CN113179064B - 一种基于电流纹波的电感辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电流纹波的电感辨识方法，属于永磁同步电机在线参数辨识领域。本发明所提出的辨识技术通过数字控制器中3个连续的控制周期的配合，完成对永磁同步电机控制系统的电流纹波的采样、电流纹波采样结果的处理以及利用电流纹波对电感进行在线辨识。本发明所提出辨识技术利用多次连续采样和最小二乘拟合来提高电流纹波采样的精度，并通过简化的辨识模型来利用电流纹波信息。相比于现有技术，本发明所提出技术不需要对电机注入高频电压或电流信号，从而减小了永磁同步电机控制系统的电流畸变和转矩波动，减小了电机损耗和转子震动。

Description

一种基于电流纹波的电感辨识方法

技术领域

本发明涉及永磁同步电机在线参数辨识领域，具体涉及一种基于电流纹波的电感辨识方法。

背景技术

在永磁同步电机的诸多控制算法中，譬如各种电流控制算法、最大转矩电流比控制算法、弱磁控制算法、无位置传感器控制算法等，dq同步坐标系的电感值(L_d，L_q)都起着重要作用。为了保证这些控制算法的性能，使用在线参数辨识技术来实时获得准确的L_d，L_q变得尤为关键。

现有的永磁同步电机参数在线辨识技术都使用“以控制周期作为离散周期的dq轴离散电磁方程”作为辨识模型。使用这种辨识模型使得现有辨识技术存在以下问题：由于在d轴和q轴的两个方程中有四个未知参数(d轴电感L_d，q轴电感L_q，电阻R，永磁磁链ψ_f)，所以在进行参数辨识时会遇到辨识模型不满秩的问题。现有技术通过对永磁同步电机注入高频电压或电流信号的方法来解决上述问题。而现有的辨识技术由于需要额外注入高频电压和电流信号，永磁同步电机的控制性能受到影响。额外注入的高频信号会增大永磁同步电机工作过程中的电流畸变和转矩波动、增加电机损耗、加重电机振动。情况严重时，甚至会使永磁同步电机失稳。因此提出一种基于电流纹波的电感辨识方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于电流纹波的电感辨识方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种基于电流纹波的永磁同步电机电感在线辨识技术，通过数字控制器中3个连续的控制周期的配合，实现利用电流纹波对永磁同步电机电感进行在线辨识，具体步骤如下：

在上述3个连续控制周期的第1个控制周期中：根据电机控制程序得到的第2个控制周期的PWM(脉宽调制)三相占空比，计算第2个控制周期中进行电流纹波采样的时间段，从而使电流纹波采样避开逆变器开关动作；设置第2个控制周期中的高优先级中断，该中断将触发数次连续的电流采样，以实现电流纹波的采样。

在上述3个连续控制周期的第2个控制周期中：每个控制周期中会出现3个不同的SVPWM(空间矢量脉宽调制)电压矢量，包括两个主动电压矢量(

和

)和一个零电压矢量

在第2个控制周期中，由第1个控制周期设置的高优先级中断会在设定的时间运行并触发数次连续的电流采样，以实现在设定的时间内对上述3个电压矢量的电流纹波的采样。该高优先级中断几乎不会影响永磁同步电机主控制程序的运行，这是因为触发电流采样仅需要占用极短的控制器时间，触发后电流采样将自动在采样模块中运行而不再占用控制器时间。

在上述3个连续控制周期的第3个控制周期中：在第2个控制周期中进行的电流纹波采样已经完成，通过最小二乘拟合算法分别对3个电压矢量的电流纹波采样结果进行拟合，得到ABC坐标系下的电流纹波信息，其表示式为：

其中p＝A,B,C；i_p，k_p分别是连续采样中间时刻的p相电流的幅值和斜率；n是连续电流采样的采样次数；i_p,j是第j个采样点的p相电流采样结果；t_j是第j个采样点相对于中间采样时刻的采样时间。根据上述ABC坐标系下的电流纹波信息，进行Park坐标变换，可以得到相应的dq同步坐标系下的电流纹波信息，其表达式为：

其中k_d，k_q分别是d，q轴电流在连续采样中间时刻的斜率；ω是永磁同步电机的转子电角速度；θ是永磁同步电机转子在连续采样中间的电角度。如上所述，有3个可以进行电流纹波采样的电压矢量，故可以获得3个时刻的电流纹波信息，将这3个时刻写为t_x，t_y，t_z(分别对应

)。然后，利用遗忘因子递归最小二乘法对电感进行在线辨识，所使用的辨识模型如下式：

Δu_d≈L_d·Δk_d

Δu_q≈L_q·Δk_q

其中

其中t_d,1，t_d,2和t_q,1，t_q,2都是从t_x，t_y，t_z选取的时刻组合；u_d，u_q分别是逆变器输出的d，q轴的瞬时电压；；Δu_d是t_d,1和t_d,2这两个时刻的d轴电压的差值；Δu_q是t_q,1和t_q,2这两个时刻的q轴电压的差值；Δk_d是t_d,1和t_d,2这两个时刻的d轴电流斜率差值；Δk_q是t_q,1和t_q,2这两个时刻的q轴电流斜率差值。

由于如上所示的辨识模型在d轴和q轴之间无耦合，所以L_d和L_q的辨识是互不相关、分别进行的，并且其辨识与永磁同步电机的电阻R和永磁磁链ψ_f无关。

进一步地，为了保证上述的简化辨识模型的准确度，需要确定电压下限U_L，满足Δu_d＞U_L的时刻组合，代入上述模型对L_d进行辨识，满足Δu_q＞U_L的时刻组合，代入上述模型对L_q进行辨识。

进一步地，以L_d辨识为例，由于从t_x，t_y，t_z选取一共有3种时刻组合，而可能不止一种时刻组合满足Δu_d＞U_L，则在一个控制周期中为L_d辨识进行的递归最小二乘法可能迭代多次；L_q辨识也是如此。

本发明实施例还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的一种基于电流纹波的电感辨识方法。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述的基于电流纹波的电感辨识方法。

本发明的有益效果：

本发明的方法不需要对永磁同步电机额外注入高频电压或电流信号，从而避免了现有辨识技术在实施过程中对电机控制效果的不良影响，减小了电流畸变和转矩纹波，减小了电机损耗和转子震动；而且因为电流纹波采样避开了逆变器开关动作，所以本方法不受死区影响；最后由于L_d和L_q的辨识是互不相关、分别进行的，并且其辨识与电阻R和永磁磁链ψ_f无关。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步地说明。

图1为本申请的第k个控制周期中的程序流程图；

图2为本申请的电流纹波采样过程图；

图3为本申请的SVPWM原理示意图；

图4为本申请的递归最小二乘法d轴电感辨识结果；

图5为本申请的递归最小二乘法q轴电感辨识结果；

图6为本申请的直接求解d轴电感辨识结果；

图7为本申请的直接求解q轴电感辨识结果。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出一种基于电流纹波的永磁同步电机电感在线辨识技术。该技术利用永磁同步电机驱动系统中本身就存在的电流纹波进行电感辨识，而不需要像现有技术一样给永磁同步电机注入高频电压或电流信号。与现有技术相比，本发明避免了由高频电压或电流信号注入引起的对永磁同步电机控制性能的不良影响，减小了电流畸变和转矩纹波，减小了电机损耗和转子震动。并且由于电流纹波采样避开了逆变器的开关动作，本发明提出的方法在参数辨识过程中不受逆变器死区的影响。本发明针对电流纹波信息的特点，采用了简化版的辨识模型，这一方面使得L_d和L_q的辨识是互不相关、分别进行的，并且其辨识与电阻R和永磁磁链ψ_f无关，另一方面大大简化了最小二乘类辨识算法的复杂度。

下面结合附图对本发明作更进一步说明。

要利用电流纹波进行电感辨识，首先要对电流纹波进行采样。不失一般性，这里以采用SVPWM调制方式，并且控制周期为半开关周期为例进行说明。SVPWM原理如图3所示，在1个控制周期中，逆变器会输出3种SVPWM基本电压矢量，包括两个主动电压矢量和一个零电压矢量。这里记零电压矢量为

记两个主动电压矢量为

和

并且有

比

超前60°，如图1所示。本方法需要对这三种电压矢量进行电流纹波采样。电流纹波采样具体过程如图2所示。为了避开开关动作引起的电流高频振动对电流纹波采样造成不利影响，需要在开关动作后间隔一段时间再进行电流纹波采样，本例中此间隔时间为4μs。为了提高电流纹波采样的精度，对电流进行电流多次连续采样后再对其采样结果进行最小二乘拟合，以获得电流纹波信息。本例中，一次电流纹波采样中包含6次连续电流采样。由于电流纹波采样避开了逆变器开关动作，所以本方法不受逆变器死区影响。

对上述连续电流采样结果进行最小二乘拟合，可以得到ABC坐标系下的电流纹波信息，其表示式为：

其中p＝A,B,C；i_p，k_p分别是连续采样中间时刻的p相的电流幅值和斜率；n是连续电流采样的采样次数；i_p,j是第j个采样点的p相电流采样结果；t_j是第j个采样点相对于中间采样时刻的采样时间。

根据上述ABC坐标系下的电流纹波信息，对其进行Park坐标变换，可以得到相应的dq同步坐标系下的电流纹波信息，其表达式为：

其中k_d，k_q分别是d，q轴电流在连续采样中间时刻的斜率；ω是永磁同步电机的转子电角速度；θ是永磁同步电机转子在连续采样中间的电角度。

通过以上电流纹波采样方法，可以分别获得上述

的连续采样中间时刻的电流纹波信息，将这3个时刻写为t_x，t_y，t_z。利用这3个时刻的电流纹波信息，使用遗忘因子递归最小二乘法对电感进行在线辨识。

所使用的辨识模型如下式：

Δu_d≈L_d·Δk_d

Δu_q≈L_q·Δk_q

其中

其中t_d,1，t_d,2和t_q,1，t_q,2都是从t_x，t_y，t_z选取的时刻组合；u_d，u_q分别是逆变器输出的d，q轴的瞬时电压；Δu_d是t_d,1和t_d,2这两个时刻的d轴电压的差值；Δu_q是t_q,1和t_q,2这两个时刻的q轴电压的差值；Δk_d是t_d,1和t_d,2这两个时刻的d轴电流斜率差值；Δk_q是t_q,1和t_q,2这两个时刻的q轴电流斜率差值。

为了保证如式所示的简化辨识模型的准确度，需要确定电压下限U_L。对满足Δu_d＞U_L的时刻组合代入式对L_d进行辨识，对满足Δu_q＞U_L的时刻组合代入式对L_q进行辨识。由于如式所示的辨识模型在d轴和q轴之间无耦合，所以L_d和L_q的辨识互不相关、分别进行的；并且其辨识与电阻R和永磁磁链ψ_f无关。

以L_d辨识为例，从t_x，t_y，t_z中可选取3种时刻组合，而可能不止一种时刻组合满足Δu_d＞U_L，则在一个控制周期中为L_d辨识进行的递归最小二乘法可能迭代多次；L_q辨识也是如此。

为了实现上述本发明所提出的辨识方法，需要数字控制器中3个连续的控制周期之间的配合。

在第1个控制周期中：根据电机控制程序得到的第2个控制周期的PWM(脉宽调制)三相占空比，计算第2个控制周期中进行电流纹波采样的时间段，从而使电流纹波采样避开逆变器开关动作；设置第2个控制周期中运行的高优先级中断，该中断将触发数次连续的电流采样，以实现电流纹波的采样。

在第2个控制周期中：由第1个控制周期设置的高优先级中断会在设定的时间运行并触发数次连续的电流采样，使得电流纹波采样在设定的时间段内进行，从而实现对

这3个电压矢量的采样。

在第3个控制周期中：第2个控制周期中进行的电流纹波采样已经完成，采样结果被自动保存在采样结果寄存器中。对该采样结果进行处理，使用如式所示的最小二乘拟合方法和如式所示的坐标变换，可以获得dq坐标系下的电流纹波信息；进而，在上述3种时刻组合下，判断Δu_d＞U_L和Δu_q＞U_L是否成立；对满足Δu_d＞U_L的时刻组合，代入并利用递归最小二乘法，对L_d进行在线辨识；对满足Δu_q＞U_L的时刻组合，代入并利用递归最小二乘法，对L_q进行在线辨识。

基于以上思路，本发明所提出方法在实施过程中，在第k个控制周期T(k)中的程序流程图如图1所示。首先，运行永磁同步电机控制程序，它将会计算出T(k+1)的逆变器三相占空比；利用T(k+1)的三相占空比，可以计算出T(k+1)的进行电流纹波采样的时间；然后，可以设置T(k+1)的用于电流纹波采样的高优先级中断；然后，对T(k-1)中进行的电流纹波采样的采样结果进行处理；最后，T(k-1)中的电流纹波信息进行永磁同步电机电感在线辨识。除此之外，用于在T(k)中触发电流纹波采样的高优先级中断会穿插在此程序的运行过程中。由于触发电流纹波采样仅占用极少的控制器时间，而触发后电流采样将自动在采样模块中运行而不再占用控制器时间，所以此高优先级中断不会影响控制程序的运行。

本发明以一个永磁同步电机为例进行实验，所用永磁同步电机控制系统参数如下：开关周期T_sw＝100μs，控制周期T_c＝50μs，逆变器直流侧电压U_dc＝72V，电机极数p＝10，电机电阻R＝47mΩ，d轴电感L_d＝132μH，q轴电感L_q＝219μH，永磁磁链ψ_f＝0.02Wb，额定转速n_N＝3000r/min，d轴额定电流I_dN＝-0.93A，q轴额定电流I_qN＝15A，电压下限U_L＝0.5U_dc＝36V，遗忘最小二乘法遗忘因子κ＝0.995。实验在额定工况下进行。实验中，本发明所提出辨识方法的最小二乘法辨识结果如图4和图5所示。可见，本方法可以使L_d，L_q迅速收敛到真实值附近，并且误差在可接受范围内。辨识模型可以对L_d和L_q直接进行求解，直接求解结果如图6和图7所示。可见，直接求解结果都分布在真实值附近，这说明在满足Δu_d＞U_L和Δu_q＞U_L的条件下，L_d或L_q在线辨识的每一个辨识点的准确度都得到了保证。这表明Δu_d＞U_L和Δu_q＞U_L一方面保证了如式所示的辨识模型的准确度，一方面减小了电流纹波采样误差对辨识的影响。这些直接辨识结果通过递归最小二乘法进行平滑后，便可以辨识出L_d和L_q。

上述实验结果说明，本发明所提出方法可以在无需注入高频电流或电压信号的情况下，利用电流纹波对永磁同步电机电感进行准确的实时辨识，从而避免了现有辨识技术由于高频电流或电压信号注入导致的电流畸变增大、转矩波动增大、电机损耗增大以及转子震动增大等不良影响。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (5)

1.一种基于电流纹波的电感辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：任选永磁同步电机的三个连续的控制周期；

步骤2：在第一个控制周期中获取第二个控制周期的逆变器占空比，根据所述逆变器占空比确定第二个控制周期的电流纹波采样时间段，根据所述电流纹波采样时间段设置所述第二个控制周期用于触发电流纹波采样的高优先级中断；

步骤3：在所述第二个控制周期中，通过所述高优先级中断触发电流纹波采样生成电流纹波采样信息；

步骤4：在第三个控制周期中，根据所述电流纹波采样信息辨识d轴电感L_d和q轴电感L_q；

所述步骤4的具体步骤如下：

步骤4.1：采用最小二乘拟合算法对所述电流纹波采样信息进行拟合获取ABC坐标系下的电流纹波信息；所述电流纹波采样信息包括主动电压矢量

主动电压矢量

和零电压矢量

步骤4.2：将所述ABC坐标系下的电流纹波信息通过Park坐标变换生成dq同步坐标系下的电流纹波信息；所述dq同步坐标系下的电流纹波信息包括d轴电流在连续采样中间时刻的斜率k_d和q轴电流在连续采样中间时刻的斜率k_q；

步骤4.3：利用遗忘因子递归最小二乘法对所述电感L_d和所述电感L_q进行辨识，所述电感L_d和所述电感L_q的辨识模型分别为：

Δu_d≈L_d·Δk_d

Δu_q≈L_q·Δk_q；

其中

式中t_d,1，t_d,2和t_q,1，t_q,2都是从t_x，t_y，t_z选取的时刻组合；u_d，u_q分别是逆变器输出的d，q轴的瞬时电压；Δu_d是t_d,1和t_d,2这两个时刻的d轴电压的差值；Δu_q是t_q,1和t_q,2这两个时刻的q轴电压的差值；Δk_d是t_d,1和t_d,2这两个时刻的d轴电流斜率差值；Δk_q是t_q,1和t_q,2这两个时刻的q轴电流斜率差值；t_x，t_y和t_z分别为主动电压矢量

主动电压矢量

和零电压矢量

的连续采样中间时刻。

2.根据权利要求1所述的基于电流纹波的电感辨识方法，其特征在于，所述步骤4.3还包括，确定电压下限U_L，满足Δu_d＞u_L的所有时刻组合，代入所述电感L_d的辨识模型计算L_d；满足Δu_q＞u_L的所有时刻组合，代入所述电感L_q的辨识模型计算L_q。

3.根据权利要求1所述的基于电流纹波的电感辨识方法，其特征在于，所述电流纹波采样时间段与逆变器开关动作时间段错开。

4.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至3任一所述的一种基于电流纹波的电感辨识方法。

5.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有执行权利要求1至3任一所述的一种基于电流纹波的电感辨识方法的计算机程序。

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