CN106788061A - 一种基于降阶电流环的永磁同步电机转动惯量识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于降阶电流环的永磁同步电机转动惯量识别方法，基于电流环PI控制器，根据电机电磁参数进行电流环降阶，使电流环成为一阶响应系统；通过测量系统在一个正弦叠加直流偏置的参考转矩激励下的频率响应，获得电机机械惯量参数。本发明只需要使用通用变频器，算法可以集成进电机控制器程序，降低转动惯量测试复杂度，简便易行，容易工程实现，对于设计智能电机控制器具有重要意义。

Description

一种基于降阶电流环的永磁同步电机转动惯量识别方法

技术领域

本发明涉及电器控制领域，具体涉及一种基于降阶电流环的永磁同步电机转动惯量识别方法。

背景技术

永磁同步电机因其高功率密度、高效率、低转矩脉动及出色的动态特性在伺服系统、工业驱动、新能源汽车等领域具有重要而广泛的应用前景。而在电机控制器中，永磁同步电机的转子机械转动惯量作为一个重要参数。对于电机控制器中的速度环设计非常重要。传统的转动惯量测量方案主要有三种，即采用精密测量仪器测量、电机加速和空载减速的录波测量、三线摆及单摆测量。在以上方案中，第一种方法需要配备精密测量系统，造价较为昂贵；第二种方法对于机械时间常数大于电磁惯性的系统较为合适，对于一些特种电机，比如无轴承电机，这种方式不能很好地完成转动惯量测量；第三种方案需要把转子取出，不符合电机应用场合。除此之外，还有根据转子结构直接使用几何计算的方案以获得转动惯量参数，但不便于实际应用。

目前，智能电机控制器的需求促使业界对于高效而方便的转动惯量识别技术十分关注。

南京埃斯顿自动控制技术有限公司提出的“交流伺服系统的转动惯量辨识方法”(专利号：CN200810018783.0)，使用了加减速的方案测试电机系统，通过加减速过程中获得平均转矩与平均速度，根据转矩与速度关系获得转动惯量，但是此方法要求必须拥有稳定的电机控制器。对于一个转动惯量未知的电机，获得稳定的电机控制器需要实际的工程经验来设置速度环PI环参数，不利于提高生产效率。

哈尔滨工业大学徐殿国教授提出的“交流永磁伺服系统的在线转动惯量辨识装置及辨识方法”(专利号：CN201110301765.5)利用一台稳定的伺服驱动器，直接分析位置信号与转动惯量的关系，并在数学分析中消除摩擦因数的影响。但是对于一台新的电机来说，在不获得准确的转子惯量参数下，无法快速设计性能优良的伺服控制器，同时位置信号并不能在普通的工业变频器中获得，其获得过程需要相关位置传感器提供数据，这增加了测量系统本身的造价。

英国谢菲尔德大学诸自强教授在《Fast Determination of Moment of Inertiaof Permanent Magnet Synchronous Machine Drives for Design of Speed LoopRegulator》中提出了一种使用正弦参考转矩的方法测量转动惯量，但是该种方法假设电流环电磁常数远小于机械常数，对于一些特种电机，这种要求无法满足。另一方面，因为正弦电流控制过程需要保证逆变器可以工作在四个象限。即电机减速过程要完成电磁制动，普通变频器无法完成，该种方法只可以在实验室内使用四象限变频器完成。另一方面空载转矩的在正负转速下方向会发生变化，如果直接假设空载转矩为0，不符合实际工作场合。这两方面限制了系统不能应用在特殊电机或者通用变频器场合，即该种方法有一定的局限性。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于降阶电流环的永磁同步电机转动惯量识别方法，通过使用降阶电流环设计电流环响应过程计算电机转动惯量，解决了现有技术的不足。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于降阶电流环的永磁同步电机转动惯量识别方法，其特征在于，基于电流环PI控制器，根据电机电磁参数进行电流环降阶，使电流环成为一阶响应系统；通过测量系统在一个正弦叠加直流偏置的参考转矩激励下的频率响应，获得电机机械惯量参数。参考转矩值使用正弦周期函数分量叠加直流偏置分量，稳态速度为正弦响应速度分量叠加直流响应速度分量。正弦响应速度分量与正弦参考转矩的相移与幅度比是系统转动惯量J与摩擦系数B的函数，因此根据响应函数幅度比与相移关系即可求得电机的转动惯量。

该方法包括以下步骤：

1)根据额定功率与额定电流，使用标准SSFR(Stand-Still Frequency Response堵转频率响应)方法测量电机交轴、直轴电感。通过恒定电压矢量方法测量电机每相电阻参数，堵转频率响应方法测量中转子位置通过一个矢量角度为0的电压矢量固定。

具体的，首先定义转子直轴与A相相轴重合位置为电机转子0度位置。测量方法的第一步是输出一个三相合成的恒定电压矢量，该合成电压矢量角度定义为：当三相电压合成矢量与A相相轴重合时，矢量角度为0度。施加所得的电压矢量幅值为电机每相绕组电阻乘以额定电流峰值，矢量角度为0。因A相电流为正，BC电流为负且相等且幅值为A相幅值的一半，由电机学基本理论可知此时电机转子直轴与A相相轴重合，因此可固定该转子位置以保证在后续电感等参数测试过程中转子位置固定。

2)使用堵转频率响应方法，输出正弦电压矢量作用于电压直轴与交轴，记录交轴的电压、电流数据以及直轴的电压、电流数据；

矢量角度为0度，矢量幅值为正弦变化函数，通过观察电机相电流决定电压矢量幅值大小。从电机额定电压的1％逐渐加大，递增间隔以保证数据精度为前提缓慢增加，尽量获得较多数据，具体间隔数据要根据实际工况及测量工具精度决定，间隔取3％-5％为最佳。电压增加过程中保证三相电流始终在额定电流范围内。

3)根据交轴电流幅值和直轴电流幅值计算得到交轴电感值与直轴电感值；

4)根据稳态开环速度实验计算电机空载转矩T_l与摩擦系数B，这里可以使用单电流闭环速度开环测试方法测量。

5)根据电机额定电压与额定电流有效值，计算电流环PI控制器比例参数k_p和积分参数k_i，并根据直流母线电压值计算电流环一阶响应带宽；

6)根据电机参考转矩频率，获得带通速度滤波器；使用离散傅里叶变换，计算电机速度幅值；

7)根据电机降阶电流环系统传递函数，计算电机控制系统传递函数与特征根，计算稳态响应速度表达形式；

8)计算转动惯量值。

进一步的，根据电磁参数计算电流环降阶参数，设计电流环PI参数。

进一步的，根据电机直流母线电压值设计电机降阶电流环响应带宽，保证系统线性运行。

进一步的，根据电机正弦参考转矩与正弦速度响应关系计算电机的转动惯量参数。

有益效果：本发明提供的一种基于降阶电流环的永磁同步电机转动惯量识别方法，与现有方法相比，只需要使用通用变频器，算法可以集成进电机控制器程序，降低转动惯量测试复杂度。主要优点包括：

1)利用稳态数据测试，降低动态测试数据不稳定带来的误差。

2)计算程序只使用通用变频器，不使用除变频器以外任何设备，增加系统的实用性。

3)有效避免机械常数与电气常数相近带来的电流环误差对于系统测试的误差。

4)根据负载动态调整控制器速度环参数，提高系统鲁棒性，使系统具有可靠的自学习能力。

附图说明

图1为本发明的测试流程图

图2为本发明的计算原理示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1、图2所示，本发明基于传统的电流环PI控制器，通过降阶电流环，使电流环表现为一阶响应过程。由于电机的机械传动部分一般为一阶响应，可以通过测量系统在一个正弦叠加直流偏置的参考转矩激励下的频率响应，获得电机机械惯量参数。因为测量系统的测试电流通常小于电机额定值，可不考虑电机饱和效应，即电机系统可以等效为一个线性系统。由叠加定理可知，对于线性系统而言，交流响应只与交流信号有关，因此以下分析忽略直流信号对于系统的响应过程，只对交流参考信号进行分析。本发明根据电机电磁参数进行电流环降阶处理，使电流环为一阶响应系统。参考转矩值使用正弦周期函数分量叠加直流偏置分量，稳态速度为正弦响应速度分量叠加直流响应速度分量。正弦响应速度分量与正弦参考转矩的相移与幅度比是系统转动惯量J与摩擦系数B的函数，因此根据响应函数幅度比与相移关系即可求得电机的转动惯量。

分析电流环降阶过程。方程(1)、(2)为一台永磁同步电机的交、直轴电压方程。U_d、U_q为交轴、直轴电压，L_d、L_q为交轴、直轴电感，i_d、i_q为交轴、直轴电流，r为单相电阻，ω_e为电机电角速度。

电机的电磁转矩表示为方程(3)，T_e为电磁转矩，ψ_m为永磁磁链，p为极对数。

由方程(3)可以分析得到电磁转矩包含两个部分，即永磁转矩与磁阻转矩，为了保证系统的线性特性，设定直轴参考电流i_dref为0，使得磁阻转矩为0。对于隐极式电机，因为没有磁阻转矩，所以不需要考虑这个问题。对于凸极式电机，因为电机系统属于变速状态，如果d轴电流响应速度不能远大于q轴电流响应速度，那么就会引入磁阻转矩(L_d-L_q)i_di_q，造成系统本身的非线性过程，无法实现一阶响应设计，进而无法测量电机转动惯量。

电机的机械传动方程为方程(4)，T_e为电磁转矩，T_l为空载转矩，J为转动惯量，B为摩擦系数，ω_m为电机机械角速度。

电流环使用PI控制器，以下分析电流环的降阶处理。由方程(1)知，电机的交轴与直轴电压方程为交叉耦合，要保证控制系统的线性特性，首先需要对系统采用前馈解耦，即电流环PI控制器输出加上ω_eL_di_d+ω_eψ_m，电压信号输入电机交轴，补偿旋转反电动势。则电机的交轴电压方程简化为方程(5)，U_qo代表经过补偿的交轴电压作用于电机后产生于电机交轴上的电压。公式(6)代表拉氏变换后的电机电磁传递函数

电流PI环方程为方程(7)，k_p为比例参数，k_pk_i为积分参数，公式(8)为PI环传递函数。

k_p(i_qref-i_q)+k_pk_i∫(i_qref-i_q)dt＝U_qo (7)

整理得系统的开环传递函数为公式(9)

整理传递函数结果为(10)，对于公式(10)进行整理分解，求解方程极点如公式(14)，开环传递函数包含两个极点、一个零点。可以通过调整k_p、k_i参数降低电流环阶数，使方程响应为一阶响应过程。公式(11)～公式(15)为分析过程，并计算相应的k_p、k_i参数。k_i参数可直接计算，k_p参数可根据直流母线电压值计算，具体计算过程不再详述，实际实验可按照电机额定转速的100倍选用带宽。

k_i＝L_q/r (15)

分析公式(17)，需要指出的是因为系统有直流偏置信号，所以是否进行直流转矩补偿不重要。具体实验过程可根据电机额定转速限制，调整直流转矩偏置。传递函数为公式(18)，

公式(19)为转子速度信号关于交轴电流信号响应函数。设定交轴电流为一正弦激励叠加直流激励，直流激励幅值由电机额定转速和空载转矩决定，正弦震荡信号由额定转速与摩擦系数决定，实验过程需要从低频信号开始测试加入。公式(20)为交轴电流形式及拉氏变化电流形式。|I₀|为施加电流幅值，ω为施加电流角频率。加入正弦参考转矩后，响应过程如公式(19)～公式(24)。

通过公式(18)～公式(28)分析易知响应幅值为公式(28)，上述方程中，除了摩擦系数B可以通过静态测试得到，将其他已知参数代入方程(28)就可以得到转动惯量J。求解过程如下。

根据公式(28)，整理得转动惯量形式如下公式(29)，只需代入以下参数即可求出转动惯量。

具体实施例：

步骤1)针对待测试电机，选用合适变频器。施加电机固定电压矢量，矢量角度为0，幅值通过调压器缓慢增加，增加至转子不发生晃动。即转子位置锁定。通过外部机械结构固定转子。

步骤2)连接BC相，施加电压矢量，矢量角度为0，幅值为一正弦量，振动频率以额定转速10％逐次叠加。对直轴电流进行离散傅里叶变换，求取电流幅值，代入直轴方程计算直轴电感。

步骤3)A相悬空，施加电压矢量，矢量角度为90度，幅值为一正弦量。振动频率从10％额定转速上升至100％额定转速，对交轴电流进行离散傅里叶变换。获得交轴电感值。

步骤4)速度开环电流闭环测试，取出固定螺栓。进行速度开环测试，根据空载交轴电流与稳定开环转速的关系获得空载摩擦转矩与转速关系。取一次线性分量，计算摩擦系数B与空载转矩T_l。

步骤5)根据电流环降阶公式设计电流换控制器。根据直流母线电压设计带宽，进行正弦参考电流闭环实验。

步骤6)根据转速实验结果，计算转子转动惯量，设计电机转速环控制参数。

本次实施例以永磁同步电机为主要阐述对象，对于直流机与电励磁同步电机，只是电流控制环处理方式不同。就转动惯量测量原理来说，本方法可以在只是对电流环稍加改动的情况下，应用于直流机与电励磁同步电机转动惯量测试领域。因此，使用本方法提出的正弦转矩注入并进行转矩幅值与转速幅值分析，进而对直流机与电励磁同步电机的转动惯量进行测量的方法也在本发明的保护范围之内。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于降阶电流环的永磁同步电机转动惯量识别方法，其特征在于，基于电流环PI控制器，根据电机电磁参数进行电流环降阶，使电流环成为一阶响应系统；通过测量系统在一个正弦叠加直流偏置的参考转矩激励下的频率响应，获得电机机械惯量参数。

2.如权利要求1所述的一种基于降阶电流环的永磁同步电机转动惯量识别方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)根据额定功率与额定电流，使用恒定电压矢量方法测量电机电阻；

2)使用堵转频率响应方法，输出正弦电压矢量作用于电压直轴与交轴，记录交轴的电压、电流数据以及直轴的电压、电流数据；

3)根据步骤2)的电压、电流数据计算交轴直轴电感值与直轴电感值；

4)根据稳态开环速度实验计算电机空载转矩与摩擦系数；

5)根据电机额定电压与额定电流有效值，计算电流环PI控制器比例参数和积分参数，并根据直流母线电压值计算电流环一阶响应带宽；

6)根据电机参考转矩频率，获得带通速度滤波器；使用离散傅里叶变换，计算电机速度幅值；

7)根据电机降阶电流环系统传递函数，计算电机控制系统传递函数与特征根，计算稳态响应速度表达形式；

8)计算转动惯量值。

3.如权利要求2所述的一种基于降阶电流环的永磁同步电机转动惯量识别方法，其特征在于，步骤1)包括通过恒定电压矢量方法测量电机每相电阻参数，堵转频率响应方法测量中转子位置通过一个矢量角度为0的电压矢量固定。

4.如权利要求2所述的一种基于降阶电流环的永磁同步电机转动惯量识别方法，其特征在于，步骤2)中，电压矢量从额定电压的1％递增，直到电流递增为额定电流，停止电压递增。

5.如权利要求2所述的一种基于降阶电流环的永磁同步电机转动惯量识别方法，其特征在于，步骤4)中，使用单电流闭环速度开环测试方法，计算电机的空载转矩及摩擦系数。

6.如权利要求2所述的一种基于降阶电流环的永磁同步电机转动惯量识别方法，其特征在于，步骤5)中，根据电磁参数计算电流环降阶参数，获得电流环PI控制器比例参数和积分参数。

7.如权利要求2所述的一种基于降阶电流环的永磁同步电机转动惯量识别方法，其特征在于，步骤5)中，根据电机直流母线电压值获得电机降阶电流环响应带宽。

8.如权利要求2所述的一种基于降阶电流环的永磁同步电机转动惯量识别方法，其特征在于，步骤8)中，根据电机正弦参考转矩与正弦速度响应关系计算电机的转动惯量值。