CN110112973A - 基于高频旋转电压注入的永磁同步电机电感参数辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电机控制领域的一种基于高频旋转电压注入的永磁同步电机电感参数辨识方法，该方法在dq轴注入高频正弦旋转电压，获取dq轴的高频响应电流信号，根据所述的响应信号分量的幅值来计算dq轴电感、；本发明易于实现，无需增加多余的硬件设备，注入电机中的高频正弦旋转电压的频率和幅值也容易控制，可在线辨识得到电机的d轴电感和q轴电感。

Description

基于高频旋转电压注入的永磁同步电机电感参数辨识方法

技术领域

本发明涉及一种电机电感参数识别方法，具体的说是一种永磁同步电机电感参数辨识方法，属于电机控制技术领域。

背景技术

永磁同步电机具有体积小、功率因数高、效率高、调速范围款、运行可靠、易维护等许多优点，因此被广泛应用于电动汽车领域、伺服控制、家用电器等对性能要求较高的领域。PMSM驱动系统采用的最大转矩电流比控制、弱磁控制、无速度传感器控制等先进控制算法都必须准确的知道电机参数。但这些参数会随着运行条件的改变而发生变化，尤其dq轴电感不仅受定子电流引起的饱和效应的影响，还受交叉饱和的影响，电感发生较大的变化时会发生转矩精度下降、系统稳定性变差等问题，故需要对电机的电感参数进行辨识。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于高频旋转电压注入的永磁同步电机电感参数辨识方法，通过在dq轴注入高频正弦旋转电压信号的方式，在不影响电机运行工况的情况下，得到电机的高频响应电流推算出电机在当前工况下的dq轴电感L_d、L_q。

本发明的目的是这样实现的：一种基于高频旋转电压注入的永磁同步电机电感参数辨识方法，包括以下步骤：

步骤1)采用电流传感器采集永磁同步电机输入端的电流信号，电流传感器的A相定子电流信号输出端连接到三相静止-两相静止坐标变换环节的A相定子电流信号输入端；电流传感器的B相定子电流信号输出端连接到三相静止-两相静止坐标变换环节的B相定子电流信号输入端；

步骤2)三相静止-两相静止坐标变换单元的α轴电流输出端与两相静止-两相旋转坐标变换单元的α轴电流输入端；三相静止-两相静止坐标变换单元的β轴电流输出端与两相静止-两相旋转坐标变换单元的β轴电流输入端；

步骤3)两相静止-两相旋转坐标变换单元的d轴电流信号输出端连接到d轴低通滤波器的输入端以及离散傅里叶单元(DFT)的一个输入端；两相静止-两相旋转坐标变换单元的q轴电流信号输出端连接到q轴低通滤波器的输入端以及离散傅里叶单元(DFT)的另一个输入端；

步骤4)采用光电编码器采集永磁同步电机的转速信号，光电编码器测出的转速与给定转速做差，获得的差值作为速度调节器的输入；

步骤5)d轴给定电流与d轴低通滤波器的输出作差，差值作为电流调节器的一个输入，速度调节器的输出与q轴低通滤波器的输出作差，差值作为电流调节器的另一个输入；

步骤6)电流调节器的d轴电压输出加上注入的高频余弦电压连接到两相静止-两相旋转坐标变换单元的d轴电压输入端，电流调节器的q轴电压输出加上注入的高频正弦电压连接到两相静止-两相旋转坐标变换单元的q轴电压输入端；

步骤7)两相静止-两相旋转坐标变换的α轴电压信号输出端连接到电压空间矢量脉宽调制的α轴电压给定信号输入端，两相静止-两相旋转坐标变换的β轴电压信号输出端连接到电压空间矢量脉宽调制的β轴电压给定信号输入端；

步骤8)电压空间矢量脉宽调制单元中六个功率开关管的状态信号输出端同时连接电压型逆变器的功率开关管状态信号输入端，电压型逆变器的三相电压输出端分别与永磁同步电机的三相电压输入端对应连接；

步骤9)离散傅里叶变换单元(DFT)的输出连接到电感参数辨识环节，电感参数辨识环节输出辨识出的电感L_d和电感L_q；

作为本发明的进一步限定，所述步骤6)中：在d轴注入的为余弦电压，在q轴注入的为正弦电压，在dq轴系上看来电压合成矢量为正弦旋转信号，其电压表达式为

式中，U_mh为注入的高频正余弦电压信号的幅值，ω_h为注入正弦旋转电压的频率。

作为本发明的进一步限定，上面所述步骤9)中：离散傅里叶变换单元(DFT)的输出为dq轴系下电流的高次谐波幅值，其连接到电感参数辨识环节，进行电感辨识所依据的公式为

式中，U_mh为注入的高频正弦旋转电压的幅值，I_{dh_Amp}为d轴在注入频率处的高频响应信号的幅值，I_{qh_Amp}为q轴在注入频率处的高频响应信号的幅值，ω_h为注入正弦旋转电压的频率，ω_e为当前电机的电角速度。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明通过在dq轴注入高频正弦旋转电压信号的方式，在不影响电机运行工况的情况下，得到电机的高频响应电流推算出电机在当前工况下的dq轴电感L_d、L_q；正弦旋转电压注入方法可以实现对表贴式永磁同步电机、内嵌式永磁同步电机的d轴电感和q轴电感比较准确的在线辨识，而且电机轴无论处于自由态，还是处于抱紧状态，都不影响辨识的精度；同时无需在原有设备上添加额外的硬件设施，算法简单可靠，通过辨识得到的参数可用于对永磁同步电机的矢量控制算法中，因此该电感参数辨识方案具有更强的通用性。

附图说明

图1为本发明的原理框图，其中DFT为离散傅里叶变换环节。

图2为本发明中PI控制器的原理框图。

图3为本发明中离散傅里叶环节的高频响应信号幅值提取的流程图。

图4为本发明中电感辨识环节计算电感值的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明主要的为一种基于高频旋转电压注入的永磁同步电机电感参数辨识方法，其首先向dq轴注入高频正弦旋转电压信号，获取dq轴的对应频率的高频响应电流的幅值，根据所述的dq轴的高频响应电流中的高频分量的幅值计算dq轴电感。

本辨识方法中使用的控制系统主要包括：三相逆变器、空间矢量脉宽调制单元、光电编码器单元、三相静止-两相静止坐标变换单元、两相静止-两相旋转坐标变换单元、两相旋转-两相静止坐标变换单元、速度调节器(比例积分控制器)、电流调节器(比例积分控制器)、低通滤波器、离散傅里叶分析单元、电感辨识单元。

具体实施包含以下步骤:

步骤一：利用电流传感器采集永磁同步电机输入端的电流信号，电流传感器的a、b相定子电流i_a、i_b输入到三相静止-两相静止坐标变换单元得到αβ轴电流i_α、i_β；

步骤二：由三相静止-两相静止坐标变换单元得到的αβ轴电流i_α、i_β输入到两相静止-两相旋转坐标变换单元得到dq轴电流i_d、i_q；

步骤三：由两相静止-两相旋转坐标变换单元得到的dq轴电流i_d、i_q分别输入到低通滤波器得到电流i_dl、i_ql；同时两相静止-两相旋转坐标变换单元得到的dq轴电流i_d、i_q一同输入到离散傅里叶单元(DFT)；

步骤四：电机的给定转速值ω_eref减去光电编码器单元计算出的电机转速ω_e得到的差值输入到速度调节器中得到q轴电流参考值i_qref；

步骤五：给定d轴电流i_dref减去步骤三中低通滤波器输出电流i_dl的差值输入到电流调节器得到给定电压U_d；步骤四得到的电流参考值i_qref减去步骤三得到的电流i_ql的差值输入到电流调节器得到给定电压U_q；

步骤六：给定电压U_d加上注入高频余弦电压U_dh的和值与给定电压U_q加上注入高频正弦电压U_qh的和值一同输入到两相旋转-两相静止坐标变换单元得到αβ轴系下给定电压量U_α、U_β；

步骤七：αβ轴系下给定电压量U_α、U_β输入到空间矢量脉宽调制单元，得到六路逆变器开关管控制信号；

步骤八：空间脉宽矢量调制单元得到六路控制信号输入到三相逆变器中得到永磁同步电机的三相输入电压；

步骤九：步骤三中dq轴电流i_d、i_q输入到离散傅里叶单元(DFT)中得到对应频率的高频响应电流的幅值；令d轴响应电流在ω_h频率处的幅值为I_{dh_Amp}，q轴响应电流在ω_h频率处的幅值为I_{qh_Amp}，输入到电感辨识单元，进而计算得到dq轴电感值L_d和L_q。

本发明中，所用到的永磁同步电机基本理论如下：

在d轴和q轴分别注入余弦信号和正弦信号，电压合成矢量在dq轴系上看来即是高频正弦旋转信号，调速系统的SVPWM电压源逆变器供电实现电压量的输出施加到永磁同步电机上，从而在d轴和q轴上得到高频响应电流。假设注入的高频电压信号的频率为ω_h，注入的高频正弦旋转电压的幅值为U_mh，采用dq坐标系，则注入的高频电压信号可以表示为：

上式中，U_mh为注入的高频正弦旋转电压信号的幅值，ω_h为注入的高频正弦旋转电压信号的频率。通常选用的高频电压信号的注入频率远大于基波电压频率，在高频信号下，永磁同步电机的阻抗主要取决于感抗，定子电阻上的压降可忽略。得到高频下简化的模型：

根据式(2)和式(1)得到在高频正弦旋转电压注入情况下，永磁同步电机的反馈高频电流信号为：

式中，C(1)、C(2)为与dq轴电流初值相关的常数项，U_mh为注入的高频正弦旋转电压信号的幅值，ω_h为注入的高频正弦旋转电压信号的频率，ω_e为电机电角速度。

根据式(3)可知,只要得到d轴和q轴中频率为ω_h的高频电流响应的幅值和即可得到永磁同步电机的d轴电感L_d和q轴电感L_q：

下面结合附图对本发明作进一步描述：

图1中速度调节器单元即为一个PI调节器，图1中的电流调节器也同样是PI调节器，可以使电机完成闭环运行，运行在给定的转速和电流下，方便获得不同电流下的电感值，PI调节器的具体细节见附图2；

图1中DTC模块即离散傅里叶模块，其流程图见附图3，用于提取dq轴高频响应电流信号的幅值；

图1中电感辨识模块，其流程见图4，用于利用高频响应信号的幅值具体计算出dq轴电感值。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种基于高频旋转电压注入的永磁同步电机电感参数辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)采用电流传感器采集永磁同步电机输入端的电流信号，电流传感器的A相定子电流信号输出端连接到三相静止-两相静止坐标变换环节的A相定子电流信号输入端；电流传感器的B相定子电流信号输出端连接到三相静止-两相静止坐标变换环节的B相定子电流信号输入端；

步骤2)三相静止-两相静止坐标变换单元的α轴电流输出端与两相静止-两相旋转坐标变换单元的α轴电流输入端；三相静止-两相静止坐标变换单元的β轴电流输出端与两相静止-两相旋转坐标变换单元的β轴电流输入端；

步骤3)两相静止-两相旋转坐标变换单元的d轴电流信号输出端连接到d轴低通滤波器的输入端以及离散傅里叶单元(DFT)的一个输入端；两相静止-两相旋转坐标变换单元的q轴电流信号输出端连接到q轴低通滤波器的输入端以及离散傅里叶单元(DFT)的另一个输入端；

步骤4)采用光电编码器采集永磁同步电机的转速信号，光电编码器测出的转速与给定转速做差，获得的差值作为速度调节器的输入；

步骤5)d轴给定电流与d轴低通滤波器的输出作差，差值作为电流调节器的一个输入，速度调节器的输出与q轴低通滤波器的输出作差，差值作为电流调节器的另一个输入；

步骤6)电流调节器的d轴电压输出加上注入的高频余弦电压连接到两相静止-两相旋转坐标变换单元的d轴电压输入端，电流调节器的q轴电压输出加上注入的高频正弦电压连接到两相静止-两相旋转坐标变换单元的q轴电压输入端；

步骤7)两相静止-两相旋转坐标变换的α轴电压信号输出端连接到电压空间矢量脉宽调制的α轴电压给定信号输入端，两相静止-两相旋转坐标变换的β轴电压信号输出端连接到电压空间矢量脉宽调制的β轴电压给定信号输入端；

步骤8)电压空间矢量脉宽调制单元中六个功率开关管的状态信号输出端同时连接电压型逆变器的功率开关管状态信号输入端，电压型逆变器的三相电压输出端分别与永磁同步电机的三相电压输入端对应连接；

步骤9)离散傅里叶变换单元(DFT)的输出连接到电感参数辨识环节，电感参数辨识环节输出辨识出的电感L_d和电感L_q。

2.根据权利要求1所述的基于高频旋转电压注入的永磁同步电机电感参数辨识方法，其特征在于，所述步骤6)中：在d轴注入的为余弦电压，在q轴注入的为正弦电压，在dq轴系上看来电压合成矢量为正弦旋转信号，其电压表达式为

式中，U_mh为注入的高频正余弦电压信号的幅值，ω_h为注入正弦旋转电压的频率。

3.根据权利要求2所述的基于高频旋转电压注入的永磁同步电机电感参数辨识方法，其特征在于，上面所述步骤9)中：离散傅里叶变换单元(DFT)的输出为dq轴系下电流的高次谐波幅值，其连接到电感参数辨识环节，进行电感辨识所依据的公式为

式中，U_mh为注入的高频正弦旋转电压的幅值，I_{dh_Amp}为d轴在注入频率处的高频响应信号的幅值，I_{qh_Amp}为q轴在注入频率处的高频响应信号的幅值，ω_h为注入正弦旋转电压的频率，ω_e为当前电机的电角速度。