CN109391200B - 一种同步电机参数自辨识整定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种同步电机参数自辨识整定方法，包括以下步骤：辨识电机电阻值‑辨识电机电感值‑控制器设置为电流闭环‑辨识电机转矩常数‑辨识电机转动惯量‑控制器设置为速度闭环。本发明结合工程实际对必要参数进行辨识，使得控制器具有更广的适应性，提高控制器的设计效率，降低控制器的调试时间，以及增加控制器的通用性，且不需要外部工装，所需硬件仅包括同步电机、控制器、电源，即可完成整个过程。

Description

一种同步电机参数自辨识整定方法
技术领域
本发明涉及一种同步电机参数自辨识整定方法，属于电机控制技术领域。
背景技术
近十年来，永磁同步电机因其高控制精度高、响应速度快、功率密度大等特点使得它在交流伺服系统逐渐脱颖而出，并成为伺服系统执行机构应用的主流电机，其应用几乎遍及社会的各个领域，如高精度伺服转台、机器人系统、数控机床、医疗器械、自动化生产线等。
与此同时，随着技术的不断发展，各行各业的智能化水平都在不断提升，针对当前永磁同步电机广泛应用于各个领域的趋势，使得伺服控制器具备参数辨识及自整定功能成为系统迫切需求，而永磁同步电机电流环、速度环控制器设计时，主要依据的四个模型参数为电阻、电感、转矩常数和转动惯量。因此对永磁同步电机伺服系统也提出了更高的要求，主要体现在以下几个方面：1)同步电机伺服驱动系统应具有自动识别电机参数的功能；2)伺服驱动系统应具有随负载变化的自适应能力；3)伺服系统具备控制器参数自整定、自调节的功能。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种同步电机参数自辨识整定方法，该同步电机参数自辨识整定方法主要从同步电机系统模型入手，分析伺服控制器参数整定的来源及依据，从而确定伺服控制所需的同步电机必要参数。
本发明通过以下技术方案得以实现。
本发明提供的一种同步电机参数自辨识整定方法，包括以下步骤：
①辨识电机电阻值：根据所提供同步电机的电压电流承受能力，在其任意两相之间注入直流电压，通过控制器控制其逆变电路任意两相导通，获取相电流和相电阻；
②辨识电机电感值：将同步电机置为开环运行状态，初始化d轴电压信号和q轴电压信号，将两个初始值经过PARK逆变换、SVPWM模块和逆变电路施加到同步电机上，获取电感值；
③控制器设置为电流闭环：根据步骤①和步骤②中的电阻值和电感值，并通过控制器，将电流环置为电流闭环状态，且d轴电流环和q轴电流环所用控制器的参数相同；
④辨识电机转矩常数：将控制器置为闭环状态，d轴电流环输入电流值为0，q轴电流环输入电流值为同步电机空载下，所能达到的最大电流范围内，能使同步电机转动的电流值，当同步电机运行至稳态时，获取转矩常数；
⑤辨识电机转动惯量：将控制器置为闭环状态，d轴电流环输入电流值为0，q轴电流环输入电流值为同步电机空载下，所能达到的最大电流范围内，能使同步电机转动的电流值，当同步电机运行至稳态时，获取同步电机转速的变化率，根据变化率获取转动惯量；
⑥控制器设置为速度闭环：根据步骤④和步骤⑤中的转矩常数和转动惯量，并通过控制器，将速度环置为速度闭环状态，且d轴电流环和q轴电流环所用控制器的参数相同。
所述步骤①分为以下步骤：
(1.1)通过控制器中的AD采样芯片和电流传感器，获取此时同步电机的相电流；
(1.2)根据注入的直流电压和相电流，获取该同步电机的相电阻。
所述步骤②分为以下步骤：
(2.1)将同步电机置为开环运行状态，给定d轴电压信号为同步电机铭牌上可承受的最小电压值，q轴电压信号给定初始值为0；
(2.2)将两个电压初始值经过PARK逆变换、SVPWM模块和逆变电路施加到同步电机上，此时同步电机处于锁死状态；
(2.3)通过控制器中的AD采样芯片和电流传感器，获取同步电机此时d轴电流的变换率，根据变换率获取同步电机的电感值。
所述步骤③中，控制器的参数计算公式为：
Figure GDA0002522291570000031
其中，kcp,kci分别为电流环中,控制器的比例系数和积分系数，L，R分别为同步电机的电感和电阻，ωcc为电流环设计带宽。
所述步骤⑥中，控制器的参数计算公式为：
Figure GDA0002522291570000032
其中，kvp,kvi分别为速度环中,控制器的比例系数和积分系数，J为同步电机转动惯量，ωsc为速度环设计带宽。
所述控制器的芯片包括但不限于DSP处理器、FPGA处理器、ARM处理器以及单片机芯片。
所述步骤①和步骤②中的控制器为DPS控制器，步骤③～步骤⑥中的控制器为PI控制器。
所述同步电机并不局限于只是表贴式同步电机或只是凸极式同步电机。
所述同步电机处于空载状态时，不需要增加额外的工装，以防止电机转动。
本发明的有益效果在于：结合工程实际对必要参数进行辨识，使得控制器具有更广的适应性，提高控制器的设计效率，降低控制器的调试时间，以及增加控制器的通用性，且不需要外部工装，所需硬件仅包括同步电机、控制器、电源，即可完成整个过程。
附图说明
图1是本发明同步电机电阻实施方案图；
图2是本发明同步电机电感实施方案图；
图3是本发明同步电机转矩常数和转动惯量实施方案图。
具体实施方式
下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
一种同步电机参数自辨识整定方法，用以测试如图1～3所示的电路，包括以下步骤：
①辨识电机电阻值，如图1所示：根据所提供同步电机的电压电流承受能力，在其任意两相之间注入直流电压，通过控制器控制其逆变电路任意两相导通，获取相电流和相电阻；具体分为以下步骤：
(1.1)通过控制器中的AD采样芯片和电流传感器，获取此时同步电机的相电流；
(1.2)根据注入的直流电压和相电流，获取该同步电机的相电阻。
优选的，如控制DSP的PWM电路，使电压信号从A相上桥臂流入，经过电机后，再从B相下桥臂流出，在PWM控制时，A相正常斩波，B相上桥臂关断，下桥臂常开；通过控制器中AD采样芯片和电流传感器可获取此时同步电机A相或B相的相电流，从而根据注入的直流电压和采回来的相电流，利用公式(1)可得出该同步电机的相电阻：
Figure GDA0002522291570000051
②辨识电机电感值，如图2所示：根据同步电机控制过程，将同步电机置为开环运行状态，初始化d轴电压信号和q轴电压信号，将两个初始值经过PARK逆变换、SVPWM模块和逆变电路施加到同步电机上，获取电感值；具体分为以下步骤：
(2.1)将同步电机置为开环运行状态，给定d轴电压信号为同步电机铭牌上可承受的最小电压值，q轴电压信号给定初始值为0；
(2.2)将两个电压初始值经过PARK逆变换、SVPWM模块和逆变电路施加到同步电机上，此时同步电机处于锁死状态；
(2.3)通过控制器中的AD采样芯片和电流传感器，获取同步电机此时d轴电流的变换率，根据变换率和公式(2)，获取同步电机的电感值：
Figure GDA0002522291570000061
③控制器设置为电流闭环：根据步骤①和步骤②中的电阻值和电感值，并通过控制器，将电流环置为电流闭环状态，且d轴电流环和q轴电流环所用控制器的参数相同；
④辨识电机转矩常数，如图3所示：将控制器置为闭环状态，d轴电流环输入电流值为0，q轴电流环输入电流值为同步电机空载下，所能达到的最大电流范围内，能使同步电机转动的电流值，当同步电机运行至稳态时，利用公式(4)获取转矩常数：
Figure GDA0002522291570000062
其中，Kv为反电势系数，Kt为转矩常数，n为电机极对数。
⑤辨识电机转动惯量，如图3所示：将控制器置为闭环状态，d轴电流环输入电流值为0，q轴电流环输入电流值为同步电机空载下，所能达到的最大电流范围内，能使同步电机转动的电流值，当同步电机运行至稳态时，获取同步电机转速的变化率(Δw)，根据变化率和公式(5)获取转动惯量J：
Figure GDA0002522291570000063
⑥控制器设置为速度闭环：根据步骤④和步骤⑤中的转矩常数和转动惯量，并通过控制器，将速度环置为速度闭环状态，且d轴电流环和q轴电流环所用控制器的参数相同。
所述步骤③中，控制器的参数计算公式为：
Figure GDA0002522291570000071
其中，kcp,kci分别为电流环中,控制器的比例系数和积分系数，L，R分别为同步电机的电感和电阻，ωcc为电流环设计带宽。
所述步骤⑥中，控制器的参数计算公式为：
Figure GDA0002522291570000072
其中，kvp,kvi分别为速度环中,控制器的比例系数和积分系数，J为同步电机转动惯量，ωsc为速度环设计带宽。
所述控制器的芯片包括但不限于DSP处理器、FPGA处理器、ARM处理器以及单片机芯片。
所述步骤①和步骤②中的控制器为DPS控制器，步骤③～步骤⑥中的控制器为PI控制器。
所述同步电机并不局限于只是表贴式同步电机或只是凸极式同步电机。
所述同步电机处于空载状态时，不需要增加额外的工装，以防止电机转动。

Claims (9)

1.一种同步电机参数自辨识整定方法，其特征在于：包括以下步骤：
①辨识电机电阻值：根据所提供同步电机的电压电流承受能力，在其任意两相之间注入直流电压，通过控制器控制其逆变电路任意两相导通，获取相电流和相电阻；
②辨识电机电感值：将同步电机置为开环运行状态，初始化d轴电压信号和q轴电压信号，将两个初始值经过PARK逆变换、SVPWM模块和逆变电路施加到同步电机上，获取电感值；
③控制器设置为电流闭环：根据步骤①和步骤②中的电阻值和电感值，并通过控制器，将电流环置为电流闭环状态，且d轴电流环和q轴电流环所用控制器的参数相同；
④辨识电机转矩常数：将控制器置为闭环状态，d轴电流环输入电流值为0，q轴电流环输入电流值为同步电机空载下，所能达到的最大电流范围内，能使同步电机转动的电流值，当同步电机运行至稳态时，获取转矩常数；
⑤辨识电机转动惯量：将控制器置为闭环状态，d轴电流环输入电流值为0，q轴电流环输入电流值为同步电机空载下，所能达到的最大电流范围内，能使同步电机转动的电流值，当同步电机运行至稳态时，获取同步电机转速的变化率，根据变化率获取转动惯量；
⑥控制器设置为速度闭环：根据步骤④和步骤⑤中的转矩常数和转动惯量，并通过控制器，将速度环置为速度闭环状态，且d轴电流环和q轴电流环所用控制器的参数相同。
2.如权利要求1所述的同步电机参数自辨识整定方法，其特征在于：所述步骤①分为以下步骤：
(1.1)通过控制器中的AD采样芯片和电流传感器，获取此时同步电机的相电流；
(1.2)根据注入的直流电压和相电流，获取该同步电机的相电阻。
3.如权利要求1所述的同步电机参数自辨识整定方法，其特征在于：所述步骤②分为以下步骤：
(2.1)将同步电机置为开环运行状态，给定d轴电压信号为同步电机铭牌上可承受的最小电压值，q轴电压信号给定初始值为0；
(2.2)将两个电压初始值经过PARK逆变换、SVPWM模块和逆变电路施加到同步电机上，此时同步电机处于锁死状态；
(2.3)通过控制器中的AD采样芯片和电流传感器，获取同步电机此时d轴电流的变换率，根据变换率获取同步电机的电感值。
4.如权利要求1所述的同步电机参数自辨识整定方法，其特征在于：所述步骤③中，控制器的参数计算公式为：
Figure FDA0002522291560000021
其中，kcp,kci分别为电流环中,控制器的比例系数和积分系数，L，R分别为同步电机的电感和电阻，ωcc为电流环设计带宽。
5.如权利要求1所述的同步电机参数自辨识整定方法，其特征在于：所述步骤⑥中，控制器的参数计算公式为：
Figure FDA0002522291560000031
其中，kvp,kvi分别为速度环中,控制器的比例系数和积分系数，J为同步电机转动惯量，ωsc为速度环设计带宽。
6.如权利要求1所述的同步电机参数自辨识整定方法，其特征在于：所述控制器的芯片包括但不限于DSP处理器、FPGA处理器、ARM处理器以及单片机芯片。
7.如权利要求1所述的同步电机参数自辨识整定方法，其特征在于：所述步骤①和步骤②中的控制器为DPS控制器，步骤③～步骤⑥中的控制器为PI控制器。
8.如权利要求1所述的同步电机参数自辨识整定方法，其特征在于：所述同步电机并不局限于只是表贴式同步电机或只是凸极式同步电机。
9.如权利要求1所述的同步电机参数自辨识整定方法，其特征在于：所述同步电机处于空载状态时，不需要增加额外的工装，以防止电机转动。
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