CN110224648B - 永磁同步电机参数辨识和无位置传感器控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种永磁同步电机参数辨识和无位置传感器控制方法及系统，涉及永磁同步电机控制技术领域。本发明将永磁同步电机离线参数辨识与无位置传感器控制结合，采用基于定子三相电流的电机参数辨识和基于模型参考自适应的永磁同步电机无位置传感器控制方法，设计过程简单，系统通用性强。所述电机参数辨识通过控制逆变器开通关断，采集电流信号，计算定子电阻R_s、直轴电感L_d、交轴电感L_q和永磁磁链Ψ_f。本发明的技术方案可以实现永磁同步电机参数辨识与无位置传感器运行的自动化流程，适用于不同参数的永磁同步电机控制，从而提高了系统的通用性与可靠性，且降低了控制系统的成本。

Description

永磁同步电机参数辨识和无位置传感器控制方法及系统

技术领域

本发明涉及永磁同步电机控制技术领域，尤其涉及一种永磁同步电机参数辨识和无位置传感器控制方法及系统。

背景技术

永磁同步电机因为其高功率密度，高效率，易于控制等特点，受到广泛应用。如今，永磁电机的矢量控制技术已经发展得十分成熟。其中，使用位置传感器获取转子位置已经可以使矢量控制达到很高的精度。然而，高精度、高响应的速度和位置传感器的成本较高，且位置传感器的损坏会降低了统的可靠性；因此，在一些低成本以及对空间要求较高的场合，可以采用无位置传感器控制方法。

模型参考自适应控制方法作为永磁同步电机无位置传感器控制方法的一种。这种方法电机自身作为参考模型，避免了参考模型不准确带来的影响。将参考模型的输出与实际输出经自适应率计算，即可得到电机转速与转子位置的估算值。该方法简单，稳态精度高。但由于可调模型或者参考模型的计算依赖于电机参数，因此同一套参数不能使用于不同的电机，所以对于参数位置的永磁同步电机，有必要对其参数进行辨识。因此，本发明提出将参数辨识与无位置传感器控制整合进一套系统，可以实现参数辨识与无位置传感器控制的自动化流程，适用于不同参数的永磁同步电机控制，从而提高了系统的通用性与可靠性。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种将永磁同步电机参数辨识与无位置传感器控制结合的方案，无位置传感器控制方法所需要的电机基本参数由参数辨识结果提供，旨在提高控制系统的通用性与可靠性。

为了实现上述目的，第一方面，本发明提出一种永磁同步电机参数辨识和无位置传感器控制方法，包括如下步骤：

步骤1，实时获取永磁同步电机三相绕组中任意两相电流以及直流母线电压；

步骤2，对电机任意两相绕组施加PWM电压信号，根据电流响应计算定子电阻R_s；

步骤3，对电机三相绕组施加PWM电压信号，使转子分别定位于直轴位置和交轴位置。定位完成后，对电机VW相施加PWM电压信号，根据电流响应计算直轴电感L_d和交轴电感L_q；

步骤4，保持电机空载，对电机绕组施加固定幅值和转速的旋转电压矢量，经SVPWM调制获得PWM控制信号，使得定子电流产生旋转磁场，拖动转子旋转。根据定子电压方程，结合所述直轴电感L_d和交轴电感L_q的辨识结果，计算永磁磁链Ψ_f；

步骤5，将所述定子电阻R_s、直轴电感L_d、交轴电感L_q和永磁磁链Ψ_f代入到永磁同步电机定子电压方程中。将所述电压方程作为模型参考自适应控制方法的可调模型，直轴电压u_d、交轴电压u_q和估计转速

作为输入，估计直轴电流

和交轴电流

作为输出；

步骤6，利用估计位置

对电机三相电流进行Clark和Park变换，得到直轴电流i_d和交轴电流i_q；

步骤7，依据波波夫稳定性判据构建模型参考自适应控制方法的自适应率。直轴电流i_d、交轴电流i_q、估计直轴电流

和估计交轴电流

作为所述自适应率的输入，估计转速

作为输出；

步骤8，对所述估计转速

积分得到所述估计位置

利用所述估计位置

对同步旋转坐标系下的定子电压进行反Park变换，经SVPWM调制获得PWM控制信号，通过逆变器实现永磁同步电机无位置传感器控制。

本发明提出一种永磁同步电机参数辨识和无位置传感器控制方法及系统，与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

(1)本发明采用基于模型参考自适应的永磁同步电机无位置传感器控制，通过采集电流信号估计电机转速和转子位置信号，设计过程简单；

(2)模型参考自适应控制方法利用参考模型与可调模型的输出之差，通过自适应率来调节，实现可调模型输出对参考模型输出的跟踪，实现对电机转速的估算。自适应率本身是一个PI调节过程，能够减少或消除静差，可以减小慰藉干扰和参数改变对估算结果的影响；

(3)本发明将永磁同步电机参数辨识与无位置传感器控制方法整合在同一个系统中，可以实现针对不同的永磁同步电机的参数辨识—无位置传感器控制自动化运行。提高了系统的通用性与可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。

图1是本发明实施例的一种永磁同步电机参数辨识和无位置传感器控制方法的流程示意图；

图2是本发明实施例中永磁同步电机电阻辨识过程的原理图；

图3是本发明实施例的一种永磁同步电机参数辨识和无位置传感器控制系统的结构示意图；

图4是本发明实施例中基于模型参考自适应的永磁同步电机控制方法原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，本发明实施例的一种永磁同步电机参数辨识和无位置传感器控制方法包括：

步骤1，实时获取永磁同步电机三相绕组中任意两相电流以及直流母线电压；

步骤2，对电机任意两相绕组施加PWM电压信号，根据电流响应计算定子电阻R_s；

步骤3，对电机三相绕组施加PWM电压信号，使转子分别定位于直轴位置和交轴位置。定位完成后，对电机VW相施加PWM电压信号，根据电流响应计算直轴电感L_d和交轴电感L_q；

步骤4，保持电机空载，对电机绕组施加固定幅值和转速的旋转电压矢量，经SVPWM调制获得PWM控制信号，使得定子电流产生旋转磁场，拖动转子旋转。根据定子电压方程，结合所述直轴电感L_d和交轴电感L_q的辨识结果，计算永磁磁链Ψ_f；

步骤5，将所述定子电阻R_s、直轴电感L_d、交轴电感L_q和永磁磁链Ψ_f代入到永磁同步电机定子电压方程中。将所述电压方程作为模型参考自适应控制方法的可调模型，直轴电压u_d、交轴电压u_q和估计转速

作为输入，估计直轴电流

和交轴电流

作为输出；

步骤6，利用估计位置

对电机三相电流进行Clark和Park变换，得到直轴电流i_d和交轴电流i_q；

步骤7，依据波波夫稳定性判据构建模型参考自适应控制方法的自适应率。直轴电流i_d、交轴电流i_q、估计直轴电流

和估计交轴电流

作为所述自适应率的输入，估计转速

作为输出；

步骤8，对所述估计转速

积分得到所述估计位置

利用所述估计位置

对同步旋转坐标系下的定子电压进行反Park变换，经SVPWM调制获得PWM控制信号，通过逆变器实现永磁同步电机无位置传感器控制。

在本实施例中，通过对永磁同步电机的参数进行离线辨识，为无位置传感器控制方法提供基本的电机参数，保证控制系统的正常运行。

所述步骤2中的定子电阻R_s辨识过程的原理可以用图2表示。在电机理想绕组上施加PWM电压信号，根据电流大小可以计算电路中的电阻。由于电机绕组的电阻较小，需要排除开关器件和续流二极管的导通压降。在开关器件导通期间，加在绕组两端的电压为U_dc；在开关器件关断期间，由于绕组中的电流不能突变，电流将经续流二极管反馈到直流侧，此时加在绕组两端的电压为－U_dc－U_DIODE，根据PWM电压信号的占空比D即可推算出加在绕组两端的平均电压。选取两组不同的占空比，运用作差法可以排除开关器件和续流二极管的导通压降。

作为优选，所述步骤2具体包括：

步骤2.1，根据对电机两相绕组依次施加占空比为D₁的PWM电压信号时的电路状态，获得第一公式，所述第一公式为：

U_av1＝(U_DC-U_IGBT)×D₁+(-U_DC-U_DIODE)×(1-D₁)

其中，U_av1为PWM信号占空比为D₁时施加在两相绕组的平均电压，U_DC为直流母线电压，U_IGBT为逆变器开关器件压降，U_DIODE为逆变器反向二极管导通时的压降；

步骤2.2，改变所述PWM电压信号的占空比为D₂，获得第二公式，所述第二公式为：

U_av2＝(U_Dc-U_IGBT)×D₂+(-U_DC-U_DIODE)×(1-D₂)

其中，U_av2为PWM信号占空比为D₂时施加在两相绕组的平均电压；

步骤2.3，将所述第一公式和第二公式相减，得到第三公式，所述第三公式为：

U_av1-U_av2＝2U_DC×(D₁-D₂)+(U_DIODE-U_IGBT)×(D₁-D₂)

由于(U_IGBT-U_DIODE)＜＜2U_DC，可以忽略第三公式右边的第二项；

步骤2.4，根据所述第三公式可以推得计算定子电阻R_s的第四公式，所述第四公式为：

其中，I₁为在电机两相绕组上施加占空比为D₁的PWM电压信号时的响应电流，I₂为在电机两相绕组上施加占空比为D₂的PWM电压信号时的响应电流。

在步骤3中，为了尽可能方便地直接获取电机直轴电感L_d和交轴电感L_q，需要对电机在不同位置的电感值作理论推导。

永磁同步电机的电感会随转子位置的变化而改变。如果忽略三次及以上谐波，三项永磁同步电机绕组的自感和互感可以用下式表示：

其中L_g0为自感基波幅值，L_g2为自感二次谐波幅值，θ为转子位置。

永磁同步电机直轴电感L_d和交轴电感L_q可以表示为：

VW相串联电感可以表示为：

当θ分别取0和90°时，得到：

由此可以通过测量固定转子位置的VW相串联电感得到直轴电感L_d和交轴电感L_q。

作为优选，所述步骤3具体包括：

步骤3.1，对三相绕组施加PWM电压信号，使得U相上桥臂和VW相下桥臂同时导通和关断，将电机转子定位于与U相相轴平行的位置；

步骤3.2，定位操作完成后，对VW相施加PWM电压信号，根据RL串联回路中电流对电压的阶跃响应公式，可以推得计算初始电流上升斜率的第五公式，所述第五公式为：

其中，i为响应电流，u为施加在RL串联回路两端的阶跃电压；

在电流上升的极短时间内，电流大小可近似看作线性增加，利用第六公式可以获得RL串联回路的电感，所述第六公式为：

此时得到的是直轴电感L_d；

步骤3.3，对VW相施加PWM电压信号，使得V相上桥臂和W相下桥臂同时导通关断，将电机转子定位于超前U相相轴90°电角度的位置；

步骤3.4，重复步骤3.2，此时利用第六公式计算得到的是交轴电感L_q。

步骤4需要使用如图3所示的控制系统。步骤4不需要使用转速换，因此需要使电机在空载情况下开环运行，电机转速由虚拟转子位置角θ_e的变化率决定。通过给定直轴电流i_d ^*和交轴电流i_q ^*，i_d ^*和i_q ^*经PI环节得到给定直轴电压u_d和给定交轴电压u_q ^*，利用给定的θ_e对电压进行坐标变换，在通过SVPWM模块输出旋转电压矢量，在电机内形成旋转磁场，带动转子旋转。

作为优选，所述步骤4具体包括：

步骤4.1，保持交轴电流i_q为0，给定直轴电流i_d1，给定线性变化的转子位置角θ_e；

步骤4.2，利用所述转子位置角θ_e，对同步旋转坐标系下的定子电压进行反Park变换，经SVPWM调制获得PWM控制信号，使得电机开环运行；

步骤4.3，根据同步旋转坐标系下的定子电压方程，当i_q为0，且i_d1固定不变时，定子电压方程可以简化为第七公式，所述第七公式为：

步骤4.4，忽略定子电阻，则所施加的电压幅值V与直轴电流i_d1的关系可以表示为第八公式，所示第八公式为：

V₁≈ω_eL_di_d1+ω_eΨ_f

步骤4.5，保持角θ_e的变化率不变，改变i_d为i_d2，重复步骤4.2至4.4。得到表示电压幅值V与直轴电流i_d2关系的第九公式，所述第九公式为：

V₂≈ω_eL_di_d2+ω_eΨ_f

步骤4.6，利用所述第七公式和第八公式，得到计算永磁磁链的第十公式，所述第十公式为：

在以上参数辨识结束后，可以得到永磁同步电机的四个基本参数：定子电阻R_s，直轴电感L_d，交轴电感L_q和永磁磁链Ψ_f。利用这些参数和如图3所示的控制系统就可以实现基于模型参考自适应控制方法的永磁同步电机无位置传感器控制。

作为参数辨识的后续步骤，永磁同步电机无位置传感器可以按以下步骤进行：

步骤5，将所述定子电阻R_s、直轴电感L_d、交轴电感L_q和永磁磁链Ψ_f代入到永磁同步电机定子电压方程中。将所述电压方程作为模型参考自适应控制方法的可调模型，直轴电压u_d、交轴电压u_q和估计转速

作为输入，估计直轴电流

和交轴电流

作为输出；

步骤6，利用估计位置

对电机三相电流进行Clark和Park变换，得到直轴电流i_d和交轴电流i_q；

步骤7，依据波波夫稳定性判据构建模型参考自适应控制方法的自适应率。直轴电流i_d、交轴电流i_q、估计直轴电流

和估计交轴电流

作为所述自适应率的输入，估计转速

作为输出；

步骤8，对所述估计转速

积分得到所述估计位置

利用所述估计位置

对同步旋转坐标系下的定子电压进行反Park变换，经SVPWM调制获得PWM控制信号，通过逆变器实现永磁同步电机无位置传感器控制。

作为优选，步骤5和步骤7中所述的模型参考自适应控制方法的可调模型和自适应率可分别用第十一公式和第十二公式表示，所述第十一公式为：

所述第十二公式为：

其中，K_i为积分常数，K_p为比例常数，

为初始转速。

作为优选，模型参考自适应控制方法在实际应用中需要将其中的公式离散化。所述离散化操作具体表现为：

所述步骤5到步骤8中的参数更新周期与PWM波周期一致；

所述步骤5中所使用的估计转速

是步骤7在上一个PWM周期的输出值；

所述步骤6中所使用的估计位置

是步骤8在上一个PWM周期的输出值加上步骤7在上一个PWM周期输出的估计转速

对时间的积分。

如图4所示，为了实现永磁同步电机的无位置传感器控制，只需要计算估计电流，采集实际电流，将实际电流与估计电流做比较，代入第十二公式，即可计算出估算转速，通过对转速

积分得到估计转子位置

将此估计位置应用于永磁同步电机双闭环控制系统中，就完成了永磁同步电机的无位置传感器控制。

综合以上所述内容，即可形成一套如图3所示的永磁同步电机参数辨识和无位置传感器控制系统。

作为优选，所述系统包括：电流采集模块、转速与位置估算模块、转速环PI调节模块、电流环PI调节模块、Clark变换模块、Park变换模块、反Park变换模块、SVPWM波发生模块、逆变器模和三相永磁同步电机。

所述电流采集模块，用于实时采集电机任意两相绕组电流，第三相绕组电流由两相绕组电流计算得到；

所述转速与位置估算模块，采用模型参考自适应控制方法设计，采集直轴和交轴电流、电压信号，用于为控制系统实时提供估算电机转速和转子位置；

所述转速环PI调节模块，用于使电机跟踪给定转速，其输出为交轴参考电流；

所述电流环PI调节模块，用于使电机跟踪给定电流，其输出为直轴参考电压和交轴参考电压；

所述Clark变换模块，用于将三相静止坐标系下的定子电流变换到两相静止坐标系下；

所述Park变换模块，用于将两相静止坐标系下的定子电流变换到两相旋转坐标系下；

所述反Park变换模块，用于将两相旋转坐标系下的定子电压变换到两相静止坐标系下；

所述SVPWM波发生模块，用于输出逆变器PWM控制信号；

所述逆变器和三相永磁同步电机模块，是本系统的执行机构。

Claims (7)

1.一种永磁同步电机参数辨识和无位置传感器控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1，实时获取永磁同步电机三相绕组中任意两相电流以及直流母线电压；

步骤2，对电机任意两相绕组施加PWM电压信号，根据电流响应计算定子电阻R_s；

步骤3，对电机三相绕组施加PWM电压信号，使转子分别定位于直轴位置和交轴位置；定位完成后，对电机VW相施加PWM电压信号，根据电流响应计算直轴电感L_d和交轴电感L_q；

步骤4，保持电机空载，对电机绕组施加固定幅值和转速的旋转电压矢量，经SVPWM调制获得PWM控制信号，使得定子电流产生旋转磁场，拖动转子旋转；根据定子电压方程，结合所述直轴电感L_d和交轴电感L_q的辨识结果，计算永磁磁链Ψ_f；

步骤5，将所述定子电阻R_s、直轴电感L_d、交轴电感L_q和永磁磁链Ψ_f代入到永磁同步电机定子电压方程中；将所述电压方程作为模型参考自适应控制方法的可调模型，直轴电压u_d、交轴电压u_q和估计转速

作为输入，估计直轴电流

和估计交轴电流

作为输出；

步骤6，利用估计位置

对电机三相电流进行Clark和Park变换，得到直轴电流i_d和交轴电流i_q；

步骤7，依据波波夫稳定性判据构建模型参考自适应控制方法的自适应率；直轴电流i_d、交轴电流i_q、估计直轴电流

和估计交轴电流

作为所述自适应率的输入，估计转速

作为输出；

步骤8，对所述估计转速

积分得到所述估计位置

利用所述估计位置

对同步旋转坐标系下的定子电压进行反Park变换，经SVPWM调制获得PWM控制信号，通过逆变器实现永磁同步电机无位置传感器控制；

其中，所述步骤4具体包括：

步骤4.1，保持交轴电流i_q为0，给定直轴电流i_d1，给定线性变化的转子位置角θ_e；

步骤4.2，利用所述转子位置角θ_e，对同步旋转坐标系下的定子电压进行反Park变换，经SVPWM调制获得PWM控制信号，使得电机开环运行；

步骤4.3，根据同步旋转坐标系下的定子电压方程，当i_q为0，且i_d1固定不变时，定子电压方程简化为第七公式，所述第七公式为：

其中，ω_e为转速；

步骤4.4，忽略定子电阻，则所施加的电压幅值V₁与直轴电流i_d1的关系表示为第八公式，所示第八公式为：

V₁≈ω_eL_di_d1+ω_eψ_f

步骤4.5，保持转子位置角θ_e的变化率不变，改变i_d为i_d2，重复步骤4.2至4.4；得到表示电压幅值V₂与直轴电流i_d2关系的第九公式，所述第九公式为：

V₂≈ω_eL_di_d2+ω_eψ_f

步骤4.6，利用所述第八公式和第九公式，得到计算永磁磁链的第十公式，所述第十公式为：

2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机参数辨识和无位置传感器控制方法，其特征在于，所述步骤1到步骤4中作为第一部分，用于离线辨识永磁同步电机参数，为步骤5到步骤8的无位置控制算法提供参数。

3.根据权利要求2所述的一种永磁同步电机参数辨识和无位置传感器控制方法，其特征在于，所述步骤5到步骤8作为第二部分，用于对永磁同步电机进行无位置传感器控制；所述无位置传感器控制方法采用模型参考自适应控制方法，所述模型参考自适应控制方法所需电机参数由第一部分提供。

4.根据权利要求2所述的一种永磁同步电机参数辨识和无位置传感器控制方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：

步骤2.1，根据对电机两相绕组依次施加占空比为D₁的PWM电压信号时的电路状态，获得第一公式，所述第一公式为：

U_av1＝(U_DC-U_IGBT)×D₁+(-U_DC-U_DIODE)×(1-D₁)

其中，U_av1为PWM信号占空比为D₁时施加在两相绕组的平均电压，U_DC为直流母线电压，U_IGBT为逆变器开关器件压降，U_DIODE为逆变器反向二极管导通时的压降；

步骤2.2，改变所述PWM电压信号的占空比为D₂，获得第二公式，所述第二公式为：

U_av2＝(U_DC-U_IGBT)×D₂+(-U_DC-U_DIODE)×(1-D₂)

其中，U_av2为PWM信号占空比为D₂时施加在两相绕组的平均电压；

步骤2.3，将所述第一公式和第二公式相减，得到第三公式，所述第三公式为：

U_av1-U_av2＝2U_DC×(D₁-D₂)+(U_DIODE-U_IGBT)×(D₁-D₂)

由于(U_IGBT-U_DIODE)＜＜2U_DC，忽略第三公式右边的第二项；

步骤2.4，根据所述第三公式推得计算定子电阻R_s的第四公式，所述第四公式为：

其中，I₁为在电机两相绕组上施加占空比为D₁的PWM电压信号时的响应电流，I₂为在电机两相绕组上施加占空比为D₂的PWM电压信号时的响应电流。

5.根据权利要求2所述的一种永磁同步电机参数辨识和无位置传感器控制方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：

步骤3.1，对三相绕组施加PWM电压信号，使得U相上桥臂和VW相下桥臂同时导通和关断，将电机转子定位于与U相相轴平行的位置；

步骤3.2，所述定位操作完成后，对VW相施加PWM电压信号，根据RL串联回路中电流对电压的阶跃响应公式，推得计算初始电流上升斜率的第五公式，所述第五公式为：

其中，i为响应电流，u为施加在RL串联回路两端的阶跃电压；

在电流上升的极短时间内，电流大小可近似看作线性增加，利用第六公式获得RL串联回路的电感L，所述第六公式为：

其中，Δi为时间Δt内的响应电流增量，此时得到的电感L是直轴电感L_d；

步骤3.3，对VW相施加PWM电压信号，使得V相上桥臂和W相下桥臂同时导通关断，将电机转子定位于超前U相相轴90°电角度的位置；

步骤3.4，重复步骤3.2，此时利用第六公式计算得到的电感L是交轴电感L_q。

6.根据权利要求3所述的一种永磁同步电机参数辨识和无位置传感器控制方法，步骤5和步骤7中所述的模型参考自适应控制方法的可调模型和自适应率分别用第十一公式和第十二公式表示，所述第十一公式为：

所述第十二公式为：

其中，K_i为积分常数，K_p为比例常数，

为初始转速。

7.根据权利要求3所述的一种永磁同步电机参数辨识和无位置传感器控制方法，其特征在于其第二部分所述模型参考自适应控制方法在实际应用中需要将其中的公式离散化；所述离散化操作具体表现为：

所述步骤5到步骤8中的参数更新周期与PWM波周期一致；

所述步骤5中所使用的估计转速

是步骤7在上一个PWM周期的输出值；

所述步骤6中所使用的估计位置

是步骤8在上一个PWM周期的输出值加上步骤7在上一个PWM周期输出的估计转速

对时间的积分。

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