CN105227023B - 一种永磁同步电机交直轴电感在线辨识方法和系统 - Google Patents
一种永磁同步电机交直轴电感在线辨识方法和系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种永磁同步电机交直轴电感在线辨识的方法和系统，包括如下步骤：S1，分别获取前一次的直轴电感值、交轴电感值、q轴电压值和d轴电压值；S2，将S1中获取的前一次的直轴电感值、交轴电感值、q轴电压值和d轴电压值分别代入直轴电感计算公式和交轴电感计算公式，分别计算当前的直轴电感值和交轴电感值。本发明将递推最小二乘法算法运用在永磁同步电机上，能够实时在线辨识永磁电机的直轴电感和交轴电感，本发明实现简单，不需要大量存储数据，计算量小，计算结果准确，具有很好的工程实践推广价值，并适用于不同种类的永磁同步电机，比如凸级式和表贴式等。
Description
技术领域
本发明涉及电机驱动控制领域，尤其涉及一种永磁同步电机交直轴电感在线辨识方法和系统。
背景技术
在电机矢量控制算法对电机的参数有很强的依赖性，其中电感是最重要的参数，这是一个随着电流不断变化的参数。获得准确的电感参数对于电机控制效率提升、电机转速准确估计、电流环控制精度、弱磁控制等各个环节中都扮演者非常重要的角色。
目前对于电感参数的使用更多的是采用出厂的数据，然后对交轴及直轴参数进行简单调制并对参数进行固化。采用一个固定的值运行在各个工况，这必然会导致系统效率不能最优运行。因此，有必要在线辨识出电机的交直轴电感参数。同时，如果通过辨识的电感参数也可以判断电机定子绕组是否正常。如果电机定子出现短路故障，必将使得电机电感参数不准。并且目前在线辨识电机参数都需要存储大量的数据，难以实现工程化推广。
电感随着电流进行实时的更新，因此需要按照速度环的速率对电感进行在线更新。由于对电感参数更新的速率比较快，因此所使用的算法必须具有很强的工程实践推广的可行性。在此基础上产生了本发明所述的一种永磁同步电机交直轴电感在线辨识方法和系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种计算简单、结果准确的永磁同步电机交直轴电感在线辨识方法和系统。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种永磁同步电机交直轴电感在线辨识方法，包括如下步骤：
S1，分别获取前一次的直轴电感值、交轴电感值、q轴电压值和d轴电压值；
S2，将S1中获取的前一次的直轴电感值、交轴电感值、q轴电压值和d轴电压值分别代入直轴电感计算公式和交轴电感计算公式，分别计算当前的直轴电感值和交轴电感值。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，S2中，所述直轴电感计算公式为：
其中，Ld(N)为当前的直轴电感值，Ld(N-1)为前一次计算的直轴电感值，V'q(N-1)为前一次测量的q轴电压值，Id(N)为当前测量的d轴电流值，ω(N)为当前测量的转子角速度值，N为第N次取值，且N为大于等于2的整数，当N＝2时，Ld(N-1)＝Ld(1)，V'q(N-1)＝V'q(1)，Ld(1)和V'q(1)均为预定初始值。
进一步，S2中，所述交轴电感计算公式为：
其中，Lq(N)为当前的交轴电感值，Lq(N-1)为前一次计算的交轴电感值，V'd(N-1)为前一次测量的d轴电压值，Iq(N)为当前测量的q轴电流值，ω(N)为当前测量的转子角速度值，N为第N次取值，且N为大于等于2的整数，当N＝2时，Lq(N-1)＝Lq(1)，V'd(N-1)＝V'd(1)，Lq(1)和V'd(1)均为预定初始值。
进一步，计算出的多个直轴电感值连续M次超过直轴电感阈值和/或多个交轴电感值连续M次超过交轴电感阈值时，所述永磁同步电机报警停机，其中M为大于0的整数。
进一步，所述当前和前一次的时间间隔为250μm。
本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：一种永磁同步电机交直轴电感在线辨识系统，包括参数获取模块、当前直轴电感计算模块和当前交轴电感计算模块；
所述参数获取模块用于分别获取前一次的直轴电感值、交轴电感值、q轴电压值和d轴电压值；
所述当前直轴电感计算模块用于将所述参数获取模块获取的前一次的直轴电感值和q轴电压值代入直轴电感计算公式，计算当前的直轴电感值；
所述当前交轴电感计算模块用于将所述参数获取模块获取的前一次的交轴电感值和d轴电压值代入交轴电感计算公式，计算当前的交轴电感值。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述直轴电感计算公式为：
其中，Ld(N)为当前的直轴电感值，Ld(N-1)为前一次计算的直轴电感值，V'q(N-1)为前一次测量的q轴电压值，Id(N)为当前测量的d轴电流值，ω(N)为当前测量的转子角速度值，N为第N次取值，且N为大于等于2的整数，当N＝2时，Ld(N-1)＝Ld(1)，V'q(N-1)＝V'q(1)，Ld(1)和V'q(1)均为预定初始值。
进一步，所述交轴电感计算公式为：
其中，Lq(N)为当前的交轴电感值，Lq(N-1)为前一次计算的交轴电感值，V'd(N-1)为前一次测量的d轴电压值，Iq(N)为当前测量的q轴电流值，ω(N)为当前测量的转子角速度值，N为第N次取值，且N为大于等于2的整数，当N＝2时，Lq(N-1)＝Lq(1)，V'd(N-1)＝V'd(1)，Lq(1)和V'd(1)均为预定初始值。
进一步，所述当前直轴电感计算模块计算出的多个直轴电感值连续M次超过直轴电感阈值和/或所述当前交轴电感计算模块计算出的多个交轴电感值连续M次超过交轴电感阈值时，所述永磁同步电机报警停机，其中M为大于0的整数。
进一步，所述当前和前一次的时间间隔为250μm。
本发明的有益效果是：本发明将递推最小二乘法算法运用在永磁同步电机上，能够实时在线辨识永磁电机的直轴电感和交轴电感，本发明实现简单，不需要大量存储数据，计算量小，计算结果准确，具有很好的工程实践推广价值，并适用于不同种类的永磁同步电机，比如凸级式和表贴式等。
附图说明
图1为本发明实施例一所述永磁同步电机交直轴电感在线辨识方法流程图；
图2为本发明实施例二所述永磁同步电机交直轴电感在线辨识系统结构图；
图3为本发明具体示例中d轴电流变化曲线图；
图4为本发明具体示例中直轴电感变化曲线图；
图5为本发明具体示例中q轴电流变化曲线图；
图6为本发明具体示例中交轴电感变化曲线图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
图1为本发明实施例一所述永磁同步电机交直轴电感在线辨识方法流程图。
如图1所示，一种永磁同步电机交直轴电感在线辨识方法，包括如下步骤：
S1，分别获取前一次的直轴电感值、交轴电感值、q轴电压值和d轴电压值。
S2，将S1中获取的前一次的直轴电感值、交轴电感值、q轴电压值和d轴电压值分别代入直轴电感计算公式和交轴电感计算公式，分别计算当前的直轴电感值和交轴电感值。
直轴电感计算公式和交轴电感计算公式均是基于电机旋转方程得到。以转子磁场定向按照转子同步转速旋转得到的电机矢量方程如式(1)所示：
其中，Vd为d轴电压值，Vq为q轴电压值，R为电机电阻值，Ld为直轴电感值，Lq为交轴电感值，Id为d轴电流值，Iq为q轴电流值，p为微分系数，ω为转子角速度值，Ke为转子磁链值。
在永磁同步电机处于稳态时，此时微分系数p取值为0，式(1)可等效为式(2)：
对式(2)进行变化，可得到如下所述式(3)：
其中，u′d、u′q表达式如下所述式(4)：
本发明使用递推最小二乘法来计算直轴电感值和交轴电感值。
用Y(N)表示式(3)中的即φ(N)表示η(N)表示则有Y(N)＝φ(N)η(N)，其中，Y(N)、φ(N)、η(N)分别代表输出、变化矩阵和输入，其中N为第N次取值，且N为大于等于2的整数。
根据递推最小二乘法得到实时输入，如下述式(5)：
其中：
K(N)＝P(N-1)φT(N)[I+φ(N)P(N-1)φT(N)]-1
P(N)＝[I-K(N)φ(N)]P(N-1)
为当前的输入，为前一次的输入，K和P分别为中间变量一和中间变量二，K(N)为当前的中间变量一的值，P(N)为当前的中间变量二的值，φT(N)为φ(N)的转置，I为单位矩阵，P(N-1)为前一次的中间变量二的值。
根据上述等式，并假设电感的初始值设置为较大，则可以得到：
式(6)和式(7)分别为直轴电感计算公式和交轴电感计算公式；其中
式(6)中，Ld(N)为当前的直轴电感值，Ld(N-1)为前一次计算的直轴电感值，V'q(N-1)为前一次测量的q轴电压值，Id(N)为当前测量的d轴电流值，ω(N)为当前测量的转子角速度值，N为第N次取值，且N为大于等于2的整数，当N＝2时，Ld(N-1)＝Ld(1)，V'q(N-1)＝V'q(1)，Ld(1)和V'q(1)均为预定初始值。
式(7)中，Lq(N)为当前的交轴电感值，Lq(N-1)为前一次计算的交轴电感值，V'd(N-1)为前一次测量的d轴电压值，Iq(N)为当前测量的q轴电流值，当N＝2时，Lq(N-1)＝Lq(1)，V'd(N-1)＝V'd(1)，Lq(1)和V'd(1)均为预定初始值。
图2为本发明实施例二所述永磁同步电机交直轴电感在线辨识系统结构图。
根据上述永磁同步电机交直轴电感在线辨识方法，得到如图2所示一种永磁同步电机交直轴电感在线辨识系统，其特征在于，包括参数获取模块、当前直轴电感计算模块和当前交轴电感计算模块；参数获取模块用于分别获取前一次的直轴电感值、交轴电感值、q轴电压值和d轴电压值；当前直轴电感计算模块用于将参数获取模块获取的前一次的直轴电感值和q轴电压值代入直轴电感计算公式，计算当前的直轴电感值；当前交轴电感计算模块用于将参数获取模块获取的前一次的交轴电感值和d轴电压值代入交轴电感计算公式，计算当前的交轴电感值。
在具体示例中，在线辨识永磁同步电机的电感参数时，需要永磁电机在闭环(速度环和电流环都闭环)的状态下进行，永磁电机一旦进入闭环阶段就可以对电感进行在线辨识。
交轴电感和直轴电感按照式(6)和式(7)进行计算，但是需要把dq轴在前一次的直轴电感值、交轴电感值、q轴电压值和d轴电压值进行存储，用于计算当前的直轴电感值和交轴电感值，因此需要预先获取的数据非常少。
永磁同步电机的电感参数对电流非常敏感，从式(6)和式(7)中可以看出，在转子角速度和电压一定时，随着电流的增大，电感会相应的减小。图3为本发明具体示例中d轴电流变化曲线图；图4为本发明具体示例中与图3中的d轴电流变化相对应的直轴电感变化曲线图；图5为本发明具体示例中q轴电流变化曲线图；图6为本发明具体示例中与图5中的q轴电流变化相对应的交轴电感变化曲线图。如图3、4、5和6所示，电流增加时电感将相应的减小；当电流稳定时，估计的电感也是非常恒定的。在线辨识的电感参数的结果存在0.5mH的偏差，能够有效的满足实际工控的需求。通过对辨识得到的电感参数也可以判断电机定子绕组是否存在短路的情况。
考虑到交直轴电感受电流影响较大的特性，在矢量控制进入闭环时，电感就要进行更新，并且电感更新的速度与电流变化的速度一致，一般是250μm更新一次。因此，在线辨识永磁同步电机的电感参数时，当前和前一次的时间间隔可以为250μm。
当计算出的多个直轴电感值连续M次超过直轴电感阈值和/或多个交轴电感值连续M次超过交轴电感阈值时，所述永磁同步电机报警停机，其中M为大于0的整数，在具体应用中，M可以取值50次。
在本说明书的描述中，参考术语“实施例一”、“实施例二”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体方法、装置或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、方法、装置或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种永磁同步电机交直轴电感在线辨识方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，分别获取前一次的直轴电感值、交轴电感值、q轴电压值和d轴电压值；
S2，将S1中获取的前一次的直轴电感值、交轴电感值、q轴电压值和d轴电压值分别代入直轴电感计算公式和交轴电感计算公式，分别计算当前的直轴电感值和交轴电感值；
S2中，所述直轴电感计算公式为：
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其中，Ld(N)为当前的直轴电感值，Ld(N-1)为前一次计算的直轴电感值，V'q(N-1)为前一次测量的q轴电压值，Id(N)为当前测量的d轴电流值，ω(N)为当前测量的转子角速度值，N为第N次取值，且N为大于等于2的整数，当N＝2时，Ld(N-1)＝Ld(1)，V'q(N-1)＝V'q(1)，Ld(1)和V'q(1)均为预定初始值。
2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机交直轴电感在线辨识方法，其特征在于，S2中，所述交轴电感计算公式为：
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其中，Lq(N)为当前的交轴电感值，Lq(N-1)为前一次计算的交轴电感值，V'd(N-1)为前一次测量的d轴电压值，Iq(N)为当前测量的q轴电流值，ω(N)为当前测量的转子角速度值，N为第N次取值，且N为大于等于2的整数，当N＝2时，Lq(N-1)＝Lq(1)，V'd(N-1)＝V'd(1)，Lq(1)和V'd(1)均为预定初始值。
3.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机交直轴电感在线辨识方法，其特征在于，计算出的多个直轴电感值连续M次超过直轴电感阈值和/或多个交轴电感值连续M次超过交轴电感阈值时，所述永磁同步电机报警停机，其中M为大于0的整数。
4.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机交直轴电感在线辨识方法，其特征在于，所述当前和前一次的时间间隔为250μm。
5.一种永磁同步电机交直轴电感在线辨识系统，其特征在于，包括参数获取模块、当前直轴电感计算模块和当前交轴电感计算模块；
所述参数获取模块用于分别获取前一次的直轴电感值、交轴电感值、q轴电压值和d轴电压值；
所述当前直轴电感计算模块用于将所述参数获取模块获取的前一次的直轴电感值和q轴电压值代入直轴电感计算公式，计算当前的直轴电感值；
所述当前交轴电感计算模块用于将所述参数获取模块获取的前一次的交轴电感值和d轴电压值代入交轴电感计算公式，计算当前的交轴电感值；
所述直轴电感计算公式为：
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其中，Ld(N)为当前的直轴电感值，Ld(N-1)为前一次计算的直轴电感值，V'q(N-1)为前一次测量的q轴电压值，Id(N)为当前测量的d轴电流值，ω(N)为当前测量的转子角速度值，N为第N次取值，且N为大于等于2的整数，当N＝2时，Ld(N-1)＝Ld(1)，V'q(N-1)＝V'q(1)，Ld(1)和V'q(1)均为预定初始值。
6.根据权利要求5所述的一种永磁同步电机交直轴电感在线辨识系统，其特征在于，所述交轴电感计算公式为：
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其中，Lq(N)为当前的交轴电感值，Lq(N-1)为前一次计算的交轴电感值，V'd(N-1)为前一次测量的d轴电压值，Iq(N)为当前测量的q轴电流值，ω(N)为当前测量的转子角速度值，N为第N次取值，且N为大于等于2的整数，当N＝2时，Lq(N-1)＝Lq(1)，V'd(N-1)＝V'd(1)，Lq(1)和V'd(1)均为预定初始值。
7.根据权利要求5所述的一种永磁同步电机交直轴电感在线辨识系统，其特征在于，所述当前直轴电感计算模块计算出的多个直轴电感值连续M次超过直轴电感阈值和/或所述当前交轴电感计算模块计算出的多个交轴电感值连续M次超过交轴电感阈值时，所述永磁同步电机报警停机，其中M为大于0的整数。
8.根据权利要求5所述的一种永磁同步电机交直轴电感在线辨识系统，其特征在于，所述当前和前一次的时间间隔为250μm。
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