CN107994828A - 一种永磁同步电机交直轴电感测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机交直轴电感测量方法，将永磁同步电机交轴或直轴电流固定在某一电流点上，并在交轴或直轴注入对称的直轴或交轴方波参考电压以改变交直轴电流，获得该交轴或直轴电流点上的直轴或交轴电感随注入的直轴或交轴电流的变化关系，以及逆变器非线性因素的等效电压值；根据该变化关系以及等效电压值获取永磁同步电机在对应转子位置下的所有电流点随饱和变化的直轴或交轴电感值；该考虑饱和效应和逆变器非线性因素影响的不同转子位置下的永磁同步电机交直轴电感测量方法，通过获得电机交直轴电感和所有交直轴电流组合的一一对应关系，实现了对不同饱和程度下的电机电感值的辨识，并对逆变器非线性因素的影响进行了辨识和补偿，可提高电感测量精度。

Description

一种永磁同步电机交直轴电感测量方法

技术领域

本发明属于电机测试技术领域，具体涉及一种永磁同步电机交直轴电感测量方法。

背景技术

目前，对于基于电压源逆变器控制的商用永磁同步电机驱动系统而言，现有电机交直轴电感的测量或估算方法具有很多局限性，包括只能估算单一特殊电流工作点的电感值、无法综合考虑不同转子位置下的电感变化、无法估算交直轴电感随磁路饱和变化、无法消除逆变器非线性因素影响等。

基于高频注入法的交直轴电感量测法只能工作于交轴电流为零的工况下i_q＝0，而在实际应用里交轴电流往往占据了电流矢量的绝大部分。基于参数辨识技术的在线估算法需要知道其它电机参数值的大小，而且辨识的结果是交直轴电感在所有转子位置的平均值。此外，以上方法无法评估交直轴电感随饱和程度的变化，并且还易受不精确的逆变器非线性因素补偿的影响。对于商业驱动器而言，电感计算往往是基于实际量测的电流和参考指令电压，而电压源逆变器非线性因素导致指令参考电压与实际电压之间具有畸变差值，进而导致交直轴电感计算时误差的进一步扩大。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种永磁同步电机交直轴电感测量方法，其目的在于克服逆变器非线性因素和交直轴饱和效应对永磁同步电机交直轴电感测量精度的影响。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种永磁同步电机交直轴电感测量方法，将永磁同步电机的转子锁定，在注入弱磁电流之后获取定子绕组电阻，再注入正负跳跃的电压方波，计算出永磁同步电机在不同转子位置下的所有电流工作点随饱和变化的交直轴电感值。

优选地，上述磁同步电机交直轴电感测量方法，获得交轴电感的方法具体包括如下步骤：

(1)将交轴电流i_q设置为0，并注入非零的直轴电流，获取电机定子绕组电阻R值；

(2)将电机转子锁定，将直轴电流i_d设置为一个常数，在交轴施加正负对称的方波电压并使该方波电压的幅值逐渐增大直到所响应的交轴电流的幅值能覆盖电机的最大工作电流达到稳态的交轴电流值；

所施加的方波电压的周期要足够大，以保证交轴电流能够稳定收敛到稳态。

(3)根据稳态的交轴电流值和上述电机定子绕组电阻值获取逆变器非线性因素的等效电压值；

(4)根据交轴电压、交轴电流、定子绕组电阻值和逆变器非线性因素等效电压值获得交轴磁链随交轴电流变化的关系；

(5)根据交轴磁链随交轴电流变化的关系，获取交轴电感值以及交轴电感值随交轴电流的变化关系；

(6)更新直轴电流常数值，并重复步骤(3)～(5)，根据获得的所有交直轴电流组合(i_d、i_q)下的交轴磁链与瞬态交轴电流i_q的对应关系获得所有直轴电流下的交轴电感值。

优选地，上述磁同步电机交直轴电感测量方法，获得直轴电感的方法具体包括如下步骤：

(1)将交轴电流i_q设置为0，并注入非零的直轴电流，获取电机定子绕组电阻值；

(2)将电机转子锁定，将交轴电流i_q设置为一个常数，在直轴施加正负对称的方波电压并使将所述方波电压的幅值增大直到所响应的直轴电流的幅值能覆盖电机的最大工作电流，获得稳态的直轴电流值；

所施加的方波电压的周期要足够大，以保证直轴电流能够稳定收敛到稳态；

(3)根据稳态的直轴电流值、电机定子绕组电阻值获取逆变器非线性因素的等效电压值；

(4)根据直轴电压、直轴电流、电机定子绕组电阻值和逆变器非线性因素等效电压值获得直轴磁链随直轴电流变化的关系；

(5)根据所述直轴磁链随交轴电流变化的关系，获取直轴电感值以及直轴电感值随直轴电流的变化关系；

(6)更新交轴电流常数，并重复步骤(2)～(5)，根据获得的所有交直轴电流组合(i_d、i_q)下的直轴磁链与瞬态直轴电流i_d的对应关系获得所有交轴电流下的直轴电感值。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下有益效果：

本发明提供的永磁同步电机交直轴电感测量方法，是一种考虑饱和效应和逆变器非线性因素影响的不同转子位置下的永磁同步电机交直轴电感测量方法，该方法通过解开转子锁改变电机转子角度、再重新锁定并重复该过程获得不同转子位置下的交直轴电感值随交直轴电流的变化；通过获得的电机交直轴电感和所有交直轴电流组合的一一对应关系，真正实现了对不同饱和程度下的电机电感值的辨识；该方法对逆变器非线性因素的影响进行了辨识和补偿，具有提高测量电感精度的有益效果。

附图说明

图1是实施例提供的永磁同步电机交直轴电感测量方法中交轴电压注入和电流响应示意图；

图2是实施例提供的永磁同步电机交直轴电感测量方法原理示意图。

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。

本发明实施例提供的永磁同步电机交直轴电感测量方法，将永磁同步电机的转子锁定，在注入弱磁电流之后获取定子绕组电阻，再注入正负对称的方波电压，通过改变交直轴电流，获得不同转子位置下的交直轴电感值随交直轴电流的变化，进而获取交直轴电感；具体地，将交轴(或直轴)电流通过PI调节器卡死在某一点上，注入交替的直轴(或交轴)方波参考电压，对全工作范围的直轴电感值(或交轴电感值)进行扫描计算，获取在该交轴(或直轴)电流点上的直轴(或交轴)电感随注入的直轴(或交轴)电流的变化，进而计算出永磁同步电机在不同转子位置下的所有电流工作点随饱和变化的直轴(或交轴)电感值。

以下结合实施例与附图具体陈述本发明提供的永磁同步电机交直轴电感测量方法及其原理。

在0转速下，在某一转子位置点将永磁同步电机转子锁定之后，其状态方程表征如下：

其中，u_d ^*、u_q ^*、i_d、i_q、R、L_d、L_q、Dd、Dq和V_dead分别是指永磁同步电机驱动系统的直轴参考电压、交轴参考电压、流轴电流、交轴电流、电机定子绕组电阻、直轴电感、交轴电感、逆变器非线性因素在交、直轴的权值分量和逆变器非线性因素的畸变电压量。

其中，逆变器非线性因素在交、直轴的权值分量Dq、Dd和逆变器非线性因素的畸变电压量V_dead具体如下：

在上述式(2)里，T_off是指电压源逆变器开关管关断延迟、T_on是指电压源逆变器开关管导通延迟、T_d是指死区时间、T_s是指开关周期、V_dc是指直流母线电压、V_ce0和V_d0分别是指IGBT和续流二极管管压降。

在上述式(3)里，i_as、i_bs、i_cs、和θ分别是a、b、c三相电流和电气角位置。

在实施例中，当通过PI调节器将交轴电流设置为恒定值i_q＝0、直流电流i_d<0，上述式(1.a)、(1.b)可简化为如下式(5.a)、(5.b)：

u_d ^*+DdV_dead＝Ri_d (5.a)

u_q ^*＝-DqV_dead (5.b)

根据上述式(5.b)计算获取逆变器非线性因素的畸变电压量V_dead，再将V_dead结合(5.a)获得电机定子绕组电阻R。

根据电机绕组电阻值R通过以下步骤来获取交直轴电感。

在转子锁定的情况下，采用电阻-磁链方程表示永磁同步电机交、直轴模型如下：

其中，ψ_q、ψ_d分别是交轴磁链值、直轴磁链值；

由交直轴电感的定义获得不同交直轴电流下的交直轴电感值如下：

其中，ψ_m是永磁磁链值，在本实施例中视为恒定值。

为了获得ψ_d和ψ_q相对于交直轴电流变化的关系函数ψ_d(i_d,i_q)和ψ_q(i_d,i_q)，实施例中采用以下测量方法，以i_d＝0时的交轴磁链ψ_q(i_d＝0,i_q)为例具体阐述：

参照图1，其中，图1(a)是交直轴参考电压示意图，图1(b)是交直轴响应电流(i_d＝0)示意图；

(1)将直轴电流通过PI调节器设置为i_d＝0，在交轴施加一个方波参考电压，并逐渐增加交轴方波参考电压幅值，直到交轴电流的波峰-波谷值达到永磁同步电机的设计峰值电流(如±4A)，记录方波参考电压和测量获得的响应电流；

参考电压幅值的增加步长根据对象电机确定，可采用固定步长譬如额定电压的1％，也可根据需要灵活调整步长，原则是不影响电机的正常运行；

(2)参照图1(b)，在交轴方波电压交替变化中，交轴电流在每半个周期都会有一段时间收敛到峰值(i_qp)，实施例中，稳态峰值i_qp为4A。

根据交轴参考电压、交轴参考电压对应的稳态峰值i_qp以及电机定子绕组电阻R，

获得逆变器非线性因素对应的等效畸变电压V_dis＝DqV_dead＝Ri_qp-u_q ^*。

(3)根据上述的等效畸变电压以及交轴参考电压，获得实际的瞬态交轴电压u_q＝u_q ^*+V_dis。

(4)根据上述的瞬态交轴电压u_q、测量的交轴电流i_q以及上述式(7.b)，获得交轴磁链相对于时间的函数ψ_q(t)；

根据瞬态交轴电流i_q测量值与积分输出的交轴磁链ψ_q值的一一对应关系，获得交轴磁链与瞬态交轴电流i_q的对应关系ψ_q(i_d＝0,i_q)；进而获得交轴电感

(5)改变直轴电流i_d值，譬如i_d＝±0.25、±0.5、±0.75….；i_d的最大值不大于额定电流值的75％，在保证测量准确的前提下，尽量取较小的值；

并重复上述步骤(1)～(4)，获得所有交直轴电流组合(i_d、i_q)下的交轴电感值

图2是实施例提供的上述永磁同步电机交直轴电感测量方法的原理框图。基于相同的原理，通过以下方法获取直轴磁链ψ_d和直轴电感L_d。

(1)将交轴电流通过PI调节器设置为i_q＝0，再在直轴施加一个方波参考电压并逐渐增加直轴方波参考电压幅值，直到直轴电流的波峰波谷值达到所期待的范围，如±2A，记录方波参考电压和所测量的响应电流。

(2)在直轴方波电压交替变化中，直轴电流在每半个周期都会有一段时间收敛到峰值(i_dp)；

根据直轴参考电压、直轴参考电压对应的稳态峰值i_dp以及电机定子绕组电阻R，

获得逆变器非线性因素对应的等效畸变电压V_dis＝DdV_dead＝Ri_dp-u_d ^*；

(3)根据上述的等效畸变电压以及直轴参考电压，获得实际瞬态直轴电压u_d＝u_d ^*+V_dis。

(4)根据上述的瞬态直轴电压u_d、测量的直轴电流i_d以及上述式(7.a)，获得直轴磁链相对于时间的函数ψ_d(t)；

根据瞬态直轴电流i_d测量值与积分输出的直轴磁链ψ_d值的一一对应关系，获得直轴磁链与瞬态直轴电流i_d的对应关系ψ_d(i_d,i_q＝0)；进而获得直轴电感

(5)改变交轴电流i_q值，譬如i_d＝±0.25、±0.5、±0.75….；i_d的最大值不大于额定电流值的75％，在保证测量准确的前提下，尽量取较小的值；

并重复上述步骤(1)～(4)，获得所有交直轴电流组合(i_d、i_q)下的直轴电感值

考虑到永磁同步电机在不同转子位置(或电气角位置)的电感会有不同，以上的永磁同步电机交直轴电感测量方法可以在不同转子位置下重复进行，从而可以获得永磁同步电机电机在所有转子位置下电感随饱和变化的趋势。

综上所述，本发明提供的永磁同步电机交直轴电感测量方法，可将永磁同步电机在不同转子位置下的交直轴电感测量出来，且考虑了电感随电机饱和的变化，还将逆变器非线性因素和定子绕组电阻的影响也进行了辨识和补偿；因此提高了永磁同步电机交直轴电感测量的精度。

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 (10)

1.一种永磁同步电机交直轴电感测量方法，其特征在于，通过将永磁同步电机交轴或直轴电流固定在某一电流点上，并在交轴或直轴注入正负对称的直轴或交轴方波参考电压以改变交直轴电流，来获得该交轴或直轴电流点上的直轴或交轴电感随注入的直轴或交轴电流的变化关系以及逆变器非线性因素的等效电压值；根据所述变化关系以及等效电压值获取永磁同步电机在对应转子位置下的所有电流点随饱和变化的直轴或交轴电感值。

2.如权利要求1所述的永磁同步电机交直轴电感测量方法，其特征在于，获得交轴电感的方法具体包括如下步骤：

(1)将交轴电流i_q设置为0，并注入非零的直轴电流，获取电机定子绕组电阻值；

(2)将电机转子锁定，将直轴电流i_d设置为一个常数，在交轴施加正负对称的方波电压并增大所述方波电压的幅值直到所响应的交轴电流的幅值覆盖电机的最大工作电流，获得稳态的交轴电流值；

(3)根据稳态的交轴电流值、电机定子绕组电阻值获取逆变器非线性因素的等效电压值；

(4)根据交轴电压、交轴电流、电机定子绕组电阻值和逆变器非线性因素的等效电压值获得交轴磁链随交轴电流变化的关系；

(5)根据所述交轴磁链随交轴电流变化的关系，获取交轴电感值以及交轴电感值随交轴电流的变化关系；

(6)更新直轴电流常数，并重复步骤(2)～(5)，根据所有交直轴电流组合(i_d、i_q)下的交轴磁链与瞬态交轴电流i_q的对应关系获得所有直轴电流下的交轴电感值。

3.如权利要求2所述的永磁同步电机交直轴电感测量方法，其特征在于，所述步骤(2)中，在交轴施加方波参考电压，并等步长增加所述方波参考电压幅值，直到响应的交轴电流的波峰-波谷值达到永磁同步电机的设计峰值电流。

4.如权利要求2或3所述的永磁同步电机交直轴电感测量方法，其特征在于，所述逆变器非线性因素的等效电压值V_dis＝DqV_dead＝Ri_qp-u_q ^*；

其中，Dq是指逆变器非线性因素在交轴的权值分量，V_dead是指逆变器非线性因素的畸变电压量，u_q ^*是指交轴参考电压、i_qp是指交轴参考电压对应的稳态峰值，R是指电机定子绕组电阻值。

5.如权利要求4所述的永磁同步电机交直轴电感测量方法，其特征在于，获得的所有交直轴电流组合(i_d、i_q)下的交轴电感值

其中，ψ_q(i_d,i_q)是指交直轴电流组合(i_d、i_q)下的交轴磁链与瞬态交轴电流i_q的对应关系。

(3)根据上述的等效畸变电压以及交轴参考电压，获得实际的瞬态交轴电压u_q＝u_q ^*+V_dis。

6.如权利要求4所述的永磁同步电机交直轴电感测量方法，其特征在于，直轴电流常数i_d可取±0.25、±0.5、±0.75。

7.如权利要求1所述的永磁同步电机交直轴电感测量方法，其特征在于，获得直轴电感的方法具体包括如下步骤：

(1)将交轴电流i_q设置为0，并注入非零的直轴电流，获取电机定子绕组电阻值；

(2)将电机转子锁定，将交轴电流i_q设置为一个常数，在直轴施加正负对称的方波电压并增大所述方波电压的幅值直到所响应的直轴电流的幅值能覆盖电机的最大工作电流，获得稳态的直轴电流值；

(3)根据稳态的直轴电流值、电机定子绕组电阻值获取逆变器非线性因素的等效电压值；

(4)根据直轴电压、直轴电流、电机定子绕组电阻值和逆变器非线性因素等效电压值获得直轴磁链随直轴电流变化的关系；

(5)根据所述直轴磁链随交轴电流变化的关系，获取直轴电感值以及直轴电感值随直轴电流的变化关系；

(6)更新交轴电流常数，并重复步骤(2)～(5)，根据所有交直轴电流组合(i_d、i_q)下的直轴磁链与瞬态直轴电流i_d的对应关系获得所有交轴电流下的直轴电感值。

8.如权利要求7所述的永磁同步电机交直轴电感测量方法，其特征在于，所述步骤(2)中，在直轴施加方波参考电压，并等步长增加所述方波参考电压幅值，直到响应的直轴电流的波峰-波谷值达到永磁同步电机的设计峰值电流。

9.如权利要求8所述的永磁同步电机交直轴电感测量方法，其特征在于，所述逆变器非线性因素的等效电压值V_dis＝DdV_dead＝Ri_dp-u_d ^*；

其中，Dd是指逆变器非线性因素在直轴的权值分量，V_dead是指逆变器非线性因素的畸变电压量，u_d ^*是指直轴参考电压、i_dp是指直轴参考电压对应的稳态峰值，R是指电机定子绕组电阻值。

10.如权利要求9所述的永磁同步电机交直轴电感测量方法，其特征在于，获得的所有交直轴电流组合(i_d、i_q)下的直轴电感值

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其中，ψ_d(i_d,i_q)是指直轴磁链与瞬态直轴电流i_d的对应关系，ψ_m是永磁磁链值。