CN106208878A - 一种永磁同步电机参数在线识别方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种永磁同步电机参数在线识别方法及系统，所述方法步骤为：位置速度检测步骤：获取永磁同步电机的转子位置和转子速度；电流采样步骤：实时获得永磁同步电机三相电流；参数计算步骤：利用转子位置将永磁同步电机三相电流通过Clark变换和Park变换得到坐标系下的定子电流；对永磁同步电机的状态方程进行离散化，得到参数计算模型，通过不同时刻得到的定子电流和转子速度，建立关于电机参数作为未知量的方程组，并进行实时求解，从而实现永磁同步电机参数的在线识别。本发明通过简单的方式完成电机参数的在线辨识，实现电机控制的准确性，并能进一步实现电机温度的在线监测，保证电机的正常运作。

Description

一种永磁同步电机参数在线识别方法及系统

技术领域

本发明涉及永磁同步电机，具体地，涉及一种永磁同步电机参数在线识别方法及对应的识别系统。

背景技术

永磁同步电动机的调速系统主要有V/F恒压频比控制、矢量控制和直接转矩控制三种方式。相比传统的V/F控制，矢量控制和直接转矩控制都需要知道准确的电机参数。此外，一些控制方法如弱磁控制、无速度传感器控制等方法也需要精确的电机参数，所以对永磁同步电机参数(主要包括定子电阻R_s，交直轴等效电感L_d、L_q和转子磁通ψ_f)的识别有着重要的意义。永磁同步电机的参数一般通过空载、堵转试验等离线方式进行测得，然而永磁同步电机在运行过程中，由于温度等的影响，电机参数会发生变化，如果控制中不做参数修正，将会引起控制系统的误差。因而，永磁同步电机参数的在线识别显得尤为重要。此外，电机在长时间的带负荷运行中，电机温度会逐渐升高，为防止电机过热运行，电机温度的在线监测也有着重要的意义。

经检索，公开号为CN103066913A的中国专利申请，该专利公开了一种永磁同步电机参数识别系统、方法及控制装置，其介绍了一种利用脉冲输入单元、电流采样单元、计时器单元及参数计算单元，结合电机定子电压方程，获得永磁同步电机的相关参数的方式。公开号为CN104811102A的中国专利申请，该专利公开了一种永磁同步电机的控制系统及参数识别方法，其通过注入不同的交直轴电压，在电角度为0时分别采集电流值，利用电机模型计算出电机的相关参数。

上述专利CN103066913A和专利CN104811102A都需要向电机注入不同的脉冲波，在不同的工况下得到相应的电机参数，从根本上讲，这两种方式属于离线识别的范畴，并不适用于电机运行中的参数识别。

进一步检索中发现，《中国电机工程学报》2010年第30期第30卷68-73页上发表的“基于自适应线性元件神经网络的表面式永磁同步电机参数在线辨识”、《自动化学报》2013年第12期第39卷2121-2130页上发表的“基于双模态自适应小波粒子群的永磁同步电机多参数识别与温度检测方法”以及《鱼雷技术》2014年第6期第22卷452-456页上发表的“基于递推最小二乘法的永磁同步电机参数辨识”，这三篇文章提出通过采集电机电压与电流值，利用永磁同步电机的状态方程，经过离散化后分别进行神经网络算法、粒子群算法及最小二乘法等方式进行在线求解，得到电机的参数辨识值。

上述三篇文章分别采取神经网络算法、粒子群算法及最小二乘法等方式进行在线求解，一方面收敛速度较慢，甚至会出现发散状态，另一方面计算较为复杂，占用处理器内存较大。

另外，《机车电传动》2015年第2期71-76页上发表的“基于模型参考自适应的永磁同步电机在线参数辨识方法研究”一文利用模型参考自适应算法，通过合适的自适应律节可调模型，从而得到需要辨识的电机参数。该文章公开的方法需要设计合适的自适应律，从而增加了电机参数辨识的难度与复杂度。

进一步的，从以上众多公开的永磁同步电机参数在线识别技术中发现，现有的识别技术并未对电机温度进行监测，具有一定的狭隘性。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种永磁同步电机参数在线识别方法及系统，可以解决上述问题，在迅速地完成参数识别的同时，拥有较高的精确度。

本发明在永磁同步电机运行的过程中，采集电压、电流、位置、转速等信号，通过简单的方式完成电机参数的在线辨识，实现电机控制的准确性；此外，利用识别出来的定子电阻值，可以实现电机温度的在线监测，保证电机的正常运作。

根据本发明的第一目的，提供一种永磁同步电机参数在线识别方法，包括如下步骤：

位置速度检测步骤：实时获取永磁同步电机的转子位置θ和转子速度ω；

电流采样步骤：实时获得永磁同步电机三相电流i_a，i_b和i_c；

参数计算步骤：利用转子位置θ将永磁同步电机三相电流i_a，i_b和i_c通过Clark变换和Park变换得到坐标系下的定子电流i_d和i_q；对永磁同步电机的状态方程进行离散化，得到参数计算模型，通过不同时刻得到的定子电流i_d和i_q、和转子速度ω，建立关于电机参数作为未知量的方程组，并进行实时求解，从而实现永磁同步电机参数的在线识别。

所述永磁同步电机参数包括定子电阻R_s、交直轴等效电感L_d、L_q和转子磁通ψ_f等。

进一步的，所述方法还包括监测步骤，即：利用识别出来的定子电阻值，通过阻值与温度间的关系式，完成永磁同步电机温度的在线监测过程，防止永磁同步电机电机在高温模式下运行。

进一步的，所述位置速度检测步骤，通过电机编码器或无位置传感器算法获得永磁同步电机的转子位置θ和转子速度ω。

进一步的，所述参数计算步骤，可以是得到d-q坐标系下的定子电流i_d和i_q，也可在其它坐标系下，如定子坐标系或其它定向方式的同步旋转坐标系下的定子电流i_d和i_q，能同样达到本发明的目的。

本发明上述方法针对永磁同步电机，在电压、电流、位置、转速等信号采样准确的前提下，将电机电压方程进行离散化得到参数辨识模型，利用采样值和辨识模型实时地计算出永磁同步电机的参数，实现准确的电机控制，并可以进一步利用电阻值完成电机温度的在线监测。

根据本发明的第二目的，提供一种永磁同步电机参数在线识别系统，包括：

位置速度检测模块：实时获取永磁同步电机的转子位置θ和转子速度ω；电流采样模块：实时获得永磁同步电机三相电流i_a，i_b和i_c；

参数计算模块：利用位置速度检测模块获取的转子位置θ将电流采样模块获得的永磁同步电机三相电流i_a，i_b和i_c通过Clark变换和Park变换得到坐标系下的定子电流i_d和i_q；对永磁同步电机的状态方程进行离散化，得到参数计算模型，通过不同时刻得到的定子电流i_d和i_q、和转子速度ω，建立关于电机参数作为未知量的方程组，并进行实时求解，从而实现电机参数的在线识别。

进一步的，所述系统还包括监测模块，即：利用参数计算模块识别出来的定子电阻值，通过阻值与温度间的关系式，完成永磁同步电机温度的在线监测过程，防止永磁同步电机电机在高温模式下运行。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

相比现有的注入脉冲等方式测量电机参数，本发明可实现电机参数的在线辨识，而且不需要增加硬件电路。

相比现有的参数在线识别技术，本发明可快速获得电机参数，不存在收敛性问题，求解速度快，简单，可靠。

本发明可以在参数识别的同时，完成电机温度的在线监测，防止电机运行在高温模式，损坏电机，保障电机的安全运行。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明永磁同步电机参数在线识别方法的总体流程图；

图2为本发明永磁同步电机参数在线识别系统的总体结构框图；

图3为本发明一实施例中永磁同步电机参数(恒定)结果；

图4为本发明一实施例中永磁同步电机参数(变化)结果。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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。

本发明主要是提供一种新型的永磁同步电机参数在线识别技术，在永磁同步电机在运行中不断识别电机参数，保证控制模型的正确性，实现准确的电机矢量控制。

此外，永磁同步电机在运行中，电机参数会随着温度变化而改变，从而会引起矢量控制中的误差，严重时可能会引起不正常运转，导致控制失败。通过本发明技术，还可以进一步完成电机温度的在线估测，防止电机运行在高温模式，损坏电机。

如图1所示，为本发明永磁同步电机参数在线识别方法的总体流程图，包括步骤：

位置速度检测步骤：获取永磁同步电机的转子位置θ和转子速度ω；

电流采样步骤：实时获得永磁同步电机三相电流i_a，i_b和i_c；

参数计算步骤：利用转子位置θ将永磁同步电机三相电流i_a，i_b和i_c通过Clark变换和Park变换得到坐标系下的定子电流i_d和i_q；对永磁同步电机的状态方程进行离散化，得到参数计算模型，通过不同时刻得到的定子电流i_d和i_q、和转子速度ω，建立关于电机参数作为未知量的方程组，并进行实时求解，从而实现电机参数的在线识别。

如图2所示，为实现上述方法的永磁同步电机参数在线识别系统的总体结构框图，虚线框内为完整的参数在线识别系统，其包含三个子模块：

位置速度检测模块：实时获取永磁同步电机的转子位置θ和转子速度ω；

电流采样模块：实时获得永磁同步电机三相电流i_a，i_b和i_c；

参数计算模块：利用位置速度检测模块获取的转子位置θ将电流采样模块获得的永磁同步电机三相电流i_a，i_b和i_c通过Clark变换和Park变换得到坐标系下的定子电流i_d和i_q；对永磁同步电机的状态方程进行离散化，得到参数计算模型，通过不同时刻得到的定子电流i_d和i_q、和转子速度ω，建立关于电机参数作为未知量的方程组，并进行实时求解，从而实现电机参数的在线识别。

上述三个模块具体实现技术与方法中三个步骤具体实现技术相同，以下对上述各部分实现的细节进行说明，以便于本领域技术人员理解。

如图2所示，其中i_a，i_b和i_c为永磁同步电机三相电流，θ为转子位置，ω为转子速度，u_d和u_q为电机d-q坐标系下的定子电压，R_s为定子电阻，L_d、L_q为交直轴等效电感，ψ_f为转子磁通，Temp为永磁同步电机定子温度(可视为电机温度)。

所述参数计算模块，基于永磁同步电机的状态方程和电阻—温度方程。永磁同步电机在转子磁链定向d-q轴坐标系下的电压方程可表示如下：

$\left.\begin{array}{c}{u}_d=i_d{R}_s+L_d\frac{{\mathrm{di}}_d}{dt}-{\mathrm{\ωL}}_q{i}_q\\ u_q=i_q{R}_s+L_q\frac{{\mathrm{di}}_q}{dt}+{\mathrm{\ωL}}_d{i}_d+{\mathrm{\ω\ψ}}_f\end{array}\right\}---\left(1\right)$

式中，R_s为永磁同步电机每相的定子电阻，L_d为定子绕组d轴等效电感，L_q为定子绕组q轴等效电感，ψ_f为转子磁通，ω为转子速度，u_d和u_q为电机d-q坐标系下的定子电压，i_d和i_q为电机d-q坐标系下的定子电流。

在第k个采样周期时刻将式(1)离散化，可得：

$u_d\left(k\right)=\frac{L_d}{T}\[i_d(k+1)-i_d\left(k\right)\]+R_s{i}_d\left(k\right)-\mathrm{\ω}\left(k\right)L_q{i}_q\left(k\right)---\left(2\right)$

$u_q\left(k\right)=\frac{L_q}{T}\[i_q(k+1)-i_q\left(k\right)\]+R_s{i}_q\left(k\right)+\mathrm{\ω}\left(k\right)L_d{i}_d\left(k\right)+\mathrm{\ω}\left(k\right){\mathrm{\ψ}}_f---\left(3\right)$

式中T为采样周期。

从公式(2)、(3)可知，永磁同步电机运行中任一时刻的电压电流都要满足这两个方程，那么可以通过不同时刻的电压电流值反过来计算实时的电机参数定子电阻R_s，交直轴等效电感L_d、L_q和转子磁通ψ_f。公式(2)有3个电机参数作为未知量待求，为使得未知量有解且有唯一解，需要建立一个包含3个方程式的方程组。电机运行中，系统模块可采样获得3个不同m时刻的电机定子电流i_d(m),i_d(m+1)和i_q(m)、定子电压u_d(m)和转子速度ω(m)，本实施例为方便表示，分别取m为(k-1)，(k-2)和(k-3)。进而，可将公式(2)扩展及变形，并记为矩阵形式，如下式所示。

AX＝B

$A=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{Ti}}_d(k-1)& i_d\left(k\right)-i_d(k-1)& -\mathrm{\ω}(k-1){\mathrm{Ti}}_q(k-1)\\ {\mathrm{Ti}}_d(k-2)& i_d(k-1)-i_d(k-2)& -\mathrm{\ω}(k-2){\mathrm{Ti}}_q(k-2)\\ {\mathrm{Ti}}_d(k-3)& i_d(k-2)-i_d(k-3)& -\mathrm{\ω}(k-3){\mathrm{Ti}}_q(k-3)\end{array}\right]$

$X=\left[\begin{array}{c}{R}_s\\ L_d\\ L_q\end{array}\right];B=\left[\begin{array}{c}{u}_d(k-1)T\\ u_d(k-2)T\\ u_d(k-3)T\end{array}\right]---\left(4\right)$

利用公式(4)进行矩阵求解，可容易得到未知矩阵X，通过公式(5)可计算出电机参数定子电阻R_s，交直轴等效电感L_d、L_q。

R_s＝X(1)

L_d＝X(2)

L_q＝X(3) (5)

将求解得到的电机参数代入到公式(3)，并读取m时刻(为方便表示，取m为(k-1))的电机定子电流i_d(m)和i_q(m),i_q(m+1)、定子电压u_q(m)和转子速度ω(m)，可以求解出电机的转子磁通ψ_f，表示见公式(6)：

${\mathrm{\ψ}}_f=\frac{u_q(k-1)T-L_q\[i_q\left(k\right)-i_q(k-1)\]-R_s{\mathrm{Ti}}_q(k-1)-\mathrm{\ω}(k-1)L_d{\mathrm{Ti}}_d(k-1)}{\mathrm{\ω}(k-1)T}---\left(6\right)$

公式(4)、(5)、(6)即为本发明中电机参数计算模块的计算模型，通过所述模型可以实现永磁同步电机参数的在线识别，将识别的结果实时地传送给电机控制系统，可保证永磁同步电机电机控制的精确度。

进一步的，永磁同步电机定子侧为铜导线，其电阻—温度方程可描述如下：

R_s＝R₀(1+αΔT) (7)

其中R_s为电机定子电阻，R₀为20℃时的定子电阻值，α为电阻温度系数，ΔT为温度变化量。通过公式(5)识别出的电机定子电阻，可以容易的得到k时刻的电机温度Temp(k)，表示如下：

$Temp\left(k\right)=Temp(k-1)+\frac{R_s-R_0}{{\mathrm{\αR}}_0}---\left(8\right)$

综上，通过本发明提出的方法，可以有效完成永磁同步电机参数的在线识别工作，消除了电机运行中由参数变化而引起的控制不准确等问题；可以实现电机温度的在线监测功能，防止电机的过热运行，保障电机的安全。

本发明经过仿真试验验证，结果符合预期。试验中分别从恒定电机参数和变化电机参数两个方面进行验证。

一方面，设置电机参数为恒定值，设定如下：定子电阻R_s为0.9Ω，交直轴等效电感L_d为6.8e-3H、L_q为13.3e-3H，转子磁通ψ_f为0.079578V.s。电机运行中，实时进行永磁同步电机的参数识别程序，识别结果如图3所示。结果显示，本发明所提方案，可迅速地完成参数识别，并且拥有较高的精确度。

另一方面，设置电机参数为变化值，设定如下：电机开始运行时定子电阻R_s为0.54Ω，交直轴等效电感L_d为6.8e-3H、L_q为13.3e-3H，转子磁通ψ_f为0.079578V.s；当0.2s时改变电机参数R_s为1.08Ω，交直轴等效电感L_d为13.6e-3H、L_q为26.6e-3H，转子磁通ψ_f为0.09V.s。识别结果如图4所示，结果显示，本发明在电机参数发生变化时可以迅速跟踪并求解出真实的参数值，并且依然拥有较高的精确度。

试验过程中，本发明所提的新型永磁同步电机参数在线识别技术可以快速并准确地完成参数的识别工作，实现了电机控制系统对参数的自适应调整，保证了电机的正常运转。

本发明也可在其它坐标系下(如定子坐标系或其它定向方式的同步旋转坐标系)被实施，达到同样的准确参数估测和温度监测的效果。本发明既可在发电机惯例也可在电动机等其它惯例下被实施，达到同样的准确参数估测和温度监测的效果。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种永磁同步电机参数在线识别方法，其特征在于，包括如下步骤：

位置速度检测步骤：实时获取永磁同步电机的转子位置θ和转子速度ω；电流采样步骤：实时获得永磁同步电机三相电流i_a，i_b和i_c；

参数计算步骤：利用转子位置θ将永磁同步电机三相电流i_a，i_b和i_c通过Clark变换和Park变换得到坐标系下的定子电流i_d和i_q；对永磁同步电机的状态方程进行离散化，得到参数计算模型，通过不同时刻得到的定子电流i_d和i_q、和转子速度ω，建立关于电机参数作为未知量的方程组，并进行实时求解，从而实现永磁同步电机参数的在线识别。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机参数在线识别方法，其特征在于，所述方法进一步包括监测步骤，该监测步骤利用参数计算步骤识别出来的定子电阻值，通过阻值与温度间的关系式，完成永磁同步电机温度的在线监测过程，防止永磁同步电机电机在高温模式下运行。

3.根据权利要求1或2所述的永磁同步电机参数在线识别方法，其特征在于，所述位置速度检测步骤，通过电机编码器或无位置传感器算法获得永磁同步电机的转子位置θ和转子速度ω。

4.根据权利要求1或2所述的永磁同步电机参数在线识别方法，其特征在于，所述参数计算步骤，具体为：

设i_a，i_b和i_c为永磁同步电机三相电流，θ为转子位置，ω为转子速度，u_d和u_q为电机d-q坐标系下的定子电压，R_s为定子电阻，L_d、L_q为轴等效电感，ψ_f为转子磁通，Temp为永磁同步电机定子温度，i_d和i_q为电机d-q坐标系下的定子电流，T为采样周期；

电机运行中，采样获得3个不同m时刻的电机定子电流i_d(m),i_d(m+1)和i_q(m)、定子电压u_d(m)和转子速度ω(m)，为方便表示，分别取m为(k-1)，(k-2)和(k-3)；

则有：

$u_q\left(k\right)=\frac{L_q}{T}\[i_q(k+1)-i_q\left(k\right)\]+R_s{i}_q\left(k\right)+\mathrm{\ω}\left(k\right)L_d{i}_d\left(k\right)+\mathrm{\ω}\left(k\right){\mathrm{\ψ}}_f---\left(3\right)$

AX＝B

$A=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{Ti}}_d(k-1)& i_d\left(k\right)-i_d(k-1)& -\mathrm{\ω}(k-1){\mathrm{Ti}}_q(k-1)\\ {\mathrm{Ti}}_d(k-2)& i_d(k-1)-i_d(k-2)& -\mathrm{\ω}(k-2){\mathrm{Ti}}_q(k-2)\\ {\mathrm{Ti}}_d(k-3)& i_d(k-2)-i_d(k-3)& -\mathrm{\ω}(k-3){\mathrm{Ti}}_q(k-3)\end{array}\right]$

$X=\left[\begin{array}{c}{R}_s\\ L_d\\ L_q\end{array}\right];B=\left[\begin{array}{c}{u}_d(k-1)T\\ u_d(k-2)T\\ u_d(k-3)T\end{array}\right]---\left(4\right)$

利用公式(4)进行矩阵求解，得到未知矩阵X，通过公式(5)计算出电机参数定子电阻R_s，交直轴等效电感L_d、L_q；

$\begin{array}{c}{R}_s=X\left(1\right)\\ L_d=X\left(2\right)\\ L_q=X\left(3\right)\end{array}---\left(5\right)$

将求解得到的电机参数代入到公式(3)，并读取m时刻(取m为(k-1))的电机定子电流i_d(m)和i_q(m),i_q(m+1)、定子电压u_q(m)和转子速度ω(m)，求解出电机的转子磁通ψ_f，表示见公式(6)：

${\mathrm{\ψ}}_f=\frac{u_q(k-1)T-L_q\[i_q\left(k\right)-i_q(k-1)\]-R_s{\mathrm{Ti}}_q(k-1)-\mathrm{\ω}(k-1)L_d{\mathrm{Ti}}_d(k-1)}{\mathrm{\ω}(k-1)T}---\left(6\right)$

公式(4)、(5)、(6)即为电机参数计算的计算模型，实现永磁同步电机参数的在线识别，将识别的结果实时地传送给电机控制系统，保证永磁同步电机电机控制的精确度。

5.根据权利要求4所述的永磁同步电机参数在线识别方法，其特征在于，永磁同步电机定子侧为铜导线，其电阻—温度方程描述如下：

R_s＝R₀(1+αΔT) (7)

其中R_s为电机定子电阻，R₀为20℃时的定子电阻值，α为电阻温度系数，ΔT为温度变化量，通过公式(5)识别出的电机定子电阻，得到k时刻的电机温度Temp(k)，表示如下：

$Temp\left(k\right)=Temp(k-1)+\frac{R_s-R_0}{{\mathrm{\αR}}_0}---\left(8\right).$

6.一种用于实现上述权利要求1-5任一项所述方法的永磁同步电机参数在线识别系统，其特征在于，包括：

位置速度检测模块：实时获取永磁同步电机的转子位置θ和转子速度ω；

电流采样模块：实时获得永磁同步电机三相电流i_a，i_b和i_c；

参数计算模块：利用位置速度检测模块获取的转子位置θ将电流采样模块获得的永磁同步电机三相电流i_a，i_b和i_c通过Clark变换和Park变换得到坐标系下的定子电流i_d和i_q；对永磁同步电机的状态方程进行离散化，得到参数计算模型，通过不同时刻得到的定子电流i_d和i_q、和转子速度ω，建立关于电机参数作为未知量的方程组，并进行实时求解，从而实现电机参数的在线识别。

7.根据权利要求6所述的永磁同步电机参数在线识别方法，其特征在于，所述系统进一步包括监测模块，所述监测模块利用参数计算模块识别出来的定子电阻值，通过阻值与温度间的关系式，完成永磁同步电机温度的在线监测过程，防止永磁同步电机电机在高温模式下运行。