CN113300647B - 一种永磁同步电机静止型交直轴电感辨识方法 - Google Patents

一种永磁同步电机静止型交直轴电感辨识方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种永磁同步电机静止型交直轴电感辨识方法，包括以下步骤：步骤1，在α、β轴注入直流电压使得转子始终保持静止状态；步骤2，建立永磁同步电机在静止状态下的高频谐波方程；步骤3，在α轴注入高频电压，并通过离散傅里叶变换提取响应电流的幅值；步骤4，在β轴注入与步骤3相同的高频电压，并通过离散傅里叶变换提取响应电流的幅值；步骤5，通过注入的电压信号与响应的电流信号计算得到交直轴电感。本发明可以在电机转子保持静止的状态下离线辨识交直轴电感，辨识过程无需知道转子初始位置角，辨识精度较高。

Description

一种永磁同步电机静止型交直轴电感辨识方法
技术领域
本发明属于永磁同步电机控制领域，尤其涉及一种永磁同步电机静止型交直轴电感辨识方法。
背景技术
近些年来，永磁同步电机因为其高密度、高效率、高功率因数而被广泛应用于工业自动化和轨道交通等领域。永磁同步电机的高性能控制例如最大转矩电流比控制、弱磁控制、无位置传感器控制等，都需要准确的电机参数，特别是交直轴电感参数。目前，交直轴电感参数的离线辨识方法主要分为三大类：注入脉冲电压，利用电感上电流的阶跃响应辨识出电感，该方法依赖于电流采样精度；在dq轴注入高频电压，利用响应的高频电流辨识出电感，该方法依赖于准确的转子位置角和电流采样精度；在α、β轴下注入高频电压，利用正负序提取方法辨识出电感，该方法原理较为复杂，实际应用中并不理想。因此，寻求简单有效的交直轴电感离线辨识方法是十分重要的。
发明内容
本发明针对上述现有技术存在的问题作出改进，提出一种永磁同步电机静止型交直轴电感辨识方法，通过在静止状态的α和β轴下依次注入具有相同幅值和频率的高频电压来辨识交直轴电感参数，过程简单，适用性强，辨识精度较高。
本发明是通过以下技术方案实现：
步骤1，在α和β轴分别注入直流电压
Figure 731210DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 477449DEST_PATH_IMAGE002
，使电机转子位置保持锁定，记此时的转子位置角度为
Figure 35469DEST_PATH_IMAGE003
。
步骤2，建立永磁同步电机在静止状态下的高频谐波方程，过程如下：
2.1 在两相静止坐标系下，永磁同步电机的电压方程用矩阵形式表示如下
Figure 892567DEST_PATH_IMAGE004
（1）
式中
Figure 852432DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 21770DEST_PATH_IMAGE006
为定子电压，
Figure 332666DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure 993454DEST_PATH_IMAGE008
为定子电流，
Figure 807826DEST_PATH_IMAGE009
为定子电阻，
Figure 161447DEST_PATH_IMAGE010
为角速度，
Figure 428481DEST_PATH_IMAGE011
为永磁体磁链，
Figure 892960DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 561839DEST_PATH_IMAGE013
为交直轴电感，
Figure 86361DEST_PATH_IMAGE014
为电感之和，
Figure 840690DEST_PATH_IMAGE015
为电感之差，p为微分运算符。
2.2当永磁同步电机处于静止状态时有
Figure 594014DEST_PATH_IMAGE016
，同时由于高频注入信号的频率远大于电机基波频率，因此高频下电阻上的电压压降相对于电抗非常小，所以忽略不计，此时永磁同步电机在静止状态下的高频谐波方程简化为
Figure 382978DEST_PATH_IMAGE017
（2）
式中
Figure 78402DEST_PATH_IMAGE018
和
Figure 54448DEST_PATH_IMAGE019
为定子电压的高频分量，
Figure 860730DEST_PATH_IMAGE020
和
Figure 769780DEST_PATH_IMAGE021
为定子电流的高频分量。
步骤3，第一次注入高频信号，并采样得到高频响应电流，过程如下：
3.1在α、β轴注入电压幅值为
Figure 370526DEST_PATH_IMAGE022
，角速度为
Figure 365027DEST_PATH_IMAGE023
，形式如下的高频信号
Figure 709420DEST_PATH_IMAGE024
（3）
式中
Figure 207398DEST_PATH_IMAGE025
和
Figure 228312DEST_PATH_IMAGE026
为第一次注入的电压信号，t为时间。
3.2将公式(3)带入公式(2)，得到第一次在两相静止坐标系下产生的高频响应电流
Figure 710109DEST_PATH_IMAGE027
和
Figure 858194DEST_PATH_IMAGE028
的表达式为
Figure 210678DEST_PATH_IMAGE029
（4）。
3.3利用离散傅里叶变换提取响应电流的幅值
Figure 418805DEST_PATH_IMAGE030
和
Figure 122319DEST_PATH_IMAGE031
，而不是提取电流瞬时值，降低了对采样精度的依赖，表达式为
Figure 808515DEST_PATH_IMAGE032
（5）。
步骤4，第二次注入高频信号，并采样得到高频响应电流，过程如下：
4.1在α、β轴注入电压幅值为
Figure 546664DEST_PATH_IMAGE022
，角速度为
Figure 394534DEST_PATH_IMAGE023
，形式如下的高频信号
Figure 585344DEST_PATH_IMAGE033
（6）
式中
Figure 825964DEST_PATH_IMAGE034
和
Figure 418619DEST_PATH_IMAGE035
为第二次注入的电压信号。
4.2将公式(6)带入公式(2)，得到第二次在两相静止坐标系下产生的高频响应电流
Figure 702970DEST_PATH_IMAGE036
和
Figure 381076DEST_PATH_IMAGE037
的表达式为
Figure 409075DEST_PATH_IMAGE038
（7）。
4.3利用离散傅里叶变换提取响应电流的幅值
Figure 856237DEST_PATH_IMAGE039
和
Figure 577068DEST_PATH_IMAGE040
，而不是提取电流瞬时值，降低了对采样精度的依赖，表达式为
Figure 476891DEST_PATH_IMAGE041
（8）。
步骤5，根据步骤3和步骤4注入的电压信号与响应的电流信号，求得交直轴电感
Figure 308581DEST_PATH_IMAGE012
与
Figure 610249DEST_PATH_IMAGE013
的表达式(9)
Figure 754179DEST_PATH_IMAGE042
（9）
通过该式可以得知辨识结果和转子位置角
Figure 406877DEST_PATH_IMAGE003
无关，因此该方法不依赖于转子位置角
Figure 511100DEST_PATH_IMAGE003
。
作为本发明的进一步限定，上述步骤3和步骤4中注入信号的电压幅值
Figure 932854DEST_PATH_IMAGE022
为被测永磁同步电机额定电压的20%～60%，注入信号的角速度
Figure 995488DEST_PATH_IMAGE023
为被测永磁同步电机额定角速度的4~8倍，注入信号的持续时间为1~4s。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：本发明通过在α、β轴注入直流电压来固定住转子，使得电机保持静止状态；在静止状态的α和β轴下依次注入具有相同幅值和相位的高频电压，能够避免对转子位置角的依赖；通过离散傅里叶变换提取一段时间内高频响应电流的幅值，能够降低对采样精度的依赖，提高了交直轴电感的辨识精度。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1为本发明的整个控制系统结构框图。
图2为本发明中电感辨识环节计算电感值的原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明进行进一步详细说明。
参照图1和图2，一种永磁同步电机静止型交直轴电感辨识方法，所示方法包括以下步骤：
步骤1，在α和β轴分别注入直流电压
Figure 869903DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 43395DEST_PATH_IMAGE002
，该直流电压经过空间矢量调制模块后发出脉冲控制逆变器，通过逆变器开关管的导通与关断来控制永磁同步电机的运行状态，使电机转子位置保持锁定，记此时的转子位置角度为
Figure 319656DEST_PATH_IMAGE003
，该位置角为某一未知常数。
步骤2，建立永磁同步电机在静止状态下的高频谐波方程，过程如下：
2.1 在两相静止坐标系下，永磁同步电机的电压方程用矩阵形式表示如下
Figure 553191DEST_PATH_IMAGE004
（1）
式中
Figure 914902DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 377239DEST_PATH_IMAGE006
为定子电压，
Figure 508006DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure 912442DEST_PATH_IMAGE008
为定子电流，
Figure 761449DEST_PATH_IMAGE009
为定子电阻，
Figure 276744DEST_PATH_IMAGE010
为角速度，
Figure 527597DEST_PATH_IMAGE011
为永磁体磁链，
Figure 102935DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 439238DEST_PATH_IMAGE013
为交直轴电感，
Figure 758224DEST_PATH_IMAGE014
为电感之和，
Figure 598004DEST_PATH_IMAGE015
为电感之差，p为微分运算符。
2.2 当永磁同步电机处于静止状态时有
Figure 593511DEST_PATH_IMAGE016
，同时由于高频注入信号的频率远大于电机基波频率，因此高频下电阻上的电压压降相对于电抗非常小，所以忽略不计，此时永磁同步电机在静止状态下的高频谐波方程简化为
Figure 151531DEST_PATH_IMAGE017
（2）
式中
Figure 274208DEST_PATH_IMAGE018
和
Figure 234074DEST_PATH_IMAGE019
为定子电压的高频分量，
Figure 885635DEST_PATH_IMAGE020
和
Figure 196531DEST_PATH_IMAGE021
为定子电流的高频分量。
步骤3，第一次注入高频信号，并采样得到高频响应电流，过程如下：
3.1在α、β轴注入电压幅值为
Figure 857319DEST_PATH_IMAGE022
，角速度为
Figure 671691DEST_PATH_IMAGE023
，形式如下的高频信号
Figure 25312DEST_PATH_IMAGE024
（3）
式中
Figure 292346DEST_PATH_IMAGE025
和
Figure 241978DEST_PATH_IMAGE026
为第一次注入的电压信号，t为时间。
3.2 将公式(3)带入公式(2)，通过采样电路采样得到电机相电流
Figure 176436DEST_PATH_IMAGE043
和
Figure 700958DEST_PATH_IMAGE044
，由三相静止-两相静止坐标变换单元可得到两相静止坐标系下的高频响应电流
Figure 189709DEST_PATH_IMAGE030
和
Figure 457879DEST_PATH_IMAGE031
的表达式为
Figure 246843DEST_PATH_IMAGE029
（4）。
3.3 利用离散傅里叶变换提取响应电流的幅值
Figure 676688DEST_PATH_IMAGE030
和
Figure 918313DEST_PATH_IMAGE031
，而不是提取电流瞬时值，降低了对采样精度的依赖，表达式为
Figure 724595DEST_PATH_IMAGE032
（5）。
步骤4，第二次注入高频信号，并采样得到高频响应电流，过程如下：
4.1在α、β轴注入电压幅值为
Figure 368066DEST_PATH_IMAGE022
，角速度为
Figure 486588DEST_PATH_IMAGE023
，形式如下的高频信号
Figure 215510DEST_PATH_IMAGE033
（6）
式中
Figure 559903DEST_PATH_IMAGE034
和
Figure 323460DEST_PATH_IMAGE035
为第二次注入的电压信号。
4.2 将公式(6)带入公式(2)，通过采样电路采样得到电机相电流
Figure 95107DEST_PATH_IMAGE043
和
Figure 576904DEST_PATH_IMAGE044
，由三相静止-两相静止坐标变换单元可得到两相静止坐标系下的高频响应电流
Figure 459409DEST_PATH_IMAGE039
和
Figure 77472DEST_PATH_IMAGE040
的表达式为
Figure 20021DEST_PATH_IMAGE038
（7）。
4.3 利用离散傅里叶变换提取响应电流的幅值
Figure 723534DEST_PATH_IMAGE039
和
Figure 426042DEST_PATH_IMAGE040
，而不是提取电流瞬时值，降低了对采样精度的依赖，表达式为
Figure 633033DEST_PATH_IMAGE041
（8）。
步骤5，根据步骤3和步骤4注入的电压信号与响应的电流信号，求得交直轴电感
Figure 12061DEST_PATH_IMAGE012
与
Figure 202871DEST_PATH_IMAGE013
的表达式(9)
Figure 692759DEST_PATH_IMAGE042
（9）
通过该式可以得知辨识结果和转子位置角
Figure 285414DEST_PATH_IMAGE003
无关，因此该方法不依赖于转子位置角
Figure 569765DEST_PATH_IMAGE003
。
上述步骤3和步骤4中注入信号的电压幅值
Figure 982292DEST_PATH_IMAGE022
为被测永磁同步电机额定电压的20%～60%，注入信号的角速度
Figure 275870DEST_PATH_IMAGE023
为被测永磁同步电机额定角速度的4~8倍，注入信号的持续时间为1~4s。
应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种永磁同步电机静止型交直轴电感辨识方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤1，在α和β轴分别注入直流电压
Figure 489920DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 894357DEST_PATH_IMAGE002
，使电机转子位置保持锁定，记此时的转子位置角度为
Figure 618730DEST_PATH_IMAGE003
；
步骤2，建立永磁同步电机在静止状态下的高频谐波方程，过程如下：
2.1 在两相静止坐标系下，永磁同步电机的电压方程用矩阵形式表示如下
Figure 134025DEST_PATH_IMAGE004
（1）
式中
Figure 384878DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 960216DEST_PATH_IMAGE006
为定子电压，
Figure 421153DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure 740139DEST_PATH_IMAGE008
为定子电流，
Figure 579919DEST_PATH_IMAGE009
为定子电阻，
Figure 326158DEST_PATH_IMAGE010
为角速度，
Figure 25124DEST_PATH_IMAGE011
为永磁体磁链，
Figure 147800DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 107666DEST_PATH_IMAGE013
为交直轴电感，
Figure 24807DEST_PATH_IMAGE014
为电感之和，
Figure 463266DEST_PATH_IMAGE015
为电感之差，p为微分运算符；
2.2 当永磁同步电机处于静止状态时有
Figure 124054DEST_PATH_IMAGE016
，同时由于高频注入信号的频率远大于电机基波频率，因此高频下电阻上的电压压降相对于电抗非常小，所以忽略不计，此时永磁同步电机在静止状态下的高频谐波方程简化为
Figure 938426DEST_PATH_IMAGE017
（2）
式中
Figure 292047DEST_PATH_IMAGE018
和
Figure 700026DEST_PATH_IMAGE019
为定子电压的高频分量，
Figure 164505DEST_PATH_IMAGE020
和
Figure 833384DEST_PATH_IMAGE021
为定子电流的高频分量；
步骤3，第一次注入高频信号，并采样得到高频响应电流，过程如下：
3.1 在α、β轴注入电压幅值为
Figure 92327DEST_PATH_IMAGE022
，角速度为
Figure 112236DEST_PATH_IMAGE023
，形式如下的高频信号
Figure 239461DEST_PATH_IMAGE024
（3）
式中
Figure 28425DEST_PATH_IMAGE025
和
Figure 723849DEST_PATH_IMAGE026
为第一次注入的电压信号，t为时间；
3.2 将公式(3)带入公式(2)，得到第一次在两相静止坐标系下产生的高频响应电流
Figure 699895DEST_PATH_IMAGE027
和
Figure 506177DEST_PATH_IMAGE028
的表达式为
Figure 290593DEST_PATH_IMAGE029
（4）
3.3 利用离散傅里叶变换提取响应电流的幅值
Figure 891339DEST_PATH_IMAGE030
和
Figure 885840DEST_PATH_IMAGE031
，表达式为
Figure 230233DEST_PATH_IMAGE032
（5）
步骤4，第二次注入高频信号，并采样得到高频响应电流，过程如下：
4.1 在α、β轴注入电压幅值为
Figure 118424DEST_PATH_IMAGE022
，角速度为
Figure 624492DEST_PATH_IMAGE023
，形式如下的高频信号
Figure 106288DEST_PATH_IMAGE033
（6）
式中
Figure 254373DEST_PATH_IMAGE034
和
Figure 872436DEST_PATH_IMAGE035
为第二次注入的电压信号；
4.2 将公式(6)带入公式(2)，得到第二次在两相静止坐标系下产生的高频响应电流
Figure 955930DEST_PATH_IMAGE036
和
Figure 393864DEST_PATH_IMAGE037
的表达式为
Figure 80061DEST_PATH_IMAGE038
（7）
4.3 利用离散傅里叶变换提取响应电流的幅值
Figure 818210DEST_PATH_IMAGE039
和
Figure 931659DEST_PATH_IMAGE040
，表达式为
Figure 247103DEST_PATH_IMAGE041
（8）
步骤5，根据步骤3和步骤4注入的电压信号与响应的电流信号，求得交直轴电感
Figure 736990DEST_PATH_IMAGE012
与
Figure 64066DEST_PATH_IMAGE013
的表达式为
Figure 613996DEST_PATH_IMAGE042
（9）。
2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机静止型交直轴电感辨识方法，其特征在于：注入信号的电压幅值
Figure 292102DEST_PATH_IMAGE022
为被测永磁同步电机额定电压的20%～60%，注入信号的角速度
Figure 195467DEST_PATH_IMAGE023
为被测永磁同步电机额定角速度的4~8倍，注入信号的持续时间为1~4s。
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