CN113141141B - 一种记忆电机永磁磁链观测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种记忆电机永磁磁链观测方法，该方法设计了基于前馈解耦的自抗扰电流控制器，通过q轴扰动分量计算得到永磁磁链观测值；根据电压方程和观测的磁链值，在线辨识出d、q轴电感值，反馈至电流控制器，得到磁链估计的准确值。该种方法巧妙地利用了所设计的电流控制器扰动分量进行磁链观测，同时又能提高调磁电流跟踪精度。此外，通过反馈在线辨识的d、q轴电感值至控制器，提高了磁链观测的鲁棒性，适用于电机参数变化大场合。

Description

一种记忆电机永磁磁链观测方法

技术领域

本发明涉及电机参数辨识领域，尤其涉及一种记忆电机永磁磁链观测方法。

背景技术

记忆电机(Memory Motor,MM)，相较于普通的永磁同步电机，其永磁磁链可变，得到了国内外学者的关注与认可。通常在低转速时施加充磁电流脉冲，使电机处于高磁化状态，输出转矩大；在高速运行阶段施加去磁电流脉冲，使电机处于低磁化状态，拓宽调速范围，降低弱磁损耗。

记忆电机在运行时，需要根据当前磁化状态、转速等运行条件，选择合适的调磁电流脉冲幅值，调节永磁体磁化状态。此外，记忆电机中的低矫顽力永磁体容易出现负载退磁等情况，需要对永磁磁链实时观测。目前常用的观测方法，分为离线和在线方法，离线方法主要为空载反电势法，即空载拖动电机至某转速，根据反电势幅值计算得到永磁磁链值。在线辨识方法主要包括最小二乘法，模型参考自适应法，扩展卡尔曼滤波方法，然而这些方法计算量大，且当电机参数变化大时，磁链观测准确度下降。记忆电机相比于普通永磁同步电机，磁链变化大，电感参数变化也更为明显，因为，需要一种鲁棒性强的磁链观测方法。

发明内容

发明目的：本发明针对记忆电机磁链、电感等参数变化较大引起磁链观测不准确等问题，提供了一种记忆电机永磁磁链观测方法。

技术方案：一种记忆电机永磁磁链观测方法，包括如下步骤：

S1、离线测得电机相电阻R，空载dq轴静态电感L_d0、L_q0；

S2、设计基于前馈解耦的自抗扰电流控制器，并提取自抗扰电流控制器的q轴扰动分量u_{q_dc}，滤波后除以当前电角速度ω_e，得到永磁磁链观测值

S3、基于永磁磁链观测值和电压方程，辨识当前负载情况下的dq轴电感值

并反馈至电流控制器；

S4、根据观测的永磁磁链，以及当前转速条件，选择合适的调磁电流脉冲进行调磁。

进一步地，所述步骤S2中，基于前馈解耦的自抗扰电流控制器的设计包括以下步骤：

S2.11、记忆电机的dq轴电压方程为：

式中，L_d、L_q分别为考虑交叉饱和效应的dq轴静态电感，随着负载电流变化而变化，ω_e为电角速度，ψ_PM(i_d)为可变永磁磁链；

S2.12、为方便搭建基于前馈解耦的自抗扰电流控制器，式(1)改变成如下形式：

式中，

为d、q轴电感估计值，其初始值为分别为离线测得的d、q轴电感L_d0、L_q0，

ΔR为离线测得的电阻与实际电阻的差值，u_{d_ff}、u_{q_ff}分别d、q轴前馈解耦电压分量，u_{d_dc}、u_{q_dc}分别为d、q轴扰动分量；

S2.13、设计线性自抗扰电流控制器(Linear Active Disturbance RejectionController,LADRC)：

式中，

u_{d_ladrc}、u_{q_ladrc}分别为dq轴自抗扰控制器输出电压；

令

构建扩张状态观测器(Linear Extended State Observer,LESO)如下：

式中，f_d、f_q分别为dq轴扰动分量，β₁、β₂为观测器误差反馈增益。

进一步地，所述步骤S2中，永磁磁链观测的具体方法为：

S2.21、电机稳态运行时，q轴电压扰动分量u_{q_dc}为：

永磁磁链观测值：

S2.22、对u_{q_dc}进行滤波处理，即忽略电流波动

的影响，且电阻、电感变化较小时，永磁磁链估计值近似为：

进一步地，所述步骤S3中，dq轴电感的辨识主要分为两种情形：

情形一：采用i_d＝0控制时，永磁磁链估计值与d轴电感的变化无关，只需辨识q轴电感值，方法如下：

情形二：采用最大转矩电流比(Maximum Torque Per Ampere，MTPA)控制，d、q轴电流同时存在，需辨识d、q轴电感：

辨识的电感值送入基于前馈解耦的自抗扰电流控制器中修正永磁磁链估计值，最终观测的永磁磁链收敛至真实值，即

有益效果：

1.本发明方法观测的永磁磁链精度高，对参数变化不敏感，适用于不同负载情况；

2.本发明方法除了磁链观测功能，还可以提高电流跟踪精度；

3.本发明方法不需要信号注入即可以观测电机参数，用于后续的控制中，且计算量小，方法简单。

附图说明

图1是本发明的框图；

图2是本发明的电流调节器和参数辨识结构图；

图3是本发明的不同磁化状态下的磁链观测波形；

图4是本发明的i_d＝0控制方式下磁链观测值以及误差随负载变化关系图；

图5是本发明的MTPA控制方式下磁链观测值以及误差随负载变化关系图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步的介绍。

本发明具体实施方式中公开了一种记忆电机磁链观测方法，如图1所示，具体包括如下步骤：

S1、离线测得电机相电阻R，d、q轴静态电感L_d0、L_q0；

S2、设计基于前馈解耦的自抗扰电流控制器，并提取自抗扰电流控制器的q轴扰动分量u_{q_dc}，滤波后除以当前电角速度ω_e，得到永磁磁链观测值

S3、基于永磁磁链观测值和电压方程，辨识当前负载情况下的d、q轴电感值

并反馈至电流控制器；

S4、根据观测的永磁磁链，以及当前转速条件，选择合适的调磁电流脉冲进行调磁。

图2为本发明控制方法的结构图，其中左边部分所示为基于前馈解耦的自抗扰电流控制器结构框图，右边部分为参数辨识结构图。

所述步骤S2中，基于前馈解耦的自抗扰电流控制器的设计包括以下步骤：

S2.11、记忆电机的dq轴电压方程为：

式中，L_d、L_q分别为考虑交叉饱和效应的d、q轴静态电感，随着负载电流变化而变化，ω_e为电角速度，ψ_PM(i_d)为可变永磁磁链；

S2.12、为方便搭建基于前馈解耦的自抗扰电流控制器，式(1)可以改变成如下形式：

式中，

为d、q轴电感估计值，其初始值为分别为d、q轴空载电感L_d0、L_q0，

ΔR为测量电阻与实际电阻的差值，u_{d_ff}、u_{q_ff}分别d、q轴前馈解耦电压分量，u_{d_dc}、u_{q_dc}分别为d、q轴扰动分量；

S2.13、设计线性自抗扰电流控制器：

式中，

u_{d_ladrc}、u_{q_ladrc}分别为d、q轴自抗扰控制器输出电压；

令

构建线性扩张状态观测器如下：

式中，f_d、f_q分别为dq轴扰动分量，β₁、β₂为观测器误差反馈增益，可设置为：β₁＝[2ω_d0 2ω_q0]，

ω_d0和ω_q0分别为d、q轴扩张状态观测器带宽，增大ω_d0和ω_q0，扩张状态观测器的响应速度加快，高频带宽增益变大，系统抗噪能力变差，需要结合仿真与实验合理选取。

所述步骤S2中，永磁磁链观测的具体方法为：

S2.21、电机稳态运行时，q轴电压扰动分量u_{q_dc}为：

永磁磁链观测值：

S2.22、对u_{q_dc}进行滤波处理，即可以忽略电流波动

的影响，且电阻、电感变化较小时，永磁磁链估计值可近似为：

所述步骤S3中，d、q轴电感的辨识主要分为两种情形：

情形一：采用i_d＝0控制时，永磁磁链估计值与d轴电感的变化无关，只需辨识q轴电感值，方法如下：

情形二：采用MTPA控制，d、q轴电流同时存在，需辨识d、q轴电感：

辨识的电感值送入基于前馈解耦的自抗扰电流控制器中修正永磁磁链估计值，最终观测的永磁磁链收敛至真实值，即

已知实验样机高磁化状态MS1时的永磁磁链为0.263Wb，低磁化状态MS2时的永磁磁链为0.152Wb。图3为采用本发明方法观测的不同磁化状态下的永磁磁链值，初始磁链为0.261Wb，当施加-25A去磁电流后，磁链观测值为0.149Wb，当施加35A充磁电流后，磁链值变为0.263Wb。永磁磁链观测值与空载反电势法测量结果相近，误差在允许范围内。

图4为采用i_d＝0控制时，额定转速800rpm、不同负载电流下的磁链观测结果以及误差，其中图4(a)为高磁化状态MS1下的磁链观测结果，图4(b)为低磁化状MS2下的磁链观测结果。此时不需要辨识q轴电感，最大观测误差在5％以内。

图5为采用MTPA控制时，额定转速800rpm、低磁化状态MS2、不同负载电流下的磁链观测结果以及误差

图5(a)为采用固定d、q轴电感时的磁链观测结果，由于d轴电流的存在，电感不准确导致磁链观测误差较大，在重载条件下甚至达到15％；图5(b)是更新在线辨识的d、q轴电感值的磁链观测结果，最大误差在2％以内，与图5(a)相比磁链观测的准确度明显提升。因此本发明公开的磁链观测方法具有强鲁棒性，适用于磁链、电感等参数变化明显的记忆电机中，不需要额外的信号注入，方法简单。

Claims (4)

1.一种记忆电机永磁磁链观测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、离线测得电机相电阻R，d、q轴静态电感L_d0、L_q0；

S2、设计基于前馈解耦的自抗扰电流控制器，并提取自抗扰电流控制器的q轴扰动分量u_{q_dc}，滤波后除以当前电角速度ω_e，得到永磁磁链观测值

S3、基于永磁磁链观测值和电压方程，辨识当前负载情况下的dq轴电感值

并反馈至电流控制器；

S4、根据观测的永磁磁链，以及当前转速条件，选择合适的调磁电流脉冲进行调磁。

2.根据权利要求1所述的一种记忆电机永磁磁链观测方法，其特征在于：所述步骤S2具体包括以下步骤：

S2.11、记忆电机的dq轴电压方程为：

式中，L_d、L_q分别为考虑交叉饱和效应的d、q轴静态电感，随着负载电流变化而变化，ω_e为电角速度，ψ_PM(i_d)为可变永磁磁链；

S2.12、式(1)改变成如下形式：

式中，

为d、q轴电感估计值，其初始值分别为离线测得的d、q轴电感L_d0、L_q0，

ΔR为离线测得的电阻与实际电阻的差值，u_{d_ff}、u_{q_ff}分别d、q轴前馈解耦电压分量，u_{d_dc}、u_{q_dc}分别为d、q轴扰动分量；

S2.13、设计线性自抗扰电流控制器：

式中，

u_{d_ladrc}、u_{q_ladrc}分别为d、q轴自抗扰控制器输出电压；

令

构建扩张状态观测器如下：

式中，f_d、f_q分别为dq轴扰动分量，β₁、β₂为观测器误差反馈增益矩阵。

3.根据权利要求2所述的一种记忆电机永磁磁链观测方法，其特征在于：所述步骤S2中，永磁磁链的观测具体包括以下步骤：

S2.21、电机稳态运行时，q轴电压扰动分量u_{q_dc}为：

永磁磁链观测值：

S2.22、对u_{q_dc}进行滤波处理，即忽略电流波动

的影响，且电阻、电感变化较小时，永磁磁链估计值近似为：

4.根据权利要求1所述的一种记忆电机永磁磁链观测方法，其特征在于：所述步骤S3中，dq轴电感的辨识主要分为两种情形：

情形一：采用i_d＝0控制时，永磁磁链估计值与d轴电感的变化无关，只需辨识q轴电感值，方法如下：

情形二：采用最大转矩电流比控制，d、q轴电流同时存在，需辨识d、q轴电感：

辨识的电感值反馈至前馈解耦的自抗扰电流控制器中修正永磁磁链估计值，最终观测的永磁磁链收敛至真实值，即

Images