电机的直轴电感参数Ld。其通过采样直轴电压ud、交轴电压uq、直轴电流id、以及交轴电流iq，对反电势系数和永磁同步电机的相电阻Rs取常数，对最小二乘法进行降阶处理，计算永磁同步电机的交轴电感参数Lq，以及永磁同步电机的直轴电感参数Ld，减小计算量，从而有效的解决了现有的基于最小二乘法实现永磁同步电机参数的在线辨识方法中的计算量较大的问题。
附图说明
图1为永磁同步电机交、直轴电感参数在线辨识方法流程图；
图2为永磁同步电机交、直轴电感参数在线辨识系统一具体实施例示意图。
具体实施方式
为使本发明技术方案更加清楚，以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。
参见图1，一种永磁同步电机交、直轴电感参数在线辨识方法，包括如下步骤：
S100，采样永磁同步电机在dq坐标系下的直轴电压ud、交轴电压uq、直轴电流id、以及交轴电流iq；
S200，根据直轴电压ud、交轴电压uq、直轴电流id、以及交轴电流iq，对反电势系数和永磁同步电机的相电阻Rs取常数，对最小二乘法进行降阶处理，计算得到永磁同步电机的交轴电感参数Lq，以及永磁同步电机的直轴电感参数Ld。
本发明提供的永磁同步电机交、直轴电感参数在线辨识方法，通过根据永磁同步电机在dq坐标系下的直轴电压ud、交轴电压uq、直轴电流id、以及交轴电流iq，对反电势系数和永磁同步电机的相电阻Rs取常数，对最小二乘法进行降阶处理，计算永磁同步电机的交轴电感参数Lq及直轴电感参数Ld，实现永磁同步电机交直轴电感参数基于最小二乘法的辨识方法中的计算模型的降阶处理，从而减小计算量，有效的解决了现有的基于最小二乘法实现永磁同步电机参数的在线辨识方法中的计算量较大的问题。
较佳地，对最小二乘法进行降阶处理后，得到的基于最小二乘法的降阶计算模型为：
yd(k)=εd(k)；
θd=[bd,cd]T；
yq(k)=εq(k)；
θq=[bq,cq]T；
其中，k为当前采样时刻，k-1为上一采样时刻；
yd(k)为当前采样永磁同步电机输出的直轴向量，yq(k)为当前采样永磁同步电机输出的交轴向量；θd为永磁同步电机的直轴电感参数向量，θq为永磁同步电机的交轴电感参数向量；为永磁同步电机的相电阻Rs的最小二乘估计；Ts为采样时间，Rs为永磁同步电机的相电阻，为常数；ωe为永磁同步电机的电角速度；其通过将现有的基于最小二乘法的永磁同步电机交、直轴电感参数计算模型中的三阶计算降低到两阶计算，有效的减小了计算量，解决了现有的基于最小二乘法的永磁同步电机交、直轴电感参数辨识中计算量大的问题。
作为本发明永磁同步电机交、直轴电感参数在线辨识方法一具体实施例，步骤S100包括如下步骤：
S110，控制电流环控制器发出电压命令，产生永磁同步电机在dq坐标系下的直轴电压ud、交轴电压uq；
S120，永磁同步电机在dq坐标系下的直轴电压ud、交轴电压uq经由Park逆变换，得到永磁同步电机在αβ坐标系下的第一直轴电压uα、第一交轴电压uβ；
S130，永磁同步电机在αβ坐标系下的第一直轴电压uα、第一交轴电压uβ经空间矢量脉宽调制后经由逆变器驱动永磁同步电机；
S140，采样永磁同步电机在第一直轴电压uα、第一交轴电压uβ驱动下，产生的三相电流，取任意两相电流进行Clarke变换及Park变换后，得到永磁同步电机在dq坐标系下的直轴电流id、以及交轴电流iq。
通过控制电流环控制器发出电压命令，产生永磁同步电机在dq坐标系下的直轴电压ud、交轴电压uq，从而准确的采集到直轴电压ud和交轴电压uq，并控制将直轴电压ud、交轴电压uq经由Park变换及空间矢量脉宽调制后，由逆变器输送给永磁同步电机，驱动永磁同步电机运行，进而检测永磁同步电机运行后在驱动电压的作用下产生的电流，对电流进行采样及变换，得到永磁同步电机在dq坐标系下的直轴电流id、以及交轴电流iq，操作简单，容易实现。
值得说明的是，步骤S100还包括如下步骤：
S140’，检测永磁同步电机的电角速度ωe。
由于永磁同步电机是一个非线性、强耦合的多变量系统，在对永磁同步电机进行控制时，采用转子定向坐标，可以消除定子绕组与转子之间的耦合，方便分析永磁同步电机的稳态和暂态性能，因此永磁同步电机参数辨识大多基于转子坐标系数学模型。为方便数字化实现基于最小二乘法的永磁同步电机交、直轴电感参数在线辨识，首先对永磁同步电机数学模型进行数字化处理。通过控制电流环控制器发出电压命令，产生永磁同步电机在dq坐标系下的直轴电压ud、交轴电压uq，同时采集到永磁同步电机在dq坐标系下的直轴电流id、以及交轴电流iq后，当采样时间Ts足够小时，可以认为当前采样周期电流变化率与上一采样周期电流变化率相等，因此，作为本发明永磁同步电机交、直轴电感参数在线辨识方法一具体实施例，根据直轴电压ud、交轴电压uq、直轴电流id、交轴电流iq、电角速度ωe、以及相电阻Rs，离散永磁同步电机的电压方程后得到：
其中，直轴电压ud、交轴电压uq、直轴电流id、以及交轴电流iq均可以通过采样得到，ωe由角速度与角位传感器检测永磁同步电机即可得到，为永磁同步电机转子磁链。
将（1）式和（2）式相加，得到：
id(k)=adid(k-1)+bd(ωe(k)iq(k)+ωe(k-1)iq(k-1))+cd(ud(k)+ud(k-1)) （5）；
其中，
将（3）式和（4）式相加，得到：
iq(k)=aqiq(k-1)+bq(ωe(k)id(k)+ωe(k-1)id(k-1))+cq(u'q(k)+u'q(k-1)) （7）；
其中，
u'q(k)=uq(k)-ωe(k)*ψf （9）；
基于以上分析，可以利用基于最小二乘法实现电机参数的在线辨识，令：
yd(k)=id(k)
θd=[ad,bd,cd]T (10)；
yq(k)=iq(k)
θq=[aq,bq,cq]T (11)；
通过研究分析发现，由于控制算法估算精度主要由永磁同步电机的电感参数决定，所以在永磁同步电机交、直轴电感参数辨识过程中，可以认为反电势系数与永磁同步电机的相电阻Rs为常数，因此对式（5）和式（7）作如下改进：
εd(k)=id(k)-id(k-1)；
εq(k)=iq(k)-iq(k-1)；
因为永磁同步电机的相电阻Rs为常数，根据式（6）和式（8），a和c两个参数中任意一个均可用另外一个表示，本实施例中，用c代表a，对式（10）和式（11）的最小二乘法进行降阶处理，得到降阶计算模型为：
yd(k)=εd(k)；
θd=[bd,cd]T；
yq(k)=εq(k)；
θq=[bq,cq]T；
将（6）式和（8）式代入基于最小二乘法的降阶计算模型，即可辨识永磁同步电机交、直轴电感参数，其在保证辨识精度的前提下，使得矩阵计算由三阶变为两阶，大大降低了算法的计算量，有利于算法的实际运用。
值得说明的是，本发明提供的永磁同步电机交、直轴电感参数辨识方法中对于最小二乘法的改进方法可用于普通最小二乘法、遗忘因子最小二乘法、增广最小二乘法、辅助模型最小二乘法、广义最小二乘法、广义增广最小二乘法等。
相应的，基于同一发明构思，本发明提供了一种永磁同步电机交、直轴电感参数在线辨识系统，由于本发明提供的永磁同步电机交、直轴电感参数在线辨识系统原理与永磁同步电机交、直轴电感参数在线辨识方法原理相似，因此，重复之处不再赘述。
参见图2，一种永磁同步电机交、直轴电感参数在线辨识系统200，包括电流环控制器210、Park逆变换单元220、空间矢量脉宽调制单元（Space Vector Pulse WidthModulation，SVPWM）230、逆变器240、Clarke变换单元250、Park变换单元260，还包括参数辨识单元270，其中：
电流环控制器210的输出端与Park逆变换单元220的输入端连接，用于将在dq坐标系下的直轴电压ud和交轴电压uq输入给Park逆变换单元220；
Park逆变换单元220的输出端与空间矢量脉宽调制单元230的输入端连接，空间矢量脉宽调制单元230的输出端与逆变器240的输入端连接，逆变器240的输出端与永磁同步电机280的输入端连接，用于向永磁同步电机280输入驱动电压；
永磁同步电机280的输出端与Clarke变换单元250的输入端连接，用于向Clarke变换单元250输入永磁同步电机280在驱动电压下产生的三相电流；
Clarke变换单元250，用于采样三相电流中任意两相，进行Clarke变换；
Park变换单元260的输入端与Clarke变换单元250的输出端连接，用于将进行Clarke变换后的任意两相电流进行Park变换，转换为在dq坐标系下的直轴电流id、以及交轴电流iq；
参数辨识单元270，用于利用直轴电压ud、交轴电压uq、直轴电流id、以及交轴电流iq，对反电势系数和永磁同步电机的相电阻Rs取常数，对最小二乘法进行降阶处理，计算得到永磁同步电机的交轴电感参数Lq，以及永磁同步电机的直轴电感参数Ld。
较佳地，还包括角速度与角位置传感器，其中：
角速度与角位置传感器的输入端与永磁同步电机280的输出端连接，角速度与角位置传感器的输出端与参数辨识单元270的输入端连接，用于检测永磁同步电机280的电角速度ωe，并将电角速度ωe输入给参数辨识单元270。
值得说明的是，永磁同步电机交、直轴电感参数在线辨识系统中最小二乘法为普通最小二乘法、遗忘因子最小二乘法、增广最小二乘法、辅助模型最小二乘法、广义最小二乘法、或广义增广最小二乘法。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种永磁同步电机交、直轴电感参数在线辨识方法，其特征在于，包括如下步骤：
S100，采样永磁同步电机在dq坐标系下的直轴电压ud、交轴电压uq、直轴电流id、以及交轴电流iq；
S200，根据所述直轴电压ud、所述交轴电压uq、所述直轴电流id、以及所述交轴电流iq，对反电势系数和所述永磁同步电机的相电阻Rs取常数，对最小二乘法进行降阶处理，计算得到所述永磁同步电机的交轴电感参数Lq，以及所述永磁同步电机的直轴电感参数Ld，所述对最小二乘法进行降阶处理后，得到的基于最小二乘法的降阶计算模型为：
yd(k)＝εd(k)；
θd＝[bd,cd]T；
yq(k)＝εq(k)；
θq＝[bq,cq]T；
其中，k为当前采样时刻，k-1为上一采样时刻；
yd(k)为当前采样所述永磁同步电机输出的直轴向量，yq(k)为当前采样所述永磁同步电机输出的交轴向量；
θd为所述永磁同步电机的直轴电感参数向量，θq为所述永磁同步电机的交轴电感参数向量；
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Ts为采样时间，为所述永磁同步电机的相电阻Rs的最小二乘估计，ωe为所述永磁同步电机的电角速度。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机交、直轴电感参数在线辨识方法，其特征在于，所述步骤S100包括如下步骤：
S110，控制电流环控制器发出电压命令，产生所述永磁同步电机在所述dq坐标系下的所述直轴电压ud、所述交轴电压uq；
S120，所述永磁同步电机在所述dq坐标系下的所述直轴电压ud、所述交轴电压uq经由Park逆变换，得到所述永磁同步电机在αβ坐标系下的第一直轴电压uα、第一交轴电压uβ；
S130，所述永磁同步电机在所述αβ坐标系下的所述第一直轴电压uα、所述第一交轴电压uβ经空间矢量脉宽调制后经由逆变器驱动所述永磁同步电机；
S140，采样所述永磁同步电机在所述第一直轴电压uα、所述第一交轴电压uβ驱动下，产生的三相电流，取任意两相电流进行Clarke变换及Park变换后，得到所述永磁同步电机在所述dq坐标系下的所述直轴电流id、以及所述交轴电流iq。
3.根据权利要求2所述的永磁同步电机交、直轴电感参数在线辨识方法，其特征在于，所述步骤S100还包括如下步骤：
S140’，检测所述永磁同步电机的电角速度ωe。
4.根据权利要求1至3任一项所述的永磁同步电机交、直轴电感参数在线辨识方法，其特征在于，所述最小二乘法为普通最小二乘法、遗忘因子最小二乘法、增广最小二乘法、辅助模型最小二乘法、广义最小二乘法、或广义增广最小二乘法。
5.一种永磁同步电机交、直轴电感参数在线辨识系统，包括电流环控制器、Park逆变换单元、空间矢量脉宽调制单元、逆变器、Clarke变换单元、Park变换单元，其特征在于，还包括参数辨识单元，其中：
所述电流环控制器的输出端与所述Park逆变换单元的输入端连接，用于将在dq坐标系下的直轴电压ud和交轴电压uq输入给所述Park逆变换单元；
所述Park逆变换单元的输出端与所述空间矢量脉宽调制单元的输入端连接，所述空间矢量脉宽调制单元的输出端与所述逆变器的输入端连接，所述逆变器的输出端与永磁同步电机的输入端连接，用于向所述永磁同步电机输入驱动电压；
所述永磁同步电机的输出端与所述Clarke变换单元的输入端连接，用于向所述Clarke变换单元输入所述永磁同步电机在所述驱动电压下产生的三相电流；
所述Clarke变换单元，用于采样所述三相电流中任意两相，进行Clarke变换；
所述Park变换单元的输入端与所述Clarke变换单元的输出端连接，用于将进行所述Clarke变换后的任意两相电流进行Park变换，转换为在所述dq坐标系下的直轴电流id、以及交轴电流iq；
所述参数辨识单元，用于利用所述直轴电压ud、所述交轴电压uq、所述直轴电流id、以及所述交轴电流iq，对反电势系数和所述永磁同步电机的相电阻Rs取常数，对最小二乘法进行降阶处理，计算得到所述永磁同步电机的交轴电感参数Lq，以及所述永磁同步电机的直轴电感参数Ld，所述对最小二乘法进行降阶处理后，得到的基于最小二乘法的降阶计算模型为：
yd(k)＝εd(k)；
θd＝[bd,cd]T；
yq(k)＝εq(k)；
θq＝[bq,cq]T；
其中，k为当前采样时刻，k-1为上一采样时刻；
yd(k)为当前采样所述永磁同步电机输出的直轴向量，yq(k)为当前采样所述永磁同步电机输出的交轴向量；
θd为所述永磁同步电机的直轴电感参数向量，θq为所述永磁同步电机的交轴电感参数向量；
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Ts为采样时间，为所述永磁同步电机的相电阻Rs的最小二乘估计，ωe为所述永磁同步电机的电角速度。
6.根据权利要求5所述的永磁同步电机交、直轴电感参数在线辨识系统，其特征在于，还包括角速度与角位置传感器，其中：
所述角速度与角位置传感器的输入端与所述永磁同步电机的输出端连接，所述角速度与角位置传感器的输出端与所述参数辨识单元的输入端连接，用于检测所述永磁同步电机的电角速度ωe，并将所述电角速度ωe输入给所述参数辨识单元。
7.根据权利要求5或6所述的永磁同步电机交、直轴电感参数在线辨识系统，其特征在于，所述最小二乘法为普通最小二乘法、遗忘因子最小二乘法、增广最小二乘法、辅助模型最小二乘法、广义最小二乘法、或广义增广最小二乘法。
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