CN106160616B - 一种电机定子电阻在线辨识方法 - Google Patents
一种电机定子电阻在线辨识方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种电机定子电阻在线辨识方法，应用于表贴式永磁同步电机。本方法首先通过编码器获取电机的转子电位置角和电角速度，建立电机在同步旋转坐标系下的q轴电压方程，然后通过滑模观测器在线辨识出电机的定子电阻。本发明的辨识方法不仅可以实现在线辨识，而且可以辨识出电机定子电阻随着电机温度、运行时间等因素而变化的电阻值。与普通的定子电阻在线辨识方法相比，本发明在辨识电阻时，只需要检测电流信号，算法实现简单，易于集成在原来的电机控制程序中，而且辨识精度高。
Description
技术领域
本发明属于机电技术领域，用于无位置控制领域及伺服控制领域，涉及电机参数辨识，具体为一种用于表贴式永磁同步电机的定子电阻在线辨识方法。
背景技术
电机定子电阻辨识主要应用于无位置控制领域及伺服控制领域。其中，电机在运转过程中定子电阻由于温度等因素的影响发生变化，进而影响无位置控制及伺服控制的效果。研究电机参数的辨识，对于改善电机控制性能具有重要意义。
为解决上述问题，相关技术中提出了以下几种定子电阻的辨识方法。其中，定子电阻的辨识方法主要分为离线辨识和在线辨识两种。
目前离线辨识定子电阻常用的方法为直流伏安法，以星形接法的电机为例，其实现方法是在电机静止时，给任意两相通以低压直流电，测量绕组两端的电压和流过绕组的电流，通过测量得出的电压和电流计算出绕组的电阻。如图1所示，如果测量出来的绕组两端的电压为U，流过绕组的电流为I，那么定子电阻的大小为这种方法只能在电机静止时进行辨识，无法在线辨识定子电阻。
现有定子电阻离线辨识的方法测量定子电阻，只能测量电机在室温下的定子电阻，无法在电机正常运行的时候测量电机定子电阻，而且无法测量电机随着负载和时间等因素变化时的定子电阻。在线辨识定子电阻，能够实时跟踪定子电阻随着电机负载情况和运行时间等因素而变化的瞬时值，并利用辨识出来的定子电阻值来实时调整控制算法里面的定子电阻参数，从而提高电机控制性能。
目前在线辨识的方法有很多，有最小二乘法、模型参考自适应法和卡尔曼滤波法等。CN201210071506.2“定子电阻在线辨识方法及装置”提出了一种定子电阻在线辨识的方法，其原理如下：当电机处于稳态时，获取电机定子电流is和定子电压us；将电机定子电流is定向在同步旋转的dq坐标系上的d轴，计算d轴的定子电流分量id，或者将定子电流is定向在同步旋转的dq坐标系上的q轴,计算q轴定子电流分量iq；计算锁相角θi和同步旋转速度ωs；根据计算出来的锁相角θi，计算定子电压us在d轴的分量ud和q轴的分量uq；获取磁链控制环给定值Ψs_ref作为电机定子磁链Ψs的幅值|Ψs|，并计算定子磁链Ψs在d轴的分量Ψsd或在q轴的分量Ψsq；根据式(1)计算定子电阻值Rs。
上述方法需要计算锁相角，而且还要获取定子磁链幅值，实现比较困难，计算复杂。而其它方法如最小二乘法、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，工程化实现更加困难。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种定子电阻在线辨识方法，其目的在于提供一种实用的在线定子电阻辨识方法，由此解决算法复杂，计算量大以及工程化实现比较困难等技术问题。
本发明针对表贴式永磁同步电机的定子电阻在线辨识，提出的技术方案为：一种电机定子电阻在线辨识方法，包括如下步骤：
(1)测量出电机转子的电角度θ，将测量出来的电机三相电流ia，ib，ic通过以下矩阵A转换为同步旋转dq坐标系下的d轴和q轴的分量id，iq。
(2)按照下式所示的滑模观测器，求解在同步旋转dq坐标系下的q轴电流估计值
其中，kR是滑模系数，是决定滑模观测器是否稳定以及滑模观测器的性能的指标；为电机永磁体产生的磁链，Ls为定子绕组电感，和Ls为电机固有参数；ω为测量出来的电机的电角速度；Uq为电机三相电压在同步旋转dq坐标系下的q轴分量的实际值；sign()为符号函数；
(3)由下式计算得到定子电阻Rs：
其中，LPF为低通滤波器。
进一步的，所述LPF为一阶低通滤波器或者高阶低通滤波器，截止频率选取为电机电流频率的2倍至3倍，以获得较好的系统辨识精度。
进一步的，所述电机运行在电动工况下，kR的取值大于定子电阻可能出现的最大值。
进一步的，所述kR的取值为定子电阻最大值的1.5倍至3倍；取值太小会导致滑模观测器不稳定，太大会使得滑模观测器的输出抖动严重。
进一步的，所述步骤(2)中，采用矢量控制里的q轴电压指令值代替实际的q轴电压值Uq。
本发明的有益效果为：1、不需要对电机注入电流，不影响电机运行状态即可在线辨识定子电阻；2、提高了辨识精度；3、不需要对硬件进行改变，提高了程序对硬件的适应性；4、应用成本很低。
附图说明
图1是直流伏安法离线测量电机定子电阻原理图；
图2是用于在线辨识电机定子电阻的滑模观测器的原理框图。
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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图2是滑模观测器的原理框图。具体包括以下几个步骤：
(1)初步估算定子电阻的值，将kR的取值设定为定子电阻初步估算值的3倍，并将电机设定为电动模式，以保证滑模观测器的稳定性。
(2)通过编码器检测出电机转子的电位置角θ和电角速度ω。
(3)通过电流传感器检测电机的三相电流ia，ib，ic。
(4)将检测回来的三相电流通过以下矩阵A变换到同步旋转的dq轴坐标系下，得到id，iq。
(5)将矢量控制里面的q轴电压指令值作为滑模观测器(3)里面的Uq。
(6)将q轴电压uq，电机转子电角速度ω，d轴电流id和q轴电流iq代入式(2)，并且进行积分运算可以得到q轴电流的估算值运算公式如式(3)所示。
(7)由于上式中的项由符号函数构成，因此需要通过低通滤波器才能获取有效的定子电阻信息。将式(3)中的项输入到低通滤波器可以得到定子电阻的估算值。低通滤波器的截止频率设为电机电流频率的3倍。具体的计算逻辑如图2所示。
本实施例以一个1kW的表贴式永磁同步电机进行定子电阻在线辨识实验，电机及其控制器的主要参数如表1所示。
| 参数 | 测量值 | 参数 | 测量值 |
| 定子电阻(Ω) | 1.16 | 永磁体磁链(Wb) | 0.1337 |
| 定子电感(mH) | 0.3306 | 额定电流(A) | 4 |
| 极对数 | 4 | 额定电压(V) | 310 |
| 转速(rpm) | 2500 | 额定转矩(Nm) | 4 |
表1
为了更加方便地进行对比，在电机三相绕组上分别串联0.58欧姆的电阻，在线辨识值从1.16欧姆，变化为1.74欧姆，而离线测量的方法由于不能在线辨识定子电阻值，因此无法跟踪定子电阻的变化。由此可见，使用滑模观测器在线辨识定子电阻，可以准确地辨识定子电阻的变化。与离线测量法相比，本发明采用的方法不需要额外的硬件，对系统运算要求低，适应性强，是一种低成本的定子电阻在线辨识方法。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种电机定子电阻在线辨识方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)测量电机转子的电角度θ，将测量出来的电机三相电流ia，ib，ic通过以下矩阵A转换为同步旋转dq坐标系下的d轴和q轴的分量id，iq；
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(2)按照下式所示的滑模观测器，求解在同步旋转dq坐标系下的q轴电流估计值
其中，kR是滑模系数，是决定滑模观测器是否稳定以及滑模观测器的性能的指标；为电机永磁体产生的磁链，Ls为定子绕组电感，和Ls为电机固有参数；ω为测量出来的电机的电角速度；Uq为电机三相电压在同步旋转dq坐标系下的q轴分量的实际值；sign()为符号函数；
(3)由下式计算得到定子电阻Rs；
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</mrow>
其中，LPF为低通滤波器。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述LPF为一阶低通滤波器或者高阶低通滤波器，截止频率选取为电机电流频率的2倍至3倍。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，电机运行在电动工况下，kR的取值要大于定子电阻可能出现的最大值。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，kR的取值为定子电阻最大值的1.5倍至3倍。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用矢量控制里的q轴电压指令值代替实际的q轴电压值。
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