CN114499323A - 基于考虑相电阻的高频电压注入法的电机参数辨识方法 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本发明涉及永磁同步电机领域,尤其是一种基于考虑相电阻的高频电压注入法的电机参数辨识方法。
背景技术
永磁同步电机以其功率密度大、效率高、噪音小、转速调节范围宽等特点,被广泛用于两轮电动自行车、高速电动摩托车及电动汽车上。在永磁同步电机驱动器软件开发过程中,准确辨识出电机参数至关重要,需要准确辨识出的电机参数主要包括:
1、转子磁极初始位置,其重要性表现在如几方面:(1)只有在电机启动之前准确获得磁极初始位置,才能在启动及加速过程中输出最大扭矩,从而挖掘出电机爬坡及加速的最大能力。(2)在高速电动摩托车及电动汽车上使用的一般都是内插式永磁同步电机(IPM),对于这类电机,为了在低速恒扭矩区输出最大扭矩,并在高速恒功率区获得快速的弱磁电流响应,需要在台架上提前对电机进行标定。如果后期在批量生产过程中电机的磁极初始位置不准确,则恒扭矩区输出扭矩达不到标定时的值,恒功率区输出不了标定的最大功率,全转速范围内电机效率将显著下降。更为严重的是可能导致运行失控,如松油门转速会继续上升,踩刹车停不下来等情况,从而酿成交通事故。
采用高频电压注入法来辨识出上述电机参数是目前常用的方法,但是传统的高频电压注入法为了简化数学模型,忽略了定子相电阻,但是这样会导致两个不利的结果:一是电机动态方程中不含有定子相电阻项,所以不能在没有其它方法辅助条件下直接辨识出定子相电阻。二是由于忽略引起的有功功率,即认为功率因素角为度,所以在辨识出的磁极初始位置里就会含有误差项,为角频率,为电机电感,从而在一定程度上影响磁极初始位置辨识的精度。这种影响会引起实际轴电流参考值与标定数据之间的偏差,这种偏差对高速恒功率区运行时的性能影响尤为明显,通常认为要想保证永磁同步电机全速度范围内的高效率运行,电机磁极初始位置辨识电角度误差不能超过。因此目前的高频电压注入法所实现的电机参数辨识的精确度不够,从而影响了整个电机的性能。
发明内容
本发明人针对上述问题及技术需求,提出了一种基于考虑相电阻的高频电压注入法的电机参数辨识方法,本发明的技术方案如下:
一种基于考虑相电阻的高频电压注入法的电机参数辨识方法,该方法包括:
在转子估算旋转坐标系中给永磁同步电机注入第一高频正弦电压,其中给轴施加电压为、给轴施加电压为0;转子估算旋转坐标系的坐标原点与定子两相静止坐标系的坐标原点重合,转子估算旋转坐标系的轴与轴相互垂直;表示跟踪角度且为轴与定子两相静止坐标系中的轴之间的夹角,定子两相静止坐标系中的轴与永磁同步电机的A相轴线重合,为角频率,为电压幅值,表示时间,为虚数单位;
基于永磁同步电机的包括定子相电阻的电机动态模型、利用PI控制器对设计角度闭环跟踪系统,基于角度闭环跟踪系统达到稳定状态时的跟踪角度辨识得到磁极初始位置估算角,在角度闭环跟踪系统达到稳定状态时利用和辨识得到定子相电阻估算值和直轴电感估算值,其中函数表示一阶低通滤波算法;
基于的表达式设计角度闭环跟踪系统为:将PI控制器输出的跟踪角度依次经过和表示为的一阶低通滤波算法,将参考值0与的输出的差值作为PI控制器的输入;其中滤波常数,是滤波截止频率且,是角度跟踪精度,是第一高频正弦电压的频率且有,是直轴电感,是交轴电感,是定子相电阻,是磁极初始位置实际角,其中PI控制器的控制律为且积分系数,为平面参数,为表示设计裕量的系数。
其进一步的技术方案为,该方法还包括:
基于简化后的表达式对角度闭环跟踪系统进行简化,得到简化后的角度闭环跟踪系统为:将PI控制器输出的跟踪角度与干扰项的输出的差值经过被控对象,将角度0与被控对象的输出的差值作为PI控制器的输入,被控对象包括依次经过的和,磁极初始位置实际角经过作为干扰项的输出;
其进一步的技术方案为,基于简化后的角度闭环跟踪系统进行PI控制器的参数整定,包括:
结合第一高频正弦电压注入时电机转速的特征,将永磁同步电机在转子实际旋转坐标系中的包括定子相电阻的电机动态模型简化为,表示轴电压,表示轴电压,表示轴电流,表示轴电流,表示转子永磁体产生的链过定子的磁链,转子实际旋转坐标系的坐标原点与转子估算旋转坐标系的坐标原点以及定子两相静止坐标系的坐标原点均重合,转子实际旋转坐标系的轴与轴相互垂直;
当确定角度闭环跟踪系统达到稳定状态时,向和方向分别注入相同的电压矢量,经过相同的时间间隔后分别采集响应电流矢量,若方向的响应电流矢量的幅值小于方向的响应电流矢量的幅值,则确定磁极初始位置估算角,否则确定磁极初始位置估算角。
其进一步的技术方案为,该方法还包括:
在角度闭环跟踪系统运行过程中,计算最近历史时长内PI控制器输出的所有跟踪角度的最大值与最小值的角度差值,当角度差值时确定角度闭环跟踪系统达到稳定状态,并将历史时长内PI控制器输出的所有跟踪角度的均值作为角度闭环跟踪系统达到稳定状态时的跟踪角度,是角度跟踪精度。
其进一步的技术方案为,该方法还包括:
本发明的有益技术效果是:
本申请公开了一种基于考虑相电阻的高频电压注入法的电机参数辨识方法,该方法在进行电机参数辨识时,保留了电机动态模型中的定子相电阻这一项,通过向永磁同步电机中注入高频正弦电压,然后采集电机实时相电流,经过坐标变换、数学计算以及一阶低通滤波滤除信号中的高频成分得到用于辨识的电流信号、和,然后利用闭环跟踪的方式,最终可以准确辨识出磁极初始位置、定子相电阻、直轴电感和交轴电感,辨识准确度和精度高。
附图说明
图1是本申请的电机参数辨识方法中涉及到的不同坐标系之间的关系示意图。
图2是一个实施例中的离散参数辨识方法的信息流向示意图。
图3是一个实施例中设计的角度闭环跟踪系统的控制框图。
图4是对图3简化后的角度闭环跟踪系统的控制框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
本申请公开了一种基于考虑相电阻的高频电压注入法的电机参数辨识方法,辨识的电机参数包括磁极初始位置、定子相电阻、直轴电感和交轴电感,该辨识方法中涉及到的多个坐标系如图1所示。其中,定子两相静止坐标系、转子实际旋转坐标系和转子估算旋转坐标系的坐标原点均重合。定子两相静止坐标系包括与永磁同步电机的A相轴线重合的轴,以及与轴垂直的轴。转子实际旋转坐标系包括轴及其垂直的轴,轴与坐标系的轴之间的夹角即为磁极初始位置实际角,该角度是未知的。转子估算旋转坐标系包括轴及其垂直的轴,轴与坐标系中的轴之间的夹角为跟踪角度,本申请的核心是利用坐标系相对于坐标系形成的跟踪角度来逼近确定电机参数。本申请包括如下步骤,请参考图2所示的信息流向图:
步骤210,在转子估算旋转坐标系中给永磁同步电机注入第一高频正弦电压,其中给轴施加电压为、给轴施加电压为0。为图1中的跟踪角度,为角频率,为电压幅值,表示时间,为虚数单位。在实际应用中,可以取第一高频正弦电压的频率,则角频率。在一个实施例中,电压幅值的选取方法为:输出电压占空比从0.1开始每次递增0.05,直到相电流达到电机额定相电流的10%。
通过上述分析,已经由永磁同步电机的包括定子相电阻的电机动态模型,得到了可以用于辨识电机参数的电流信号、、,函数表示一阶低通滤波算法。然后基于上述式(10)的的表达式设计角度闭环跟踪系统,请结合图3,角度闭环跟踪系统中,将PI控制器输出的跟踪角度依次经过和表示为的一阶低通滤波算法,将角度0与的输出的差值作为PI控制器的输入。
其中,一阶低通滤波算法需要滤除的角频率为的高频成分(频率为),因此设定中的滤波常数,是滤波截止频率。滤波截止频率,如上所述是第一高频正弦电压的频率且有,是角度跟踪精度,比如角度跟踪精度时,则有滤波常数,因此只要确定了第一高频正弦电压的频率,就能计算得到滤波常数。
在设计了图3所示的角度闭环跟踪系统后,还需要进行PI控制器的参数整定,为了保证闭环跟踪的过程中不出现振荡,本申请将PI控制器的控制律简化为积分控制率,也即设定PI控制器的控制律为,为积分系数,为平面参数,在进行参数整定的过程中,实际就是需要确定积分系数。
在一个实施例中,对PI控制器的参数整定过程如下:
由此,基于式(14),对图3所示的角度闭环跟踪系统简化为如图4所示的简化后的角度闭环跟踪系统,在简化后的角度闭环跟踪系统中,将PI控制器输出的跟踪角度与干扰项的输出的差值经过被控对象,将角度0与被控对象的输出的差值作为PI控制器的输入,被控对象包括依次经过的和,磁极初始位置实际角经过作为干扰项的输出。包含的部分可看作是闭环反馈系统的干扰项,在进行PI参数整定时可以略去。
通过上述推演和分析,已经基于式(4)的电机动态模型对设计了如图2所示的角度闭环跟踪系统,且确定PI控制器的积分系数的确定方式。则在注入第一高频正弦电压并采集和,且按照式(3)进行变换得到和后,可以依据式(10)、(11)和(12)对和进行数学变换并进行一阶低通滤波得到、和,然后根据预先设定的就可以依据式(20)计算得到PI控制器的积分系数,得到一个参数确定、结构如图2所示的角度闭环跟踪系统,然后可以利用该角度闭环跟踪系统进行角度闭环跟踪,直至达到稳定状态。
在角度闭环跟踪系统运行过程中,计算最近历史时长内PI控制器输出的所有跟踪角度的最大值与最小值的角度差值,当角度差值时确定角度闭环跟踪系统达到稳定状态。这里的同样是预先设定的角度跟踪精度,比如在时,当也即时,确定角度闭环跟踪系统达到稳定状态。
可以将PI控制器此时输出的跟踪角度直接作为角度闭环跟踪系统达到稳定状态时的跟踪角度,或者在另一个实施例中,将历史时长内PI控制器输出的所有跟踪角度的均值作为角度闭环跟踪系统达到稳定状态时的跟踪角度,以进一步提高准确度。
由式(10)中的项可知,当角度闭环跟踪系统达到稳定状态时有 (直轴轴的正方向)或者 (直轴轴的负方向)两种情况,为了区分这两种情况,本申请的做法是:利用直轴轴的磁路饱和效应,当确定角度闭环跟踪系统达到稳定状态时,向和方向分别注入相同的电压矢量,这里的电压矢量的电压幅值也取为。经过相同的时间间隔后分别采集响应电流矢量,若方向的响应电流矢量的幅值小于方向的响应电流矢量的幅值,则确定磁极初始位置估算角,否则确定磁极初始位置估算角,由此辨识得到磁极初始位置估算角。
步骤250,在角度闭环跟踪系统达到稳定状态时,利用和辨识得到定子相电阻估算值和直轴电感估算值。如上述分析,基于式(4)的电机动态模型可以得到和的表达式如上述式(11)和(12)。当角度闭环跟踪系统达到稳定状态时,则可以对式(11)和(12)简化为与直轴电感和定子相电阻相关的如下关系式:
步骤260,根据步骤240辨识得到的磁极初始位置估算角,在方向给永磁同步电机注入第二高频正弦电压,这里的、、、与第一高频正弦电压中的定义相同。基于采集到的永磁同步电机的A相第二实时电流和B第二相实时电流辨识得到交轴电感估算值。
与上述步骤210、220和230类似的,在注入第二高频正弦电压后,同样采集此时的永磁同步电机的A相第二实时电流和B相第二实时电流,然后基于式(3)相同的转换方法转换到坐标系中,则转换得到的与相关的轴二次估算电流。
基于永磁同步电机的包括定子相电阻的电机动态模型,按照如上述式(11)和(12)相同的方法对进行数学变换和一阶低通滤波算法滤除其中的高频成分后,并结合当前的情况进行整理,可以得到和与交轴电感和定子相电阻的关系为:
以上所述的仅是本申请的优选实施方式,本发明不限于以上实施例。可以理解,本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化,均应认为包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于考虑相电阻的高频电压注入法的电机参数辨识方法,其特征在于,所述方法包括:
在转子估算旋转坐标系中给永磁同步电机注入第一高频正弦电压,其中给轴施加电压为、给轴施加电压为0;所述转子估算旋转坐标系的坐标原点与定子两相静止坐标系的坐标原点重合,所述转子估算旋转坐标系的轴与轴相互垂直;表示跟踪角度且为轴与所述定子两相静止坐标系中的轴之间的夹角,所述定子两相静止坐标系中的轴与所述永磁同步电机的A相轴线重合,为角频率,为电压幅值,表示时间,为虚数单位;
基于所述永磁同步电机的包括定子相电阻的电机动态模型、利用PI控制器对设计角度闭环跟踪系统,基于所述角度闭环跟踪系统达到稳定状态时的跟踪角度辨识得到磁极初始位置估算角,在所述角度闭环跟踪系统达到稳定状态时利用和辨识得到定子相电阻估算值和直轴电感估算值,其中函数表示一阶低通滤波算法;
结合所述第一高频正弦电压注入时电机转速的特征,将所述永磁同步电机在转子实际旋转坐标系中的包括定子相电阻的电机动态模型简化为,表示轴电压,表示轴电压,表示轴电流,表示轴电流,表示转子永磁体产生的链过定子的磁链,所述转子实际旋转坐标系的坐标原点与所述转子估算旋转坐标系的坐标原点以及所述定子两相静止坐标系的坐标原点均重合,所述转子实际旋转坐标系的轴与轴相互垂直;
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