CN110635738B - 一种永磁同步电机定子电阻及电机温度的实时辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机定子电阻及电机温度的实时辨识方法，对永磁同步电机的三相电流、转子位置和转速进行变换和计算，充分利用自抗扰控制器扩张观测器能观测扰动的特性，对永磁同步电机的电压方程进行变换，再对采样得到的电流和电压进行处理，计算出定子电阻与电机温度。相比于现有技术定子电阻和电机温度的测量更加得快速便捷准确。

Description

一种永磁同步电机定子电阻及电机温度的实时辨识方法

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机定子电阻及电机温度的实时辨识方法，属于电气传动技术领域。

背景技术

随着永磁同步电机矢量控制技术的广泛应用，永磁同步电机也被广泛地应用于各种场合。在现有的矢量控制技术包括以模型为基础发展的现代控制理论中，控制器的控制性能十分依赖永磁同步电机的定子电阻等参数，实验可得，由于电机温升引起的定子电阻的变化率可达50％，因此，控制器中采用的永磁同步电机参数可以直接影响整个调速系统的性能。

当前，永磁同步电机中各类参数的辨识通常采用离线人工测量的方法。在实现过程中，发明人发现传统技术中至少存在如下问题：离线的测量方法无法准确考虑电机温升对定子电阻的影响，且无法在电机运行中获知定子电阻。

发明内容

发明目的：本发明提出一种永磁同步电机定子电阻及电机温度的实时辨识方法，快速便捷准确地测量定子电阻和电机温度。

技术方案：本发明采用的技术方案为一种永磁同步电机定子电阻及电机温度的实时辨识方法，包括以下步骤：

获取永磁同步电机的三相电流i_a、i_b、i_c，以及转子位置θ和转速ω；

利用克拉克变换得到三相电流在αβ坐标系下的分量i_α和i_β，同时给定d轴给定电流i_d ^*和q轴给定电流i_q ^*，再利用帕克逆变换得到所述d轴给定电流i_d ^*和q轴给定电流i_q ^*在αβ坐标系下的分量i_α ^*和i_β ^*；

向定子电阻及温度观测器输入i_α和i_α ^*，得到电机实时定子电阻R_s和电机温度T。

所述三相电流从电流采样模块中获得，转子位置θ和转速ω从位置传感器模块获得。

按照下式利用克拉克变换得到三相电流在αβ坐标系下的分量i_α和i_β：

给转速环自抗扰控制器输入所采集的转速ω和给定额定转速ω^*，由自抗扰控制器得到q轴给定电流i_q ^*，同时给定d轴给定电流i_d ^*＝0。

按照下式利用帕克逆变换得到d轴给定电流i_d ^*和q轴给定电流i_q ^*在αβ坐标系下的分量i_α ^*和i_β ^*：

上式中θ为转子位置角。

按照如下步骤得到电机实时定子电阻R_s和电机温度T：

向α轴电流环自抗扰控制器和β轴电流环自抗扰控制器分别输入上述i_α、i_α ^*及i_β、i_β ^*，得到输出量第一电压u_α和第二电压u_β，再向定子电阻及温度观测器输入i_α和i_α ^*，得到电机实时定子电阻R_s和电机温度T。具体计算过程如下：

永磁同步电机在αβ轴系下的电压方程为：

上式中L_α、L_β为αβ轴系的电感，ω_r为转子电角速度，ψ_f为永磁体磁链，R_s为电机实时定子电阻，将电压方程变化可得：

上式为αβ轴系下的一阶电流系统，再由下式一阶系统的标准型：

上式中，f₁(y,t)、f₂(y,t)是与输出量y有关的函数，u是输入量，b是输入量u的系数,且f₁、f₂、b和u都是已知，假设k₁＝k₁₀+Δk₁，k₁是需要辨识的参数，k₁₀是任意设定值，Δk₁为实际值与设定值的差值，可得；

此时定子电阻及温度观测器的第一输出z₁和第二输出z₂为：

将α轴系下的一阶电流系统稍作改动得：

此时定子电阻及温度观测器的第一输出z₁和第二输出z₂为：

上式中ΔR_s是由于电机温度变化而引起的定子电阻变化值。于是：

上式中R_s为电机实时定子电阻，R_s0为电机初始电阻，由电阻率与温升的关系及电阻公式：

上式中，ρ和ρ₀分别是当前温度和初始温度时的定子材料电阻率，α_i为定子材料的导热系数，t为温升。

结合式(11)可得：

式中，t₀是室温，T为电机温度。因此得到电机实时定子电阻R_s和电机温度T。

有益效果：本发明充分利用自抗扰控制器扩张观测器能观测扰动的特性，对永磁同步电机的电压方程进行变换，再对采样得到的电流和电压进行处理，计算出定子电阻与电机温度。相比于现有技术定子电阻和电机温度的测量更加得快速便捷准确。

附图说明

图1为本发明的控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本实施例公开的永磁同步电机定子电阻及电机温度的在线辨识方法是基于无电压传感器三矢量模型实现的，具体包括如下步骤：

1)首先利用电流采样模块采集永磁同步电机的三相电流i_a、i_b、i_c，并利用位置传感器模块采集永磁同步电机的转子位置θ和转速ω信息。

2)利用克拉克变换得到三相电流i_a、i_b、i_c在αβ坐标系下的分量i_α和i_β，即3s-2s坐标变换，具体计算如下式(1)所示：

接着给转速环自抗扰控制器输入所采集的转速ω和给定额定转速ω^*，由自抗扰控制器得到q轴给定电流i_q ^*，同时给定d轴给定电流i_d ^*＝0。

利用帕克逆变换得到上述i_d ^*和i_q ^*在αβ坐标系下的分量i_α ^*和i_β ^*，即2r-2s坐标变换，具体计算如下式(2)：

3)向α轴电流环自抗扰控制器和β轴电流环自抗扰控制器分别输入上述i_α、i_α ^*及i_β、i_β ^*，得到输出量第一电压u_α和第二电压u_β，再向定子电阻及温度观测器输入i_α和i_α ^*，得到电机实时定子电阻R_s和电机温度T。具体计算过程如下：

永磁同步电机在αβ轴系下的电压方程为：

上式中L_α、L_β为αβ轴系的电感，ω_r为转子电角速度，ψ_f为永磁体磁链，R_s为电机实时定子电阻，将电压方程变化可得：

上式为αβ轴系下的一阶电流系统，再由下式一阶系统的标准型：

上式中，f₁(y,t)、f₂(y,t)是与输出量y有关的函数，u是输入量，b是输入量u的系数,且f₁、f₂、b和u都是已知，假设k₁＝k₁₀+Δk₁，k₁是需要辨识的参数，k₁₀是任意设定值，Δk₁为实际值与设定值的差值，可得；

此时定子电阻及温度观测器的第一输出z₁和第二输出z₂为：

将α轴系下的一阶电流系统稍作改动得：

此时定子电阻及温度观测器的第一输出z₁和第二输出z₂为：

上式中ΔR_s是由于电机温度变化而引起的定子电阻变化值。于是：

上式中R_s为电机实时定子电阻，R_s0为电机初始电阻，由电阻率与温升的关系及电阻公式：

上式中，ρ和ρ₀分别是当前温度和初始温度时的定子材料电阻率，α_i为定子材料的导热系数，t为温升。

结合式(11)可得：

式中，t₀是室温，T为电机温度。因此得到电机实时定子电阻R_s和电机温度T。

4)将第一电压u_α和第二电压u_β输入SVPWM调制模块，SVPWM调制模块输出的控制电压使三相逆变桥在直流电压V_DC作用下驱动永磁同步电机PMSM。

Claims (5)

1.一种永磁同步电机定子电阻及电机温度的实时辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取永磁同步电机的三相电流i_a、i_b、i_c，以及转子位置θ和转速ω；

利用克拉克变换得到三相电流在αβ坐标系下的分量i_α和i_β，同时给定d轴给定电流i_d ^*和q轴给定电流i_q ^*，再利用帕克逆变换得到所述d轴给定电流i_d ^*和q轴给定电流i_q ^*在αβ坐标系下的分量i_α ^*和i_β ^*；

向定子电阻及温度观测器输入i_α和i_α ^*，计算得到电机实时定子电阻R_s和电机温度T：

向α轴电流环自抗扰控制器和β轴电流环自抗扰控制器分别输入上述i_α、i_α ^*及i_β、i_β ^*，得到输出量第一电压u_α和第二电压u_β，再向定子电阻及温度观测器输入i_α和i_α ^*，得到电机实时定子电阻R_s和电机温度T，具体计算过程如下：

永磁同步电机在αβ轴系下的电压方程为：

上式中L_α、L_β为αβ轴系的电感，ω_r为转子电角速度，ψ_f为永磁体磁链，R_s为电机实时定子电阻，将电压方程变化得：

上式为αβ轴系下的一阶电流系统，再由下式一阶系统的标准型：

上式中，f₁(y,t)、f₂(y,t)是与输出量y有关的函数，u是输入量，b是输入量u的系数,且f₁、f₂、b和u都是已知，假设k₁＝k₁₀+Δk₁，k₁是需要辨识的参数，k₁₀是任意设定值，Δk₁为实际值与设定值的差值，得：

此时定子电阻及温度观测器的第一输出z₁和第二输出z₂为：

将α轴系下的一阶电流系统改动得：

此时定子电阻及温度观测器的第一输出z₁和第二输出z₂为：

上式中ΔR_s是由于电机温度变化而引起的定子电阻变化值，于是：

上式中R_s为电机实时定子电阻，R_s0为电机初始电阻，由电阻率与温升的关系及电阻公式：

上式中，ρ和ρ₀分别是当前温度和初始温度时的定子材料电阻率，α_i为定子材料的导热系数，t为温升；

结合上式得：

式中，t₀是室温，T为电机温度，因此得到电机实时定子电阻R_s和电机温度T。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机定子电阻及电机温度的实时辨识方法，其特征在于，所述三相电流从电流采样模块中获得，转子位置θ和转速ω从位置传感器模块获得。

3.根据权利要求1所述的永磁同步电机定子电阻及电机温度的实时辨识方法，其特征在于，按照下式利用克拉克变换得到三相电流在αβ坐标系下的分量i_α和i_β：

4.根据权利要求1所述的永磁同步电机定子电阻及电机温度的实时辨识方法，其特征在于，给转速环自抗扰控制器输入所采集的转速ω和给定额定转速ω^*，由自抗扰控制器得到q轴给定电流i_q ^*，同时给定d轴给定电流i_d ^*＝0。

5.根据权利要求1所述的永磁同步电机定子电阻及电机温度的实时辨识方法，其特征在于，按照下式利用帕克逆变换得到d轴给定电流i_d ^*和q轴给定电流i_q ^*在αβ坐标系下的分量i_α ^*和i_β ^*：

上式中θ为转子位置角。

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