CN111030534B - 一种永磁同步电机稳态运行方式下的参数辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机稳态运行方式下的参数辨识方法，首先，电机处于稳定运行状态下，采样得到直轴电压、交轴电压，直轴电流、交轴电流，电机电角速度；直轴注入短时间电流后，再次提取上述五个变量，构建参数辨识方程；然后，分析逆变器非线性带来的电压误差和三相电流谐波问题；设置补偿时间调节开关管的开通关断，降低逆变器非线性影响，提高整体参数辨识精度；最后，由于电感的辨识结果很大程度上依赖于直轴电压，通过前馈补偿算法进一步提升电感的辨识精度。本发明能有效补偿逆变器非线性导致的电压误差，明显降低三相电流的5次与7次谐波含量，能更快速、更精确地辨识出电阻、电感、永磁磁链值，提高永磁同步电机的控制性能。

Description

一种永磁同步电机稳态运行方式下的参数辨识方法

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机稳态运行方式下的参数辨识方法，属于永磁同步电机参数辨识领域。

背景技术

永磁同步电机具有高运行效率、高起动转矩、高功率(转矩)密度的特点，已大量应用在伺服系统、电动汽车与航天航空等领域。

首先，考虑到电阻值与永磁磁链幅值随着温度升降而单调变化，如温度上升，电阻值增大，永磁磁链幅值减小。因此，可以通过观测电阻值和永磁磁链幅值的变化来间接监测电机内部温度，在此背景下，在线辨识电机参数可实现转子与定子的温度监测和故障诊断。其次，电机电气参数的准确与否直接影响电流环PI调节器参数设计的优劣。由于带载工作时定子电流增大，产生的电枢磁场与永磁励磁磁场可能会导致定转子铁心饱和，磁路饱和后电感参数变化明显，电流环PI的控制参数与设计值有明显偏差，导致系统控制性能下降。因此，根据电机参数辨识结果及时调整电流环PI控制器的控制参数，对提升电机控制性能显得尤为重要。

目前，电机参数辨识的主要困难有以下两个方面：辨识方程组的欠秩导致计算结果不收敛，以及逆变器非线性补偿困难。对于辨识方程的欠秩问题，已有的解决方案包括：1)固定永磁同步电机状态方程的部分参数为设计值或者离线辨识值，采用分步、多次辨识得到辨识结果；2)注入扰动信号获得多组电机运行状态下的辨识方程条件下的辨识，在直轴或者交轴注入扰动信号，可实现方程满秩条件，但未考虑注入扰动后，电感、永磁磁链可能会发生变化，即引入新的辨识参数；3)采用新型算法得到相应区间求解最优解，如粒子群算法，神经网络算法等，并未从根本上解决辨识方程组欠秩问题，仍会出现辨识结果不统一情况。此外，由于逆变器非线性的存在，会导致明显的电压误差和三相电流会短时间处于零电流钳位区、峰值两侧有凹陷的波形畸变。在永磁同步电机参数辨识时必定要考虑逆变器非线性的影响，如何抑制及补偿逆变器非线性因素在参数辨识过程中的影响是现今辨识的研究热点问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种永磁同步电机稳态运行方式下的参数辨识方法，能有效补偿逆变器非线性导致的电压误差，明显降低三相电流的5次与7次谐波含量，能较快地同时辨识出电机的电阻、电感、永磁磁链值，并且在此基础上进一步提高电感的辨识精度。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种永磁同步电机稳态运行方式下的参数辨识方法，包括如下步骤：

步骤1，在电机处于稳定运行状态下，采样得到直轴电压、交轴电压、直轴电流、交轴电流以及电机电角速度；在直轴短时间内注入电流Δi_d，并在此过程中再次采样上述五个变量，根据两次采样结果，构建参数辨识方程，所述短时间为0到0.5s之间；

步骤2，设置用于调节开关管开通关断的补偿时间T_com，保证开关管正常死区时间的前提下，在三相电流流向电机时增大上管的导通时间占空比，减小下管的导通时间占空比；在三相电流流出电机时减小上管的导通时间占空比，增大下管的导通时间占空比；

所述增大或减小上管的导通时间占空比为

所述减小或增大下管的导通时间占空比为

其中，T_s是开关管动作周期；

步骤3，在步骤1和步骤2的基础上对电阻、电感、永磁磁链进行辨识，得到电阻辨识值R_{s_est}、电感初步辨识值L_{s_est(1)}、永磁磁链辨识值ψ_{m_est}，采用对直轴电压前馈补偿的方式对电感进行迭代辨识，具体为：

将前述得到的电感初步辨识值L_{s_est(1)}代入前馈补偿函数公式计算得到逆变器非线性的直轴电压补偿值f_s ^d，设定参考电压畸变幅值阈值V_{dead_ref}，当直轴电压补偿值f_s ^d的绝对值大于参考电压畸变幅值阈值V_{dead_ref}时，根据迭代公式计算新的电感参数L_{s_est(i)}，i＝2,3,…，代入前馈补偿函数公式，计算得到新的直轴电压补偿值，并再次进行判断，直至新的直轴电压补偿值的绝对值小于等于参考电压畸变幅值阈值V_{dead_ref}时对应的电感参数即为电感辨识值；

所述前馈补偿函数公式为：

其中，k表示采样时刻，f_s ^q(k)是第k个采样时刻交轴电压补偿值，f_s ^d(k)是第k个采样时刻直轴电压补偿值，

是经补偿过后的第k个采样时刻关于交直轴分量的电压向量，

分别是第k+1、k个采样时刻关于交直轴分量的电流向量，

是第k个采样时刻关于交直轴分量的电机内交直轴反电势，T_s是开关管动作周期，→表示向量形式；

的计算公式为：

其中，E_{s_q}(k)、E_{s_d}(k)分别是第k个采样时刻交、直轴分量的反电势，i_q(k)、i_d(k)、ω_e(k)分别是第k个采样时刻交轴电流、直轴电流、电机电角速度；

所述迭代公式为：

L_{s_est(i+1)}＝(1+ζ)L_{s_est(i)},i＝1,2,…

其中，ζ是收敛系数，

是直轴电压补偿值f_s ^d经低通滤波后得到的输出值。

作为本发明的一种优选方案，步骤1所述参数辨识方程为：

其中，u_d(k₀)、u_q(k₀)、i_q(k₀)、ω_e(k₀)分别是电机稳定运行状态时采样数组中第k₀个采样时间点对应的直轴电压、交轴电压、交轴电流、电机电角速度，u_d(k₁)、u_q(k₁)、i_d(k₁)、i_q(k₁)、ω_e(k₁)分别是直轴短时间内注入电流时采样数组中第k₁个采样时间点对应的直轴电压、交轴电压、直轴电流、交轴电流、电机电角速度，R_s、L_s0、ψ_m0分别是待辨识的电阻、电感、永磁磁链参数。

作为本发明的一种优选方案，步骤2所述补偿时间的计算公式为：

其中，T_com是设定的补偿时间，T_d是控制开关管工作引入的死区时间，T_on是开关管开通延迟时间，T_off是开关管关断延迟时间，T_s是开关管动作周期，V_dc是母线电压，V_ce0是开关管IGBT的阈值电压，V_d0是续流二极管的阈值电压。

作为本发明的一种优选方案，所述电流Δi_d为-4A。

作为本发明的一种优选方案，所述参考电压畸变幅值阈值V_{dead_ref}为0.01V。

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：

1、本发明考虑了直轴注入短时间电流Δi_d后电感L_s、永磁磁链Ψ_m可能会发生变化、转矩T_e波动增大等问题，采用补充功率方程算法解决电感、永磁磁链变化问题，注入适当的交轴电流Δi_q抑制转矩波动，提高了辨识精度。

2、本发明充分考虑了逆变器非线性对电机参数辨识的影响，采用依据电机电流正负方向(即控制器与电机间电流流向，流向电机为正，流出电机为负)设置开关管工作补偿时间的离线补偿方案与实时调节电感参数观测交直轴电压做前馈补偿的在线补偿方案相结合的逆变器非线性补偿策略，既提升电机参数辨识的整体精度，又实现了对电感参数辨识结果进一步优化。

附图说明

图1是本发明基于参数辨识的永磁同步电机矢量控制原理图。

图2是本发明直轴注入短时间电流的参数辨识法原理图。

图3是逆变器非线性补偿策略原理图(以A相为例)。

图4(a)、图4(b)分别是调节开关管补偿时间前、后三相电流波形图。

图4(c)、图4(d)分别是调节开关管补偿时间前、后三相电流波形谐波含量分析图。

图5是逆变器非线性前馈补偿部分控制框图与电压观测原理图。

图6(a)、图6(b)、图6(c)分别是电阻、永磁磁链、电感参数的辨识结果。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图1所示，一种永磁同步电机稳态运行方式下的参数辨识方法，包括如下步骤：

1、电机处于稳定运行状态下，采样得到直轴电压u_d、交轴电压u_q，直轴电流i_d、交轴电流i_q，电机电角速度ω_e；直轴注入短时间电流Δi_d(本发明对应仿真注入的Δi_d为-4A)，再次采样提取上述五个变量，构建参数辨识方程，辨识方法原理如图2所示。

在此，补充功率方程：

u_q(k₁)i_q(k₁)+u_d(k₁)i_d(k₁)＝R_s(i_q ²(k₁)+i_d ²(k₁))+ω_e(k₁)T_e(k₁)/p_n (1)

其中，p_n为电机的极对数，T_e(k₁)是注入直轴电流Δi_d后的电机的电磁转矩，由于电机的负载转矩、转速并未发生变化，故认定注入直轴电流Δi_d前后电磁转矩相等。

T_e(k₁)＝T_e(k₀)＝P_nψ_m0i_q(k₀) (2)

其中，由于在直轴注入短时间电流Δi_d后电机的电磁转矩波动略微变大，是由于此时的交直轴电感发生变化而引入的小量的磁阻转矩，是一个平均值为零的转矩波动，通过注入较小的交轴电流即可抑制此处的转矩波动。

由此公式(1)修改为：

u_q(k₁)i_q(k₁)+u_d(k₁)i_d(k₁)＝R_s(i_q ²(k₁)+i_d ²(k₁))+ω_e(k₁)ψ_m0i_q(k₀) (3)

最终，辨识方程可表示为：

R_s、L_s0、ψ_m0分别是待辨识的电阻、电感、永磁磁链参数。考虑到直轴短时间内注入电流时电感L_s、永磁磁链ψ_m参数会发生变化，故在对应参数字符L_s、ψ_m用下标0加以标注L_s0、ψ_m0，表示是电机在原有稳态情况下待辨识的参数。

这里考虑了直轴注入短时间电流Δi_d后，电感、永磁磁链可能因磁路饱和发生变化，即引入新的需要辨识的电气参数，在此基础上补充功率方程实现辨识方程满秩条件，解决了此前这类辨识方法注入扰动后未考虑辨识发生变化而导致辨识结果误差较大的问题。同时考虑了直轴注入短时间电流Δi_d后会引起转矩T_e波动较大，通过注入适当的交轴电流Δi_q抑制转矩波动。

2、逆变器的非线性影响是因为控制开关管工作必然会引入死区时间T_d、开关管开通关断延迟时间T_on、T_off，会导致直轴与交轴电压误差和三相电流5次与7次谐波含量明显增大。设置补偿时间T_com，保证开关管正常死区时间的前提下，在三相电流流向电机时增大上管的导通时间占空比，减小下管的导通时间占空比；在三相电流流出电机时减小上管的导通时间占空比，增大下管的导通时间占空比，此方案有效地补偿抑制非线性影响。

三相电流流向电机或三相电流流出电机时，保证开关管正常死区时间的前提下，上管和下管的导通时间占空比均为

在原有的基础上增大/减小的占空比比例为

如图3所示，以A相为例，其中(a)为理想开关管门极驱动模式；(b)为A相电流为正时的考虑死区时间与补偿时间后门极驱动模式；(c)为A相电流为正、考虑开关延时后A相实际电压模型；(d)为A相电流为正、考虑开关延时后A相等效电压模型；(e)为A相电流为负时的考虑死区时间与补偿时间后门极驱动模式；(f)为A相电流为负、考虑开关延时后A相实际电压模型；(g)为A相电流为负、考虑开关延时后A相等效电压模型。

由上述逆变器非线性引入的时间误差为：

其中，

电机的A相电压可表示为：

其中，

V′_as＝V'{2sign(i_as)-sign(i_bs)-sign(i_cs)}，

是理想开关工作情况下A相参考电压，V'_as是由于逆变器非线性导致的误差电压差值，V'是误差电压差值的幅值，因此令误差电压幅值V'＝0可计算得到补偿时间：

其中，T_d是控制开关管工作引入的死区时间，T_on是开关管开通延迟时间，T_off是开关管关断延迟时间，T_s是开关管动作周期，V_dc是母线电压，V_ce0是开关管IGBT的阈值电压，V_d0是续流二极管的阈值电压。将计算得到的T_com运用到控制系统中实现对开关管导通关断时刻调节，逆变器非线性得到明显抑制，三相电流的5次7次谐波大大降低，如图4(a)-图4(d)所示。

3、由于电阻和永磁磁链主要是受温度的影响而变化，辨识过程中变化可以忽略不计，通过调节开关管补偿时间抑制逆变器非线性得到的参数辨识精度足够高，完全满足电机控制和电机内温度监测等需求，但控制系统精度提高需要电感的辨识精度尽可能高。由于电感的辨识主要是根据直轴电压方程确定，如公式(4)所示，可采用对直轴电压前馈补偿的方式进一步抑制逆变器非线性影响，降低直轴电压的六次谐波含量，前馈补偿需要通过采用辨识得到的电阻R_{s_est}、电感L_{s_est}、永磁磁链Ψ_{m_est}值计算电机的直轴电压观测值。

参数辨识原理图的补偿部分原理如图5所示，其包含反电势计算、电机的交轴直轴电压观测、低通滤波传递函数三个主要部分。

反电势计算公式为：

基于电压观测的前馈补偿公式为：

采用的低通滤波函数为：

此时滤波器的输出与输入关系可表示成：

其中，公式中箭头表示向量形式，包含直轴分量和交轴分量；α是低通滤波器的剪切频率，由于逆变器非线性引入6次谐波分量，所以此滤波器的剪切频率应设置在电机基频的6倍或略大于6倍为宜；

是由电压观测的前馈补偿公式计算得到的电压补偿值，

是补偿值

经低通滤波后得到的输出值。

4、基于直轴电压前馈补偿的电感辨识需要多次迭代计算，首次带入基于调节开关管补偿时间条件下得到的电感辨识值L_{s_est(1)}，带入前馈补偿函数公式(9)计算得到逆变器非线性的直轴电压补偿值f_s ^d，给定参考电压畸变幅值阈值V_{dead_ref}(非常小的数值，本发明仿真对应的为0.01V)，当电压补偿值f_s ^d的绝对值(电压畸变值)大于给定参考电压畸变幅值V_{dead_ref}时，表明此时的补偿精度仍未达到预期目标，在此更改带入新的电感参数L_{s_est(i)}，i＝2,3,…,N，多次进行前馈补偿计算与设定的参考电压幅值V_{dead_ref}比较，直到由最终的电感值计算得到的直轴电压补偿值满足阈值要求近似为0，即表明此时逆变器的非变性影响已被完全补偿，对应的电感参数即为最终的辨识结果。

其中，电感的迭代公式是：

L_{s_est(i+1)}＝(1+ζ)L_{s_est(i)},i＝1,2,… (12)

其中，ζ是收敛系数，根据

的正负调整电感的收敛方向，由于电感有之前较准确的辨识初值，所以收敛系数设置0.1并不会影响收敛速度，如果需要辨识精度更高可以继续调小收敛系数但会影响辨识速度，本发明对应仿真将收敛系数设为0.1完全满足速度和精度要求。

电阻R_s、电感L_s、永磁磁链值Ψ_m的辨识结果分别如图6(a)、图6(b)、图6(c)所示。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.一种永磁同步电机稳态运行方式下的参数辨识方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，在电机处于稳定运行状态下，采样得到直轴电压、交轴电压、直轴电流、交轴电流以及电机电角速度；在直轴短时间内注入电流Δi_d，并在此过程中再次采样上述五个变量，根据两次采样结果，构建参数辨识方程，所述短时间为0到0.5s之间；

所述参数辨识方程为：

其中，u_d(k₀)、u_q(k₀)、i_q(k₀)、ω_e(k₀)分别是电机稳定运行状态时采样数组中第k₀个采样时间点对应的直轴电压、交轴电压、交轴电流、电机电角速度，u_d(k₁)、u_q(k₁)、i_d(k₁)、i_q(k₁)、ω_e(k₁)分别是直轴短时间内注入电流时采样数组中第k₁个采样时间点对应的直轴电压、交轴电压、直轴电流、交轴电流、电机电角速度，R_s、L_s0、ψ_m0分别是待辨识的电阻、电感、永磁磁链参数；

步骤2，设置用于调节开关管开通关断的补偿时间T_com，保证开关管正常死区时间的前提下，在三相电流流向电机时增大上管的导通时间占空比，减小下管的导通时间占空比；在三相电流流出电机时减小上管的导通时间占空比，增大下管的导通时间占空比；

所述增大或减小上管的导通时间占空比为

所述减小或增大下管的导通时间占空比为

其中，T_s是开关管动作周期；

步骤3，在步骤1和步骤2的基础上对电阻、电感、永磁磁链进行辨识，得到电阻辨识值R_{s_est}、电感初步辨识值L_{s_est(1)}、永磁磁链辨识值ψ_{m_est}，采用对直轴电压前馈补偿的方式对电感进行迭代辨识，具体为：

将前述得到的电感初步辨识值L_{s_est(1)}代入前馈补偿函数公式计算得到逆变器非线性的直轴电压补偿值f_s ^d，设定参考电压畸变幅值阈值V_{dead_ref}，当直轴电压补偿值f_s ^d的绝对值大于参考电压畸变幅值阈值V_{dead_ref}时，根据迭代公式计算新的电感参数L_{s_est(i)}，i＝2,3,…，代入前馈补偿函数公式，计算得到新的直轴电压补偿值，并再次进行判断，直至新的直轴电压补偿值的绝对值小于等于参考电压畸变幅值阈值V_{dead_ref}时对应的电感参数即为电感辨识值；

所述前馈补偿函数公式为：

其中，k表示采样时刻，f_s ^q(k)是第k个采样时刻交轴电压补偿值，f_s ^d(k)是第k个采样时刻直轴电压补偿值，

是经补偿过后的第k个采样时刻关于交直轴分量的电压向量，

分别是第k+1、k个采样时刻关于交直轴分量的电流向量，

是第k个采样时刻关于交直轴分量的电机内交直轴反电势，T_s是开关管动作周期，→表示向量形式；

的计算公式为：

其中，E_{s_q}(k)、E_{s_d}(k)分别是第k个采样时刻交、直轴分量的反电势，i_q(k)、i_d(k)、ω_e(k)分别是第k个采样时刻交轴电流、直轴电流、电机电角速度；

所述迭代公式为：

L_{s_est(i+1)}＝(1+ζ)L_{s_est(i)},i＝1,2,…

其中，ζ是收敛系数，

是直轴电压补偿值f_s ^d经低通滤波后得到的输出值。

2.根据权利要求1所述永磁同步电机稳态运行方式下的参数辨识方法，其特征在于，步骤2所述补偿时间的计算公式为：

其中，T_com是设定的补偿时间，T_d是控制开关管工作引入的死区时间，T_on是开关管开通延迟时间，T_off是开关管关断延迟时间，T_s是开关管动作周期，V_dc是母线电压，V_ce0是开关管IGBT的阈值电压，V_d0是续流二极管的阈值电压。

3.根据权利要求1所述永磁同步电机稳态运行方式下的参数辨识方法，其特征在于，所述电流Δi_d为-4A。

4.根据权利要求1所述永磁同步电机稳态运行方式下的参数辨识方法，其特征在于，所述参考电压畸变幅值阈值V_{dead_ref}为0.01V。

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