CN105119549B - 一种电机定子电阻辨识方法 - Google Patents

Abstract

一种电机定子电阻辨识方法，应用于表贴式永磁同步电机，首先建立基于转子磁链定向的dq坐标系，在表贴式永磁同步电机运转过程中，通过消去电机定子电压方程中非电阻压降的部分，由电阻压降部分的电压和电流计算出定子电阻阻值。本发明的辨识方法不仅实现在线辨识，而且可以辨识电机在不同转速运行时的定子电阻阻值，还可以在电机长时间运转过程中，实时辨识由于电机温度等因素影响而发生改变的定子电阻阻值。与传统在线辨识方法相比，本发明计算定子电阻时，只需要电压电流信号，不需要电机的其他参数信息，具有算法简单，易于用DSP实现的优点，并且具有较高的辨识精度。

Description

一种电机定子电阻辨识方法

技术领域

本发明属于机电技术领域，用于伺服控制领域，涉及电机参数辨识，具体为一种电机定子电阻辨识方法。

背景技术

电机参数辨识主要应用于伺服控制领域，其中，电机在运转过程中参数由于温度等因素的影响发生变化，进而影响控制的效果。研究电机参数的辨识和更新，对于改善控制性能具有重要意义。

目前，电机参数辨识的方法有多种，其中，辨识电机定子电阻的方法主要分为离线辨识和在线辨识。参考文件1：中国专利申请CN201410128726.3《定子电阻的测量方法、装置和温度检测方法、装置》中提出了一种离线辨识定子电阻的方法，其原理如下：首先获取电机电流矢量的角度，每次获取的电机电流矢量的角度在前一次获取的角度的基础上顺时针或逆时针变化预设角度，然后分别设定两次电机d轴电流给定值，相应的得到两次电机稳态电压值，最后根据式(1)计算出电机定子电阻值：

式(1)中，R_s为电机的定子电阻值，I₁、I₂分别为两次电流给定值，U₁、U₂为两次电机稳态电压值。这种方法需要预设电机电流矢量角度，因此无法在电机正常运转过程中对定子电阻进行在线辨识。

参考文献2：中国专利申请CN201210071506.2《定子电阻在线辨识方法及装置》提出了一种在线辨识的方法，其原理如下：当电机处于稳态时，获取电机定子电流i_s和定子电压u_s；将电机定子电流i_s定向在同步旋转dq坐标系的d轴，计算d轴的分量i_d，或将电机定子电流i_s定向在同步旋转dq坐标系q轴，计算q轴的分量i_q；计算锁相角θ_i、同步转速ω_s；根据θ_i计算定子电压u_s在d轴的分量u_d和在所述q轴的分量u_q；获取磁链控制环给定值ψ_s_ref作为电机定子磁链ψ_s的幅值|ψ_s|，并计算ψ_s在q轴的分量ψ_sq，或d轴的分量ψ_sd；根据式(2)计算定子电阻值R_s。

上述的方法需要计算锁相角，同时还需要获取定子磁链的幅值，计算比较复杂。而其他的在线辨识方法，例如最小二乘法、模型参考自适应法和卡尔曼滤波法都存在算法复杂，计算量大等问题，工程化实现比较困难。

发明内容

本发明要解决的问题是：现有技术难以在电机正常运转过程中对定子电阻进行在线辨识，算法复杂，计算量大。

本发明的技术方案为：一种电机定子电阻辨识方法，应用于表贴式永磁同步电机，首先建立基于转子磁链定向的dq坐标系，在表贴式永磁同步电机运转过程中，通过消去电机定子电压方程中非电阻压降的部分，由电阻压降部分的电压和电流计算出定子电阻阻值，包括以下步骤：

1)表贴式永磁同步电机在d轴坐标系下的电压方程为：

u_d为电机定子电压在d轴上的分量，i_d、i_q为电机定子电流在d轴、q轴上的分量，L_s为电机定子电感，ω_e为电机的电角速度,R_s为电机定子电阻，使电机以ω_e运行；

2)设定d轴定子电流给定值为给定值的幅值遵循不改变电机输出电磁转矩T_e的原则，当实际电流i_d稳定在给定值后，此时d轴电感上的压降近似为零，记录多组d轴电压值与电流值，取平均值记为u_d1、i_d1，此时q轴电流记为i_q1；

3)再次进行d轴定子电流给定，给定值设置为当实际电流i_d稳定在给定值后，此时d轴电感上的压降近似为零，记录多组d轴电压与电流值，取出平均值记为u_d2、i_d2，此时q轴电流记为i_q2；

4)步骤2)、3)中，d轴电感上的压降均近似为零；对于表贴式电机，同一电机输出同样的电磁转矩所需要的i_q相等，在转速恒定且负载转矩不变的情况下，电机输出的电磁转矩不变，则i_q1＝i_q2；根据d轴坐标系下的电压方程，消去其中非电阻压降的部分，计算得到电机定子电阻的辨识值：

进一步的，计算多次定子电阻的辨识值，再计算平均值，作为最终的定子电阻辨识值，提高辨识的精度。

作为优选方式，计算多次定子电阻辨识值的平均值时，直接将计算得到的多次定子电阻辨识值累加，再进行求解平均值的操作。这样可以节省处理器资源，提高计算效率。

基于在电机运转的情况下消去电压方程中除了电阻压降的其他项，记录电压电流值最终计算出电阻阻值这一原理，本发明方法除了上述基于d轴电压方程的计算定子电阻，还可以基于q轴电压方程，消去非电阻压降的部分，来计算定子电阻，具体如下：

一种电机定子电阻辨识方法，应用于表贴式永磁同步电机，首先建立基于转子磁链定向的dq坐标系，在表贴式永磁同步电机运转过程中，通过消去电机定子电压方程中非电阻压降的部分，由电阻压降部分的电压和电流计算出定子电阻阻值，包括以下步骤：

1)表贴式永磁同步电机在q轴坐标系下的电压方程为：

u_q为电机定子电压在q轴上的分量，i_d、i_q为电机定子电流在d轴、q轴上的分量，L_s为电机定子电感，ω_e为电机的电角速度,R_s为电机定子电阻，Ψ_f为电机永磁体磁链，使电机以ω_e运行；

2)设定d轴电流给定值当d轴电流稳定为给定值后，施加负载转矩T_L1，待电机转速重新稳定在ω_e后，电机稳态运行，记录多组q轴电压与电流值，分别求平均值，记为u_q1,i_q1；

3)改变负载转矩为T_L2，等到电机转速再次稳定在ω_e时，电机再次稳态运行，记录多组q轴电压与电流值，并求平均值得到u_q2,i_q2；

4)在电机稳态运行时，q轴电流i_q的变化引起的q轴电感上的压降近似为零；在步骤2)3)中，记录电压电流数据时电机的速度稳定在ω_e，i_d也控制等于0，因此，将两次得到的电压记录值u_q1、u_q2相减，根据q轴坐标系下的电压方程，消去其中非电阻压降的部分，计算得到电机定子电阻的辨识值：

进一步的，计算多次定子电阻的辨识值，再计算平均值，作为最终的定子电阻辨识值，提高辨识的精度。

作为优选方式，计算多次定子电阻辨识值的平均值时，直接将计算得到的多次定子电阻辨识值累加，再进行求解平均值的操作。这样可以节省处理器资源，提高计算效率。

本发明与背景两个专利申请都基于电机的电压方程，与参考文献1不同点在于：

根据参考文献1的特征描述，该技术方案需要预设电流矢量作用角度，导致电机转子在辨识时只能静止在某个或某些固定角度，无法在电机正常运转过程中辨识，只能离线辨识定子电阻，而本发明不需要预设电流矢量作用角度，从而可以实现电机在正常运转过程中，对定子电阻进行在线辨识。

与参考文献2不同点在于：

参考文献2需要对于定子磁链进行获取，而在电机运转过程中，电机的定子磁链是实时变化的，而定子磁链的获取算法复杂，计算量大，同时，获取的定子磁链的准确性会严重影响最终的电阻辨识精度，因此变化的定子磁链值对定子电阻的辨识准确度带来很大的影响，而本发明电阻计算只需要电压与电流，获取的方法简单，准确性高，整体实现比参考文献2更简单。

传统的离线辨识方法，只能在电机保持静止或者预设电机电流矢量角度的情况下进行辨识，而本发明的辨识方法不仅实现在线辨识，而且可以辨识电机在不同转速运行时的定子电阻阻值，还可以在电机长时间运转过程中，实时辨识由于电机温度等因素影响而发生改变的定子电阻阻值。与传统在线辨识方法相比，本发明计算定子电阻时，只需要电压电流信号，不需要电机的其他参数信息，具有算法简单，易于用DSP实现的优点，并且具有较高的辨识精度。

附图说明

图1为本发明基于d轴电压方程的定子电阻辨识方法流程图。

图2为本发明基于q轴电压方程的定子电阻辨识方法流程图。

具体实施方式

针对目前电机定子电阻辨识方法存在的不足，本发明提出了一种应用于表贴式永磁同步电机的定子电阻辨识方法，可以在电机运转过程中对电机定子电阻进行辨识，而且辨识精度高，计算量小，易于工程化实现。

本发明关键点是，在电机运转的情况下，消去电压方程中除了电阻压降的其他项，记录电压电流值，最终计算出电阻阻值。本发明不需要进行大量计算，适用于表贴式永磁同步电机的定子电阻辨识，在表贴式永磁同步电机正常运转过程中，实现对电机定子电压中非电阻压降的处理。

表贴式永磁同步电机定子电阻辨识方法的原理是：首先，建立基于转子磁链定向的dq坐标系，得到表贴式永磁同步电机在dq坐标系下的数学模型：

式(3)中，u_d、u_q为电机定子电压在d轴、q轴上的分量，i_d、i_q为电机定子电流在d轴、q轴上的分量，L_s为电机定子电感，ω_e为电机的电角速度,R_s为电机定子电阻，Ψ_f为电机永磁体磁链。

从式(3)中u_d的电压方程可知，u_d是由电机定子电阻上的压降R_si_d、d轴电感上的压降以及耦合电压项-ω_eL_si_q组成。其中，当定子电流i_d进入稳态时，i_d的变化很小，d轴电感上的压降近似为零，可以忽略不计。

根据电机的运动方程有：

式(4)中，T_e为电机输出的电磁转矩，T_L为电机所有负载转矩之和，J为系统转动惯量，ω_m为电机的机械角速度。

当电机速度保持不变时，角加速度为0，式(4)可以转换为：

T_e＝T_L (5)

再考虑电机电磁转矩在dq坐标系下的表达式：

式(6)中，p为电机极对数，Ψ_f为电机永磁体磁链，由式(6)可知，对于表贴式电机，同一电机输出同样的电磁转矩所需要的i_q相等。因此，在转速恒定且负载转矩不变的情况下，电机输出的电磁转矩不变，相应地，所需要的q轴电流不变；可以推导出，式(3)中，u_d的电压方程中的耦合电压项-ω_eL_si_q也保持不变。

在电机运转速度及负载不变的情况下，改变d轴电流i_d的大小，i_d需满足保证不改变电机输出电磁转矩T_e，分别记录电压u_d、电流i_d稳态时的数值,再通过差分的方法，只保留电阻上的压降，便可以在电机运转时，由式(7)、式(8)辨识出永磁同步电机定子电阻的阻值：

u_d1＝R_si_d1-ω_eL_si_q1

具体做法如图1的流程图所示：

1)表贴式永磁同步电机在d轴坐标系下的电压方程为：

u_d为电机定子电压在d轴上的分量，i_d、i_q为电机定子电流在d轴、q轴上的分量，L_s为电机定子电感，ω_e为电机的电角速度,R_s为电机定子电阻，使电机以ω_e运行；

2)设定d轴定子电流给定值为当实际电流i_d稳定在给定值后，此时d轴电感上的压降近似为零，记录多组d轴电压值与电流值，取平均值记为u_d1、i_d1，此时q轴电流记为i_q1；记录多组值后再求平均，可以提高辨识结果的精度和稳定性；

3)再次进行d轴定子电流给定，给定值设置为当实际电流i_d稳定在给定值后，此时d轴电感上的压降近似为零，记录多组d轴电压与电流值，取出平均值记为u_d2、i_d2，此时q轴电流记为i_q2；

4)步骤2)、3)中，d轴电感上的压降均近似为零；对于表贴式电机，同一电机输出同样的电磁转矩所需要的i_q相等，在转速恒定且负载转矩不变的情况下，电机输出的电磁转矩不变，则i_q1＝i_q2；根据d轴坐标系下的电压方程，消去其中非电阻压降的部分，计算得到电机定子电阻的辨识值：

上述步骤2)3)设定d轴定子电流给定值时，对给定值的幅值需要遵循不改变电机输出电磁转矩T_e的原则，在辨识过程中需要满足i_d*表示给定值，I_max为电机定子电流最大值。若给定值不合理，例如给定过大，则无法满足输出转矩不变的条件。

按照上述步骤进行循环操作多次，再计算平均值，这样可以进一步提高辨识的精度。作为优选方式，在数据处理时，不需要把每一次的测量值都保存下来，而是直接将多次测量值累加，再进行求解平均值的操作，这样可以节省处理器资源，提高计算效率。

利用上述定子电阻辨识方法对三款电机进行了电阻辨识，结果如表1所示，从表中结果可以发现，本发明辨识方法可以在电机正常运转的情况下，对电机的定子电阻进行辨识，辨识的误差在10％以内，本发明相比现有技术在实施上更加简单，兼具实时在线辨识的优点以及离线辨识算法简单的优点。

表1定子电阻旋转辨识结果

电机类型	仪器测量值[Ω]	辨识值[Ω]	辨识误差
				被测电机(400W)	2.50	2.70	8.0％
被测电机(750W)	1.50	1.61	7.3％
				被测电机(1KW)	0.35	0.38	8.6％

基于消去电压方程中除了电阻压降的其他项的同一发明构思，上面介绍了基于d轴电压方程的辨识方法，下面再说明基于q轴电压方程的辨识方法。

如图2所示，包括以下步骤：

1)首先建立基于转子磁链定向的dq坐标系，表贴式永磁同步电机在q轴坐标系下的电压方程为：

u_q为电机定子电压在q轴上的分量，i_d、i_q为电机定子电流在d轴、q轴上的分量，L_s为电机定子电感，ω_e为电机的电角速度,R_s为电机定子电阻，Ψ_f为电机永磁体磁链，使电机以ω_e运行；

2)设定d轴电流给定值当d轴电流稳定为给定值后，施加负载转矩T_L1，待电机转速重新稳定在ω_e后，记录多组q轴电压与电流值，分别求平均值，记为u_q1,i_q1；

3)改变负载转矩为T_L2，等到电机转速再次稳定在ω_e时，记录多组q轴电压与电流值，并求平均值得到u_q2,i_q2；

4)在稳态时，即电机的电流i_d稳定在给定值0，i_q稳定，同时电机以稳定的速度运行，此时q轴电流i_q的变化引起的q轴电感上的压降近似为零；在步骤2)3)中，记录电压电流数据时电机的速度稳定在ω_e，即i_d也控制等于0，因此，将两次得到的电压记录值u_q1、u_q2相减，根据q轴坐标系下的电压方程，消去其中非电阻压降的部分，计算得到电机定子电阻的辨识值：

与基于d轴电压方程的辨识方法一样，基于q轴电压方程辨识时，计算多次定子电阻的辨识值，再计算平均值，作为最终的定子电阻辨识值，提高辨识的精度。同时作为优选方式，计算多次定子电阻辨识值的平均值时，直接将计算得到的多次定子电阻辨识值累加，再进行求解平均值的操作，这样可以节省处理器资源，提高计算效率。

Claims (3)

1.一种电机定子电阻辨识方法，其特征是应用于表贴式永磁同步电机，首先建立基于转子磁链定向的dq坐标系，在表贴式永磁同步电机运转过程中，通过消去电机定子电压方程中非电阻压降的部分，由电阻压降部分的电压和电流计算出定子电阻阻值，包括以下步骤：

1)表贴式永磁同步电机在q轴坐标系下的电压方程为：

u_q为电机定子电压在q轴上的分量，i_d、i_q为电机定子电流在d轴、q轴上的分量，L_s为电机定子电感，ω_e为电机的电角速度,R_s为电机定子电阻，Ψ_f为电机永磁体磁链，使电机以ω_e运行；

2)设定d轴电流给定值当d轴电流稳定为给定值后，施加负载转矩T_L1，待电机转速重新稳定在ω_e后，电机稳态运行，记录多组q轴电压与电流值，分别求平均值，记为u_q1,i_q1；

3)改变负载转矩为T_L2，等到电机转速再次稳定在ω_e时，电机再次稳态运行，记录多组q轴电压与电流值，并求平均值得到u_q2,i_q2；

4)在电机稳态运行时，q轴电流i_q的变化引起的q轴电感上的压降近似为零；在步骤2)3)中，记录电压电流数据时电机的速度稳定在ω_e，i_d也控制等于0，因此，将两次得到的电压记录值u_q1、u_q2相减，根据q轴坐标系下的电压方程，消去其中非电阻压降的部分，计算得到电机定子电阻的辨识值：

u_q2-u_q1＝R_s(i_q2-i_q1)

2.根据权利要求1所述的一种电机定子电阻辨识方法，其特征是计算多次定子电阻的辨识值，再计算平均值，作为最终的定子电阻辨识值，提高辨识的精度。

3.根据权利要求2所述的一种电机定子电阻辨识方法，其特征是计算多次定子电阻辨识值的平均值时，直接将计算得到的多次定子电阻辨识值累加，再进行求解平均值的操作。