CN107425774A - 永磁同步电机直轴电感辨识方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机直轴电感辨识方法。该方法具体为：向永磁同步电机任意两相之间持续注入带有直流分量的交流信号，所述交流信号的幅值恒定且小于所述永磁同步电机额定驱动信号的幅值，所述交流信号的频率ω大于工频；待所述永磁同步电机稳定后，测量所述两相间反馈信号中的电流信号以及电压信号，从而获得交流分量的电流幅值I、电压幅值U；最后按照下式计算出所述永磁同步电机的直轴电感本发明还公开了一种永磁同步电机直轴电感辨识装置。相比现有技术，本发明一方面可避免d轴定位不准确所导致的电感测量偏差，并大幅降低采样难度，另一方面，测量过程更加简单便捷。

Description

永磁同步电机直轴电感辨识方法及装置

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机直轴电感辨识方法及装置。

背景技术

随着无速度传感器矢量控制技术在同步电机方面的应用，同步电机的应用范围越来越广泛，无速度传感器的高性能矢量控制和转矩控制技术是建立在同步电机的模型基础上，需要测量电机的参数：定子电阻，交直轴电感，同步电机的磁链等参数。

传统的测量直轴电感的方法是向电机d轴方向发脉冲电压矢量，电流波形为脉冲电压阶跃响应，通过采样电流和电压进行指数运算求出d轴电感时间常数，从而求解d轴电感。该直轴电感测量方法需要在电流稳态之前进行采样，并需要施加固定的电压脉冲，如果施加的固定电压脉冲幅值过大，或时间长，容易造成过流，相反，如果施加的固定电压脉冲幅值相同，时间很短，则电流小，影响电流测量精度，所以施加的固定电压脉冲不容易选取，而且，由于采样电流需要在电流稳态之前采样，要求电流可采样的时间很短，对电流采样要求较高，要求电流采样快而且准，否则容易造成参数辨识偏差，并且同步电机的内部机械结构对d轴定位影响导致d轴电感测量不准确。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种永磁同步电机直轴电感辨识方法，一方面可避免d轴定位不准确所导致的电感测量偏差，并大幅降低采样难度，另一方面，测量过程更加简单便捷。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

永磁同步电机直轴电感辨识方法，向永磁同步电机任意两相之间持续注入带有直流分量的交流信号，另外一相中无电流流过，相当于断路，所述交流信号的幅值恒定且小于所述永磁同步电机额定驱动信号的幅值，所述交流信号的频率ω大于工频(50Hz)；待所述永磁同步电机稳定后，测量所述两相间反馈信号中的电流信号以及电压信号从而获得交流分量的电流幅值I、电压幅值U；最后按照下式计算出所述永磁同步电机的直轴电感

进一步地，在注入带有直流分量的交流信号之前，先向所述两相之间注入一个幅值恒定的直流信号。

优选地，所述直流信号的幅值小于所述永磁同步电机额定驱动信号幅值。

优选地，所述电流幅值I、电压幅值U的测量方法具体为：先对所述两相间的反馈电压信号、反馈电流信号进行采样，然后对采样结果进行基于离散傅立叶变换的快速谐波分析。

优选地，所述带有直流分量的交流信号的幅值为所述永磁同步电机额定驱动信号的幅值的0.2倍至0.5倍。

根据相同的发明思路还可以得到以下技术方案：

永磁同步电机直轴电感辨识装置，该装置包括：

信号注入模块，用于向永磁同步电机任意两相之间持续注入带有直流分量的交流信号，另外一相中无电流流过，相当于断路，所述交流信号的幅值恒定且小于所述永磁同步电机额定驱动信号的幅值，所述交流信号的频率ω大于工频(50Hz)；测量模块，用于待所述永磁同步电机稳定后，测量所述两相间反馈信号中的电流信号以及电压信号；

计算模块，用于根据测量模块的测量结果，获得其中的交流分量的电流幅值I、电压幅值U，按照下式计算出所述永磁同步电机的直轴电感

进一步地，信号注入模块在注入带有直流分量的交流信号之前，先向所述两相之间注入一个幅值恒定的直流信号。

优选地，所述直流信号的幅值小于所述永磁同步电机额定驱动信号幅值。

优选地，所述测量模块包括：

采样模块，用于对所述两相间的反馈电压信号、反馈电流信号进行采样；

优选地，计算模块包括：

谐波分析模块，用于对采样模块的采样结果进行基于离散傅立叶变换的快速谐波分析。

优选地，所述带有直流分量的交流信号的幅值为所述永磁同步电机额定驱动信号的幅值的0.2倍至0.5倍。

相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

本发明通过对电机任意两相间通入直流和交流叠加的信号，利用其中的直流分量进行持续的d轴定位，同时利用其中的交流分量进行直轴电感测量，减少了由于d轴定位的不准确性对测量d轴电感的影响，保证了测量的准确性。

采用本发明技术方案，电流的幅值可控，不容易造成过流。

本发明不必要求电流采样的快速性，电流的采样时间长，可以降低电流采样难度，增加电流采样的准确性。

本发明技术方案容易实现，且具有极强的鲁棒性。

附图说明

图1为具体实施例中永磁同步电机的直流电流矢量关系示意图。

具体实施方式

针对现有技术不足，本发明思路是对电机任意两相间通入直流和交流叠加的信号，利用其中的直流分量进行持续的d轴定位，同时利用其中的交流分量进行直轴电感测量，以减少由于d轴定位的不准确性对测量d轴电感的影响，保证测量的准确性。

具体地，本发明永磁同步电机直轴电感辨识方法为：向永磁同步电机任意两相之间持续注入带有直流分量的交流信号，另外一相中无电流流过，相当于断路，所述交流信号的幅值恒定且小于所述永磁同步电机额定驱动信号的幅值，所述交流信号的频率ω大于工频(50Hz)；待所述永磁同步电机稳定后，测量所述两相间反馈信号中的电流信号以及电压信号，从而获得交流分量的电流幅值I、电压幅值U；最后按照下式计算出所述永磁同步电机的直轴电感

本发明永磁同步电机直轴电感辨识装置包括：

信号注入模块，用于向永磁同步电机任意两相之间持续注入带有直流分量的交流信号，所述交流信号的幅值恒定且小于所述永磁同步电机额定驱动信号的幅值，所述交流信号的频率ω大于工频；

测量模块，用于待所述永磁同步电机稳定后，测量所述两相间反馈信号中的电流信号以及电压信号；

计算模块，用于根据测量模块的测量结果，获得其中的交流分量的电流幅值I、电压幅值U，按照下式计算出所述永磁同步电机的直轴电感

其中，所述带有直流分量的交流信号可以是电压信号也可以是电流信号。

本发明技术方案中的直流分量是用于d轴定位，因此，可以一直向电机注入所述带有直流分量的交流信号，待电机稳定后(即d轴定位完成后)再开始测量；也可以采用分段式的信号注入方式，即先向电机两相之间注入单纯的幅值恒定的直流信号，待d轴定位完成后，再向电机两相之间注入所述带有直流分量的交流信号，并开始测量。采用分段式的信号注入方式时，前段注入的直流信号优选采用幅值较大(大于所述带有直流分量的交流信号中的直流分量的幅值)的直流信号，实现对d轴的快速定位，后段的幅值较小的交流信号中的直流分量可起到对d轴微调定位的作用，从而提高d轴定位的效率。

所述两相间反馈信号中交流分量的电流幅值U、电压幅值I可采用现有的各种测量方法，本发明优选采用以下方法：先对所述两相间的反馈电压信号、反馈电流信号进行采样，然后对采样结果进行基于离散傅立叶变换的快速谐波分析。基于离散傅立叶变换(DFT)的快速谐波分析方法为现有技术，其基本内容如下：

对波形的时间连续信号采样装置进行等间隔采样，并把采样值依次转换成数字序列，然后借助计算机进行快速谐波分析，连续信号为u则计算该信号的幅值为：

是基波角频率

基波的幅值求法：

所述带有直流分量的交流信号的幅值优选为所述永磁同步电机额定驱动信号的幅值的0.2倍至0.5倍。

为了便于公众理解，下面以一个具体实施例来对本发明技术方案进行详细说明：

本实施例中的永磁同步电机直轴电感辨识过程包括：

步骤1、向永磁同步电机任意两相之间持续注入带有直流分量的交流信号，所述交流信号的幅值恒定且小于所述永磁同步电机额定驱动信号的幅值，所述交流信号的频率ω大于工频(50Hz)；

本实施例中向A、B两相间注入带有直流电流分量的交流电流信号，其中的直流电流分量的作用是进行d轴定位，另外一相C相中无电流流过，等效于断路。永磁同步电机d轴的定位是通过通入电流的直流分量进行确定的，永磁同步电机的d轴定义即为转子永磁体的磁极轴，那么转子内部的磁极轴位置在初始状态可以是任意角度和位置，这个初始位置我们不知道，这里我们通过任意两相通入带有直流电流的高频交流电流来确定转子的磁极轴位置，实现方法和原理如下：由于在同步电机定子绕组通入直电流后，会产生漏磁链和气隙磁链，由于漏磁链很小我们分析时可忽略，气隙磁链对应的电感系数随转子的位置而变化，当ABC相绕组通过电流i_A、i_B、i_C时，可以写出三相永磁同步电机在静止ABC坐标系下的磁链方程：

[ψ]_ABC＝[L]_ABC [I]_ABC

其中：[I]_ABC＝[i_A i_B i_C]^T；[ψ]_ABC＝[ψ_A ψ_B ψ_C]^T

电感矩阵[L]_ABC中，L_AA、L_BB、L_CC为各绕组的自感，M_XY为两相绕组之间的互感。[ψ]_ABC为A、B、C各相磁链矩阵，[I]_ABC为A、B、C各相电流矩阵。

由上式可知[ψ]_ABC的是与定子电流的矢量方向是同向的，而直流信号电压和电流矢量方向相同，我们的PWM控制信号是通过输出电压信号来控制电机的，所以输出直流电流信号就可以得到同向的电压矢量方向，由此可以得到同向的定子磁链磁极，若把定子磁链磁极看作虚拟的磁体，根据同步电机的特性，磁极的相互吸引力会把转子的永磁体吸引到与定子磁链的矢量方向相同，那么转子的磁极轴d轴会由于我们施加给定子绕组的电流矢量而产生旋转直至与定子磁链的矢量方向同向，由此即可以确定d轴的位置与电机的总电流矢量同向，完成转子的磁极轴d轴的位置确定。

分析AB相连接，C相断开的同步电机的直流电流矢量关系，如图1所示：

定子直流电流矢量和与C相电流是垂直的方向，定子电流矢量方向即是转子的d轴位置，C相此时是与d轴垂直的q轴方向，C相是断开，则C相电流是0，此时不会再有转矩电流也不会再产生转矩，转子的位置不会再旋转，可以通过该电流矢量较稳定的定位于d轴，根据同步电机的dq轴的电压方程可知：

其中：i_d-d轴电流，i_q-q轴电流,u_d-d轴电压，u_q-q轴电压，R_s-定子电阻，ω_r-转子电角度，L_d-d轴电感，L_q-q轴电感,ψ_f-同步电机磁链。

d轴不动，则ω_r＝0，q轴电流i_q即C相电流为0，根据信号的叠加原理，直流电流信号可以保持d轴定位，由上式可以得出，在d轴叠加高频电流交流信号，测量并计算得到交流电压和电流信号u_d、i_d就可以求出L_d直轴的电感。其他两相的绕组的分析方法相同。

为了加快d轴定位，可在先向所述两相间注入一个幅值较大的直流电流对d轴进行快速定位，然后再通入带有直流分量的高频电压或电流信号对d轴进行微调定位以及在采样时将对d轴进行锁定。

步骤2、待所述永磁同步电机稳定后，测量所述两相间反馈信号中的电流信号以及电压信号并通过计算单元获得交流分量的电流幅值、电压幅值；

根据以上理论分析可知，永磁同步电机稳定后即表明d轴定位已完成，且由于此时仍在持续通入直流电流分量，已定位好的d轴会保持恒定，不会由于机械结构等外界因素而发生偏转，进而对测量结果产生影响。

所述A、B两相间反馈信号中交流分量的电流幅值I_ab、电压幅值U_ab可采用现有的各种测量方法，本具体实施例中采用以下方法：先对A、B两相间的反馈电压信号、反馈电流信号进行采样，然后对采样结果进行基于离散傅立叶变换的快速谐波分析。

步骤3、计算直轴电感L_d；

根据直轴电感定义可知X_ab为A、B之间的感抗，由此可知

通过上述方法，可以使得在不同的电流指令下，辨识的直轴电感量的一致性较好，满足测量精度要求。

Claims (10)

1.永磁同步电机直轴电感辨识方法，其特征在于，向永磁同步电机任意两相之间持续注入带有直流分量的交流信号，所述交流信号的幅值恒定且小于所述永磁同步电机额定驱动信号的幅值，所述交流信号的频率ω大于工频；待所述永磁同步电机稳定后，测量所述两相间反馈信号中的电流信号以及电压信号，从而获得交流分量的电流幅值I、电压幅值U；最后按照下式计算出所述永磁同步电机的直轴电感L_d：

2.如权利要求1所述方法，其特征在于，在注入带有直流分量的交流信号之前，先向所述两相之间注入一个幅值恒定的直流信号。

3.如权利要求2所述方法，其特征在于，所述直流信号的幅值小于所述永磁同步电机额定驱动信号幅值。

4.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述电流幅值I、电压幅值U的测量方法具体为：先对所述两相间的反馈电压信号、反馈电流信号进行采样，然后对采样结果进行基于离散傅立叶变换的快速谐波分析。

5.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述带有直流分量的交流信号的幅值为所述永磁同步电机额定驱动信号的幅值的0.2倍至0.5倍。

6.永磁同步电机直轴电感辨识装置，其特征在于，该装置包括：

信号注入模块，用于向永磁同步电机任意两相之间持续注入带有直流分量的交流信号，所述交流信号的幅值恒定且小于所述永磁同步电机额定驱动信号的幅值，所述交流信号的频率ω大于工频；

测量模块，用于待所述永磁同步电机稳定后，测量所述两相间反馈信号中的电流信号以及电压信号；

计算模块，用于根据测量模块的测量结果，获得其中的交流分量的电流幅值I、电压幅值U，按照下式计算出所述永磁同步电机的直轴电感L_d：

7.如权利要求6所述装置，其特征在于，信号注入模块在注入带有直流分量的交流信号之前，先向所述两相之间注入一个幅值恒定的直流信号。

8.如权利要求7所述装置，其特征在于，所述直流信号的幅值小于所述永磁同步电机额定驱动信号幅值。

9.如权利要求6所述装置，其特征在于，所述测量模块包括：

采样模块，用于对所述两相间的反馈电压信号、反馈电流信号进行采样；所述计算模块包括谐波分析模块，用于对采样模块的采样结果进行基于离散傅立叶变换的快速谐波分析。

10.如权利要求6所述装置，其特征在于，所述带有直流分量的交流信号的幅值为所述永磁同步电机额定驱动信号的幅值的0.2倍至0.5倍。