CN106849773B - 一种永磁同步电机伺服惯量系统辨识方法 - Google Patents

一种永磁同步电机伺服惯量系统辨识方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机伺服惯量系统辨识方法，输出定子α轴电压为0，定子β轴电压为一负常数‑|M|的控制信号；将永磁同步电机输出的转子位置与定子β轴电压分别建立与时间的坐标；过永磁同步电机输出的转子位置稳态幅值C作平行于时间轴的直线；将定子β轴电压幅值|M|除以幅值C，得永磁同步电机的机电响应参数K；过原点对永磁同步电机输出的转子位置曲线作切线与直线相交于交点S；过交点S向下作垂线与时间轴相交，得交点坐标值T；将参数K和坐标值T相乘，得永磁同步电机等效伺服惯量参数Ai。本发明的辨识方法，使得永磁同步电机具有良好的静态性能和动态性能。

Description

一种永磁同步电机伺服惯量系统辨识方法
技术领域
本发明属于永磁同步电机控制领域，涉及永磁同步电机转子位置系统和控制方法，更具体地说，本发明涉及一种永磁同步电机伺服惯量系统辨识方法。
背景技术
永磁同步电机位置伺服控制必须采用闭环控制才能获得优良的转子位置控制性能，只有对被控对象进行定性认识才能决定设计什么样的控制器，只有对被控对象参数进行定量识别才能对控制器参数准确调整。目前，公知的现有技术中的控制器，如应用广泛的PID（比例积分微分）控制器，并不是首先确定被控对象参数，而是直接采用试凑法或经验法调整控制器比例控制参数、积分控制参数和微分控制参数。因此，控制器参数的调整比较盲目，永磁同步电机位置伺服控制系统的调试费时费力，转子位置控制性能难以满足要求，有些甚至根本无法对转子位置进行控制。
有相关在先前申请专利中做了初步探索研究，在先专利为：公开号是CN103427747B，专利名称为直流电机电流PI控制的参数调节系统的调节方法；公开号是CN103414418B，专利名称为一种直流电机电流PI控制系统的控制方法；公开号是CN103427758B，专利名称为单相感应电机励磁电流PI控制参数的调整方法；公开是CN103427748B，专利名称为一种单相感应电机励磁电流PI控制方法；公开是CN101499755A，专利名称为一种直流电机速度PID控制方法。但上述现有研究中，没有涉及到永磁同步电机、永磁电机以及对转子位置的闭环控制，永磁同步电机转子位置控制时，如何识别等效伺服惯量参数，则是现有技术中有待必须解决的问题，另一方面，随着定子绕组温度的升高，电机参数会发生变化，导致控制精度出现偏差，为此，急需发明一种针对于永磁同步电机伺服惯量系统辨识方法。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是为了解决在永磁同步电机转子位置进行控制时，控制器参数难于根据被控对象参数进行调整的问题，而提出一种永磁同步电机伺服惯量系统辨识方法，为用于控制永磁同步电机运行的转子位置控制器提供参数设计和调整的依据。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种永磁同步电机伺服惯量系统辨识方法，该辨识方法采用的辨识系统包括：
第一定子电压控制单元，其用于生成定子电压的第一控制信号；
第一功率驱动单元，其输入端与所述第一定子电压控制单元的输出端连接，所述第一功率驱动单元接收所述定子电压的第一控制信号，并输出相应大小的第一驱动电压；
第二定子电压控制单元，其用于生成定子电压的第二控制信号；
第二功率驱动单元，其输入端与所述第二定子电压控制单元的输出端连接，所述第二功率驱动单元接收所述定子电压的第二控制信号，并输出相应大小的第二驱动电压；
永磁同步电机，其电源输入端通过第一切换开关与所述第一功率驱动单元的输出端连接、通过第二切换开关与所述第二功率驱动单元的输出端连接，所述永磁同步电机的定子接收所述第一驱动电压或第二驱动电压；
转子位置传感器，其用于测量永磁同步电机的转子位置信息；
测温装置，其用于测量所述永磁同步电机定子绕组的温度；以及
记录仪器，其输入端分别与所述第一定子电压控制单元、转子位置传感器以及测温装置的输出端连接，所述记录仪器用于记录所测量数据随时间的变化过程；
一种永磁同步电机等效伺服惯量系统辨识方法，包括以下步骤：
步骤一、将永磁同步电机转子定位于永磁同步电机A相绕组轴线位置；测温装置实时采集所述定子绕组的温度数据，并将该温度数据传送至记录仪器中，将所述温度数据从小到大划分为若干个温度区间；
步骤二、断开第一切换开关，闭合第二切换开关，采用定子电压控制单元输出三相定子电压幅值各为一正常数L的第二控制信号；
步骤三、所述第二功率驱动单元接收所述第二控制信号后输出三相电压幅值各为所述正常数L的第二驱动电压，所述永磁同步电机的定子绕组接收所述第二驱动电压，将所述定子绕组升温；
步骤四、当所述定子绕组的温度超过第j个所述温度区间的中间值时，断开所述第二切换开关，闭合所述第一切换开关，采用第一定子电压控制单元输出定子α轴电压为0、定子β轴电压为一负常数-|M|的第一控制信号，其中，j为1、2、3…；
步骤五、所述第一功率驱动单元接收所述第一控制信号后输出定子α轴电压为0、定子β轴电压为一负常数-|M|的第一驱动电压，所述永磁同步电机的定子绕组接收所述第一驱动电压，驱动转子动作，产生转子位置信息；
步骤六、采用转子位置传感器实时测量永磁同步电机的转子位置信息；
步骤七、记录仪器分别记录所述第一控制信号和所述转子位置信息随时间变化的过程，并在坐标系分别建立所述转子位置信息、定子β轴电压与时间关系的曲线图，其中，时间为横坐标，转子位置信息和定子β轴电压为纵坐标；
步骤八、在坐标系中读取转子位置信息曲线的稳态幅值C，过该稳态幅值C作平行于时间轴的直线；
步骤九、将定子β轴电压的幅值|M|除以幅值C，得到所述永磁同步电机的机电响应参数K；
步骤十、过原点对转子位置信息曲线作切线并与所述步骤八中所述的直线相交于交点S，过交点S向下作垂线与时间轴相交，垂线与时间轴的交点的坐标值为T；
步骤十一、将所述机电响应参数K和所述坐标值T相乘，得到永磁同步电机在定子绕组温度处于第j个温度区间的等效伺服惯量参数Ai，i=1、2…j；
步骤十二、回到步骤二，在第j+1个所述温度区间进行等效伺服惯量参数Ai的测量，直至将各个所述温度区间对应的等效伺服惯量参数Ai全部测量完毕。
优选的，所述第一功率驱动单元和第二功率驱动单元的额定电压大于所述永磁同步电机的额定电压。
优选的，所述第一功率驱动单元和第二功率驱动单元的额定电流大于所述永磁同步电机的额定电流。
优选的，所述第一切换开关和第二切换开关联锁设置，所述第一切换开关和第二切换开关在同一时刻不能同时闭合。
优选的，所述测温装置设置在所述永磁同步电机的机壳上，所述测温装置为红外测温传感器，所述红外测温传感器的出光口朝向所述定子绕组。
优选的，步骤二中所述第二定子电压控制单元输出的三相定子电压幅值L与所述永磁同步电机的额定电压幅值相等。
优选的，步骤四中所述定子电压控制单元输出的定子β轴电压的幅值|M|与所述永磁同步电机的额定电压幅值相等。
优选的，根据永磁同步电机的定子绕组所处的温度区间，选择在该温度下对应的所述等效伺服惯量参数Ai，根据所述等效伺服惯量参数Ai确定用于控制所述永磁同步电机运行状态的转子位置控制器的控制参数。
优选的，所述转子位置控制器的控制参数包括比例参数、积分参数、微分参数中的至少一种。
本发明至少包括以下有益效果：
1、通过在不同定子绕组温度下，对永磁同步电机的参数进行定量识别，获得了对电机转子位置控制时的机电响应参数K和等效伺服惯量参数Ai，为永磁同步电机的控制设计和调试节省了精力和时间，提高了对永磁同步电机在不同定子绕组温度下的控制性能，而且使得永磁同步电机获得了良好的静态性能和动态性能，实现了对永磁同步电机的精确控制；
2、通过对永磁同步电机参数进行定量识别，获得了对转子位置控制时的机电响应参数K和永磁同步电机等效伺服惯量参数Ai，为永磁同步电机转子位置控制设计和调试节省了精力和时间，提高了对永磁同步电机的转子位置伺服控制性能，而且使得永磁同步电机获得了良好的静态性能和动态性能，实现了对永磁同步电机转子位置的精确控制。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明的辨识系统的构成框图；
图2为本发明辨识方法框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
本发明提供了一种永磁同步电机伺服惯量系统辨识方法，如图1所示，所采用的辨识系统包括：第一定子电压控制单元100、第一功率驱动单元200、第一切换开关810、永磁同步电机300、转子位置传感器400、记录仪器500、第二定子电压控制单元600、第二功率驱动单元700、第二切换开关820、以及测温装置900。
其中，第一定子电压控制单元100用于生成定子绕组电压的第一控制信号，第一功率驱动单元200输入端与所述第一定子电压控制单元100的输出端连接，所述第一功率驱动单元200接收所述定子电压的第一控制信号，并输出相应大小的第一驱动电压；第二定子电压控制单元600用于生成定子绕组电压的第二控制信号，第二功率驱动单元700输入端与所述第二定子电压控制单元600的输出端连接，所述第二功率驱动单元700接收所述定子电压的第二控制信号，并输出相应大小的第二驱动电压。
永磁同步电机300电源输入端通过第一切换开关810与所述第一功率驱动单元200的输出端连接、通过第二切换开关820与所述第二功率驱动单元700的输出端连接，所述永磁同步电机300的定子接收所述第一驱动电压或第二驱动电压以给定子绕组励磁，驱动转子产生转子位置信息，其中，所述第一切换开关810和第二切换开关820联锁设置的，也就是所述第一切换开关810和第二切换开关820在同一时刻不能同时闭合，使得第一功率驱动单元200与第二功率驱动单元700只能有一者可以为定子绕组励磁。
转子位置传感器400用于测量永磁同步电机300的转子位置信息，所述测温装置900设置在所述永磁同步电机300的机壳上，用于测量所述永磁同步电机300定子绕组的温度；本实施例中，所述测温装置900为红外测温传感器，其他实施例可以根据具体条件选择合适的温度传感器，所述红外测温传感器的出光口朝向所述定子绕组，以提高测量定子绕组温度的准确性。
记录仪器500输入端分别与所述第一定子电压控制单元100、转子位置传感器400以及测温装置900的输出端连接，所述记录仪器500用于记录所测量数据随时间的变化过程，本实施例中，记录仪器500接收所述转子位置信息、定子绕组电压的第一控制信号、定子绕组电压的第二控制信号以及定子绕组的温度，并分别记录所述转子位置信息、定子绕组电压的第一控制信号、定子绕组电压的第二控制信号以及定子绕组的温度与时间关系的曲线图。
上述技术方案中，所述第一功率驱动单元200和第二功率驱动单元700的额定电压大于所述永磁同步电机300的额定电压；所述第一功率驱动单元200和第二功率驱动单元700的额定电流大于所述永磁同步电机300的额定电流。
一种永磁同步电机等效伺服惯量系统辨识方法，包括以下步骤：
步骤一、将永磁同步电机300的转子定位于永磁同步电机A相绕组轴线位置，测温装置900实时采集所述定子绕组的温度数据，并将该温度数据传送至记录仪器500中，将所述温度数据从小到大划分为若干个温度区间，划分的温度区间越小，每个温度区间对应的等效伺服惯量参数Ai越精确，可以根据具体情况来划分温度区间，本实施例中，将定子绕组温度从-30OC～110 OC每5 OC划分为一个温度区间，一共22个温度区间；
步骤二、断开第一切换开关810，闭合第二切换开关820，采用第二定子电压控制单元600输出三相定子电压幅值各为一正常数L的第二控制信号，本实施例中，该第二定子电压控制单元600输出的三相定子电压幅值L与所述永磁同步电机300的额定电压幅值相等；
步骤三、所述第二功率驱动单元700接收所述第二控制信号后输出三相电压幅值各为所述正常数L的第二驱动电压，所述永磁同步电机300的定子绕组接收所述第二驱动电压，将所述定子绕组升温，测温装置900实时测量定子绕组的温度，将温度数据反馈至记录仪器500中；
步骤四、随着定位绕组温度的升高，当所述定子绕组的温度超过第j个所述温度区间的中间值时，其中，j为1、2、3…22，比如定子绕组的温度超过了第8个所述温度区间的中间值时，也就是超过了7.5 OC时，断开所述第二切换开关820，闭合所述第一切换开关810，采用第一定子电压控制单元100输出定子α轴电压为0、定子β轴电压为一负常数|M|的第一控制信号；
步骤五、所述第一功率驱动单元200接收所述第一控制信号后输出定子α轴电压为0、定子β轴电压为一负常数-|M|的第一驱动电压，本实施例中，所述第一定子电压控制单元100输出的输出的定子β轴电压的幅值|M|与所述永磁同步电机300的额定电压幅值相等，所述永磁同步电机300的定子绕组接收所述第一驱动电压，产生转子位置信息；
步骤六、采用转子位置传感器400实时测量永磁同步电机300的转子位置信息，并传送至记录仪器500中；
步骤七、记录仪器500分别记录所述第一控制信号和所述转子位置信息随时间变化的过程，并在坐标系分别建立所述转子位置信息、定子β轴电压与时间关系的曲线图，其中，时间为横坐标，转子位置信息和定子β轴电压为纵坐标；
步骤八、在坐标系中读取转子位置信息曲线的稳态幅值C，过该稳态幅值C作平行于时间轴的直线；
步骤九、将定子β轴电压的幅值|M|除以幅值C，得到所述永磁同步电机300的机电响应参数K；
步骤十、过原点对转子位置信息曲线作切线并与所述步骤八中所述的直线相交于交点S，过交点S向下作垂线与时间轴相交，垂线与时间轴的交点的坐标值为T；
步骤十一、将定子阻抗参数K和坐标值T相乘，得到所述永磁同步电机300在定子绕组温度处于第j个温度区间的等效伺服惯量参数Ai，i=1、2…j，本实施例中，也就是测得了第八个温度区间的等效伺服惯量参数Ai，i=8；
步骤十二、回到步骤二，继续对定子绕组升温，直到定子绕组的温度超过第j+1个温度区间的中间值，在第j+1个所述温度区间进行等效伺服惯量参数Ai的测量，也就是在第九个温度区间中测量等效伺服惯量参数Ai，i=9，直至将各个所述温度区间对应的等效伺服惯量参数Ai全部测量完毕，得到每个温度区间对应的等效伺服惯量参数Ai。
随后，根据永磁同步电机300的定子绕组所处的温度区间对应的等效伺服惯量参数Ai，设定若干个转子位置控制器，根据每个温度下对应的所述等效伺服惯量参数Ai，来确定用于控制所述永磁同步电机运行状态的转子位置控制器的控制参数，所述转子位置控制器的控制参数包括比例参数、积分参数、微分参数中的至少一种。
本实施例中，得到上述永磁同步电机转子位置控制时的定子阻抗参数K和永磁同步电机等效伺服惯量参数A之后，永磁同步电机转子位置控制器就可以根据这两个参数进行设计和调整，以更好的控制永磁同步电机。
在永磁同步电机具体运行时，测温装置900实时测量定子绕组的温度，根据定子绕组所处的温度区间，来选择切换对应的转子位置控制器，以根据不同温度下的电机参数来对电机进行转子位置控制，提高控制性能。
由上所述，本发明通过在不同定子绕组温度下，对永磁同步电机的参数进行定量识别，获得了对电机转矩控制时的电磁转矩参数K和等效转矩惯量参数Ai，为永磁同步电机的控制设计和调试节省了精力和时间，提高了对永磁同步电机在不同定子绕组温度下的控制性能，而且使得永磁同步电机获得了良好的静态性能和动态性能，实现了对永磁同步电机的精确控制；同时，通过对永磁同步电机300参数进行定量识别，获得了对转子位置控制时的机电响应参数K和永磁同步电机300等效伺服惯量参数，为永磁同步电机300转子位置控制设计和调试节省了精力和时间，提高了对永磁同步电机300的转子位置伺服控制性能，而且使得永磁同步电机300获得了良好的静态性能和动态性能，实现了对永磁同步电机300转子位置的精确控制。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种永磁同步电机伺服惯量系统辨识方法，其特征在于，该辨识方法采用的辨识系统包括：
第一定子电压控制单元，其用于生成定子电压的第一控制信号；
第一功率驱动单元，其输入端与所述第一定子电压控制单元的输出端连接，所述第一功率驱动单元接收所述定子电压的第一控制信号，并输出相应大小的第一驱动电压；
第二定子电压控制单元，其用于生成定子电压的第二控制信号；
第二功率驱动单元，其输入端与所述第二定子电压控制单元的输出端连接，所述第二功率驱动单元接收所述定子电压的第二控制信号，并输出相应大小的第二驱动电压；
永磁同步电机，其电源输入端通过第一切换开关与所述第一功率驱动单元的输出端连接、通过第二切换开关与所述第二功率驱动单元的输出端连接，所述永磁同步电机的定子接收所述第一驱动电压或第二驱动电压；
转子位置传感器，其用于测量永磁同步电机的转子位置信息；
测温装置，其用于测量所述永磁同步电机定子绕组的温度；以及
记录仪器，其输入端分别与所述第一定子电压控制单元、转子位置传感器以及测温装置的输出端连接，所述记录仪器用于记录所测量数据随时间的变化过程；
基于该辨识系统的永磁同步电机伺服惯量系统辨识方法，包括以下步骤：
步骤一、将永磁同步电机转子定位于永磁同步电机A相绕组轴线位置；测温装置实时采集所述定子绕组的温度数据，并将该温度数据传送至记录仪器中，将所述温度数据从小到大划分为若干个温度区间；
步骤二、断开第一切换开关，闭合第二切换开关，采用第二定子电压控制单元输出三相定子电压幅值各为一正常数L的第二控制信号；
步骤三、所述第二功率驱动单元接收所述第二控制信号后输出三相电压幅值各为所述正常数L的第二驱动电压，所述永磁同步电机的定子绕组接收所述第二驱动电压，将所述定子绕组升温；
步骤四、当所述定子绕组的温度超过第j个所述温度区间的中间值时，断开所述第二切换开关，闭合所述第一切换开关，采用第一定子电压控制单元输出定子α轴电压为0、定子β轴电压为一负常数-|M|的第一控制信号，其中，j为1、2、3…；
步骤五、所述第一功率驱动单元接收所述第一控制信号后输出定子α轴电压为0、定子β轴电压为一负常数-|M|的第一驱动电压，所述永磁同步电机的定子绕组接收所述第一驱动电压，驱动转子动作，产生转子位置信息；
步骤六、采用转子位置传感器实时测量永磁同步电机的转子位置信息；
步骤七、记录仪器分别记录所述第一控制信号和所述转子位置信息随时间变化的过程，并在坐标系分别建立所述转子位置信息、定子β轴电压与时间关系的曲线图，其中，时间为横坐标，转子位置信息和定子β轴电压为纵坐标；
步骤八、在坐标系中读取转子位置信息曲线的稳态幅值C，过该稳态幅值C作平行于时间轴的直线；
步骤九、将定子β轴电压的幅值|M|除以幅值C，得到所述永磁同步电机的机电响应参数K；
步骤十、过原点对转子位置信息曲线作切线并与所述步骤八中所述的直线相交于交点S，过交点S向下作垂线与时间轴相交，垂线与时间轴的交点的坐标值为T；
步骤十一、将所述机电响应参数K和所述坐标值T相乘，得到永磁同步电机在定子绕组温度处于第j个温度区间的等效伺服惯量参数Ai，i＝1、2…j；
步骤十二、回到步骤二，在第j+1个所述温度区间进行等效伺服惯量参数Ai的测量，直至将各个所述温度区间对应的等效伺服惯量参数Ai全部测量完毕。
2.根据如权利要求1所述的永磁同步电机伺服惯量系统辨识方法，其特征在于，所述第一功率驱动单元和第二功率驱动单元的额定电压大于所述永磁同步电机的额定电压。
3.根据如权利要求1所述的永磁同步电机伺服惯量系统辨识方法，其特征在于，所述第一功率驱动单元和第二功率驱动单元的额定电流大于所述永磁同步电机的额定电流。
4.根据权利要求3所述的永磁同步电机伺服惯量系统辨识方法，其特征在于，所述第一切换开关和第二切换开关联锁设置，所述第一切换开关和第二切换开关在同一时刻不能同时闭合。
5.根据权利要求4所述的永磁同步电机伺服惯量系统辨识方法，其特征在于，所述测温装置设置在所述永磁同步电机的机壳上，所述测温装置为红外测温传感器，所述红外测温传感器的出光口朝向所述定子绕组。
6.根据权利要求1所述的永磁同步电机伺服惯量系统辨识方法，其特征在于，步骤二中所述第二定子电压控制单元输出的三相定子电压幅值L与所述永磁同步电机的额定电压幅值相等。
7.根据权利要求6所述的永磁同步电机伺服惯量系统辨识方法，其特征在于，步骤四中所述定子电压控制单元输出的定子β轴电压的幅值|M|与所述永磁同步电机的额定电压幅值相等。
8.根据权利要求7所述的永磁同步电机伺服惯量系统辨识方法，其特征在于，根据永磁同步电机的定子绕组所处的温度区间，选择在该温度下对应的所述等效伺服惯量参数Ai，根据所述等效伺服惯量参数Ai确定用于控制所述永磁同步电机运行状态的转子位置控制器的控制参数。
9.根据权利要求8所述的永磁同步电机伺服惯量系统辨识方法，其特征在于，所述转子位置控制器的控制参数包括比例参数、积分参数、微分参数中的至少一种。
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