CN114172429B - 一种基于极坐标差分法的永磁同步电机参数辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于极坐标差分法的永磁同步电机参数辨识方法，该方法包括：构建差分后的电机极坐标模型，采集第一状态数据；变换得到永磁磁链辨识方程和定子电阻辨识方程；采集第二状态数据；变换得到d轴电感方程和q轴电感方程；基于遗忘最小二乘法，根据第二训练数据、得到d轴电感和q轴电感；代入差分后的电机极坐标模型，计算d、q轴的电压预测值和真实测量值的误差；根据误差更新数据权重，循环上述步骤直至数据误差小于设定的阈值。通过使用本发明，实现了电机待辨识参数的解耦，有效提高了辨识参数的精度。本发明作为一种基于极坐标差分法的永磁同步电机参数辨识方法，可广泛应用于永磁同步电机领域。

Description

一种基于极坐标差分法的永磁同步电机参数辨识方法

技术领域

本发明属于永磁同步电机领域，尤其是一种基于极坐标差分法的永磁同步电机参数辨识方法。

背景技术

永磁同步电机因其体积小、功率密度大、效率高等优势，在新能源汽车领域应用最为广泛。永磁同步电动机的定子结构与普通的感应电动机的结构非常相似，转子结构与异步电动机的最大不同是在转子上放有高质量的永磁体磁极，在实际运用中要求对永磁同步电机实现精确的控制就需要精确的参数辨识。然而由于外部环境、磁饱和、温度等非线性因素的影响，实现永磁同步电机的参数精确辨识是一件非常困难的事。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于极坐标差分法的永磁同步电机参数辨识方法，实现了电机待辨识参数的解耦，有效地提高了辨识参数的精度。

本发明所采用的第一技术方案是：一种基于极坐标差分法的永磁同步电机参数辨识方法，包括以下步骤：

S1、构建差分后的电机极坐标模型并将数据权重初始化；

S2、在预设条件下，采集第一状态数据和第二状态数据；

S3、根据数据权重对第一状态数据和第二状态数据进行筛选，得到第一训练数据和第二训练数据；

S4、根据差分后的电机极坐标模型变换得到永磁磁链方程、定子电阻方程、d轴电感方程和q轴电感方程；

S5、基于遗忘最小二乘法，根据第一训练数据、永磁磁链辨识方程和定子电阻辨识方程辨识得到永磁磁链和定子电阻；

S6、基于遗忘最小二乘法，根据第二训练数据、d轴电感方程和q轴电感方程辨识得到d轴电感和q轴电感；

S7、将辨识得到的永磁磁链、定子电阻、d轴电感、q轴电感代入原电机极坐标模型，计算d、q轴的电压预测值和真实测量值的误差；

S8、根据误差更新数据权重，循环步骤S3-S7直至误差小于设定的阈值。

进一步，所述在预设条件下，采集第一状态数据和第二状态数据这一步骤，其具体包括：

设定N组转速、每组转速下有M组电流有效值且电流角为0，获取相应的d、q轴电流和电压测量，并对每个状态的测量值求均值，得到多组测量值；

根据数据权重选择对应的测量值组，采集得到第一状态数据；

设定N组转速、每组转速下有M组电流有效值、且每组电流有效值下有K组电流角的条件下，得到相应的d、q轴电流和电压测量并对测量值求均值；

根据数据权重选择对应的测量值组，采集第二状态数据。

进一步，所述差分后的电机极坐标模型公式表示如下：

式中的γ表示电流角，I_s表示电流的有效值，U_d、U_q表示定子电压d(q)轴分量的均值，λ表示永磁体磁链，R_S表示定子电阻，ω表示电角速度，L_d(q)表示d(q)轴电感，V_dead是逆变器的死区电压，D_D、D_Q分别为死区电压在d、q方向的系数。

进一步，所述关于永磁磁链的方程公式表示如下：

式中的表示在电角速度为W_n，电流表示I_m时获得的q轴电压测量，且n＝1,…,N，m＝1,…,M。λ表示永磁体磁链。

进一步，所述关于定子电阻的方程公式表示如下：

式中的表示在电角速度为W_n、电流为I_m时获得的q轴电压测量值，且n＝1,…,N,m＝1,…,M。R_S表示定子电阻。

进一步，所述关于d轴电感方程公式表示如下：

式中的L_q0、α₁、α₂…α₅分别表示d轴电感用多项式近似时，各项的系数，γ表示电流角，I_s表示电流的有效值。

进一步，所述q轴电感方程公式表示如下：

式中的L_q0、β₁、β₂…β₅分别表示q轴电感用多项式近似时，各项的系数，γ表示电流角，I_s表示电流的有效值。

本发明方法及系统的有益效果是：提出了基于极坐标差分法的永磁同步电机模型，实现了电机待辨识参数的解耦，有效地提高了辨识参数的精度，另外，该辨识方法消去了逆变器的影响，有效提高了辨识参数的精度。

附图说明

图1是本发明一种基于极坐标差分法的永磁同步电机参数辨识方法的步骤流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

参照图1，本发明提供了一种基于极坐标差分法的永磁同步电机参数辨识方法，该方法包括以下步骤：

S1：构建差分后的电机极坐标模型并将数据权重初始化；

具体地，初始时设置所有数据的数据权重为1；由于辨识的参数具有强耦合关系，所以传统的参数辨识方法的精确度不高，针对参数间的强耦合关系，本发明提出了一种基于差分极坐标的电机模型，有效的消除了参数的耦合。

构建差分后的电机极坐标模型：为式(1)

式中的γ表示电流角，I_s表示电流的有效值，U_d、U_q表示定子电压d(q)轴分量的均值，λ表示永磁体磁链，R_S表示定子电阻，ω表示电角速度，L_d(q)表示d(q)轴电感，V_dead是逆变器的死区电压，D_D、D_Q分别为死区电压在d、q方向的系数。

S2：在预设条件下，采集第一状态数据和第二状态数据；

S2.1：设定N组转速、每组转速下有M组电流有效值且电流角为0，获取相应的d、q轴电流和电压测量，并对每个状态的测量值求均值，得到多组测量值；

S2.2：根据数据权重选择对应的测量值组，采集得到第一状态数据；

具体地，第一状态的q轴电压数据满足如下矩阵：

式中ω的取值为ω₁，w₂，…，w_n(有N个状态)，每个w_n下的I_s的取值为I₁，I₂，…，I_M(有M个状态)，表示在电角速度为W_n、电流为I_m时获得的q轴电压测量值，且n＝1,…,N,m＝1,…,M。

其中的误差计算公式为：

式中的e表示估计电压和真实测量电压的误差，U_d(pre)、U_q(pre)分别表示d、q轴的预测值，U_d(true)、U_q(true)分别表示d、q轴的真实值。

设第i组数据的数据权重为k_i，如果误差小于阈值，则k_i＝k_i+1，如果误差大于阈值，则k_i＝k_i-1。

S2.3：设定N组转速、每组转速下有M组电流有效值、且每组电流有效值下有K组电流角的条件下，得到相应的d轴电流、q轴电流和电压测量并对测量值求均值；

S2.4：根据数据权重选择对应的测量值组，采集第二状态数据。

具体地，第二状态的d轴电压数据满足如下矩阵：

式中电角速度ω的各值为ω₁，ω₂，…，w_n(有N个状态)，每个ω下的电流有效值I_s的各值为I₁，I₂，…，I_M(有M个状态)，每个ω下的电流角γ的各值为γ₁，γ₂，…，γ_K(有K种状态)。表示为在电角速度ω_n下，电流角γ为γ_k状态，定子电流I为I_m时，d轴电压的测量值。L_q(km)表示在I_s＝I_m，γ＝γ_k时，q轴电感的大小。且n＝1,…,N,m＝1,…,M，k＝1,…,K。

S3：根据数据权重对第一状态数据和第二状态数据进行筛选，得到第一训练数据和第二训练数据；

具体地，根据数据权重，对第一状态数据复制误差较小的数据，减少误差较大的数据；根据数据权重，对第二状态数据复制误差较小的数据，减少误差较大的数据。

S4：根据差分后的电机极坐标模型变换得到永磁磁链方程、定子电阻方程、d轴电感方程和q轴电感方程；

具体地，对于U_q电压方程，设电流角γ为0，ω的取值为ω₁，ω₂，…，w_n(有N个状态)，每个w_n下的I_s的取值为I₁，I₂，…，I_M(有M个状态)。则可以得方程组(2)：

在同一电流有效值I_s下差分后消去定子电阻和逆变器的影响，并且合并等式右端相同项，得到只关于永磁磁链的方程(3)。

式中的表示在电角速度为ω_n，电流为I_m时获得的q轴电压测量。

参考方程组(2)，在同一转速下差分后消去永磁磁链和逆变器的影响，并且合并等式右端相同项，得到只关于定子电阻的方程(4)：

式中的表示在电角速度为ω_n，电流为I_m时获得的q轴电压测量值，且n＝1,…,N,m＝1,…,M。R_S表示定子电阻。

具体地，根据式(1)，设电流角γ为0，ω的取值为ω₁，ω₂，…，w_n(有N个状态)，每个w_n下的I_s的取值为I₁，I₂，…，I_M(有M个状态)。可以得到方程组(5)：

式中表示为在电角速度ω_n下，电流角γ为γ_k状态，定子电流I为I_m时，U_d的值。L_q(km)表示在I_s＝I_m，γ＝γ_k时，q轴电感的大小。且n＝1,…,N,m＝1,…,M，k＝1,…,K。

在同一个定子电流I_m，同一电流角γ_k下，根据方程(5)差分后可以推导出：

根据公式(1)，设ω的各值为ω₁，ω₂，…，w_n有N个状态)，每个ω下的I_s的各值为I₁，I₂，…，I_M(有M个状态)，每个ω下的γ的各值为γ₁，γ₂，…，γ_K(有K种状态)，且满足ω_t+1-ω_t＝ω_t+2-ω_t+1＝A，t∈[1,N-2]。则可以推导出方程组：

其中表示为在电角速度ω_n下，电流角γ为γ_k状态，定子电流I为I_m时，左端的已知量。L_d(km)表示在I_s＝I_m，γ＝γ_k时，d轴电感的大小。且n＝1,…,N,m＝1,…,M，k＝1,…,K。

在同一个定子电流I_m，同一电流角γ_k下，根据方程(8)差分后可以推导出：

由于ω_n是个等差数列，因此可以得到：

具体地，所述d轴电感方程的公式表示如下：

式中的L_q0、α₁、α₂…α₅分别表示d轴电感用多项式近似时，各项的系数，γ表示电流角，I_s表示电流的有效值。

具体地，所述q轴电感方程的公式表示如下：

式中的L_q0、β₁、β₂…β₅分别表示q轴电感用多项式近似时，各项的系数，γ表示电流角，I_s表示电流的有效值。

S5：基于遗忘最小二乘法，根据第一训练数据、永磁磁链辨识方程和定子电阻辨识方程辨识得到永磁磁链和定子电阻；

S6：基于遗忘最小二乘法，根据第二训练数据、d轴电感方程和q轴电感方程辨识得到d轴电感和q轴电感；

S7：将辨识得到的永磁磁链、定子电阻、d轴电感、q轴电感代入原电机极坐标模型，计算d、q轴的电压预测值和真实测量值的误差；

具体地，所述原电机极坐标模型的公式表示如下：

式中的γ表示电流角，I_s表示电流的有效值，U_d、U_q表示定子电压d(q)轴分量的均值，λ表示永磁体磁链，R_S表示定子电阻，ω表示电角速度，L_d(q)表示d(q)轴电感，V_dead是逆变器的死区电压，D_D、D_Q分别为死区电压在d、q方向的系数。

估计电压的极坐标模型方程如下：

式中的γ表示电流角，I_s表示电流的有效值，U_d,r、U_q,r表示定子电压d(q)轴分量的预测值，λ_r表示估计的永磁体磁链，R_s,r表示估计的定子电阻，ω表示电角速度，L_d,r(q,r)表示估计的d(q)轴电感。

S8：根据误差更新数据权重，循环步骤S3-S7直至误差小于设定的阈值。

具体地，由于没有辨识死去电压V_dead。d、q轴电压预测值和真实值的误差的阈值可以适当设高一点。

Claims (6)

1.一种基于极坐标差分法的永磁同步电机参数辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、构建差分后的电机极坐标模型并将数据权重初始化；

S2、在预设条件下，采集第一状态数据和第二状态数据；

S3、根据数据权重对第一状态数据和第二状态数据进行筛选，得到第一训练数据和第二训练数据；

S4、根据差分后的电机极坐标模型变换得到永磁磁链方程、定子电阻方程、d轴电感方程和q轴电感方程；

S5、基于遗忘最小二乘法，根据第一训练数据、永磁磁链方程和定子电阻方程辨识得到永磁磁链和定子电阻；

S6、基于遗忘最小二乘法，根据第二训练数据、d轴电感方程和q轴电感方程辨识得到d轴电感和q轴电感；

S7、将辨识得到的永磁磁链、定子电阻、d轴电感、q轴电感代入原电机极坐标模型，计算d、q轴的电压预测值和真实测量值的误差；

S8、根据误差更新数据权重，循环步骤S3-S7直至误差小于设定的阈值；

所述差分后的电机极坐标模型公式表示如下：

式中的γ表示电流角，I_s表示电流的有效值，U_d、U_q表示定子电压d、q轴分量的均值，λ表示永磁体磁链，R_S表示定子电阻，ω表示电角速度，L_d、L_q表示d、q轴电感，V_dead是逆变器的死区电压，D_D、D_Q分别为死区电压在d、q方向的系数。

2.根据权利要求1所述的一种基于极坐标差分法的永磁同步电机参数辨识方法，其特征在于，所述在预设条件下，采集第一状态数据和第二状态数据这一步骤，其具体包括：

设定N组转速、每组转速下有M组电流有效值且电流角为0，获取相应的d、q轴电流和电压测量，并对每个状态的测量值求均值，得到多组测量值；

根据数据权重选择对应的测量值组，采集得到第一状态数据；

设定N组转速、每组转速下有M组电流有效值、且每组电流有效值下有K组电流角的条件下，得到相应的d轴电流、q轴电流和电压测量并对测量值求均值；

根据数据权重选择对应的测量值组，采集第二状态数据。

3.根据权利要求2所述的一种基于极坐标差分法的永磁同步电机参数辨识方法，其特征在于，所述永磁磁链方程的公式表示如下：

式中的表示在电角速度为ω_n、电流为I_m时获得的q轴电压测量值，且n＝1,…,N，m＝1,…,M；λ表示永磁体磁链。

4.根据权利要求3所述的一种基于极坐标差分法的永磁同步电机参数辨识方法，其特征在于，所述定子电阻方程的公式表示如下：

式中的表示在电角速度为ω_n、电流为I_m时获得的q轴电压测量值，且n＝1,…,N,m＝1,…,M；R_S表示定子电阻。

5.根据权利要求4所述的一种基于极坐标差分法的永磁同步电机参数辨识方法，其特征在于，所述d轴电感方程的公式表示如下：

式中的L_d0、α₁、α₂…α₅分别表示d轴电感用多项式近似时，各项的系数，γ表示电流角，I_s表示电流的有效值，I_d、I_q表示d、q轴电流。

6.根据权利要求5所述的一种基于极坐标差分法的永磁同步电机参数辨识方法，其特征在于，所述q轴电感方程的公式表示如下：

式中的L_q0、β₁、β₂…β₅分别表示q轴电感用多项式近似时，各项的系数，γ表示电流角，I_s表示电流的有效值。