CN114696676A - 基于脉冲电压法的离线参数辨识方法 - Google Patents

基于脉冲电压法的离线参数辨识方法 Download PDF

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高亚男
岳金磊
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Abstract

本发明公开了一种基于脉冲电压法的离线参数辨识方法，方法包括(Ⅰ)定子电阻辨识；(Ⅱ)直轴电感辨识；(Ⅲ)交轴电感辨识等步骤。本发明能够有效的辨识出电机的定子电阻、直轴电感、交轴电感值，同厂家提供的参数值相比具有较高的准确度。

Description

基于脉冲电压法的离线参数辨识方法
技术领域
本发明属于交流永磁同步电机控制领域，具体涉及一种基于脉冲电压法的离线参数辨识方法。
背景技术
永磁同步电机具有能量密度高、寿命长、易于维护等优点，在工业控制、能源交通等领域获得了广泛的应用。永磁同步电机控制系统的设计通常需要精确的电机参数值，包括定子电阻、交/直轴电感值等，特别是在采用无传感器控制方式时，电机的控制效果更加依赖于电机参数的准确度，不过控制中所需要的电机参数通常不能直接从电机的铭牌上获取，因此非常有必要进行电机的参数辨识。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中存在的缺点而提出的，其目的是提供一种基于脉冲电压法的离线参数辨识方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于脉冲电压法的离线参数辨识方法，包括以下步骤：
(Ⅰ)定子电阻辨识
首先进行电机转子位置调零，再分别向电机注入不同占空比的高频电压，采集电机电流并计算电阻值，将计算值累加后求平均得到定子电阻的辨识值；
(Ⅱ)直轴电感辨识
完成电阻辨识后，向电机注入给定的脉冲信号ud，测量电流id的值，计算电流id达到稳态值0.632倍时的时间，计算出直轴电感值，再将计算值多次累加求平均后得到直轴电感辨识值；
(Ⅲ)交轴电感辨识
完成直轴电感辨识后，将转子定位到90度的位置，然后向电机注入给定的脉冲信号uq，测量电流iq的值，计算电流iq达到稳态值0.632倍时的时间，计算出交轴电感值，再将计算值多次累加后求平均得到交轴电感辨识值。
在上述技术方案中，所述步骤(Ⅰ)定子电阻辨识中电机转子位置调零的方法为：给电机定子绕组通以一个足够大的零度电压矢量，使转子定位到零点，完成转子的预定位。
在上述技术方案中，所述零度电压矢量为额定电压的10％～30％。
在上述技术方案中，所述电阻值的计算公式为：
Figure BDA0002864747900000021
式中：d1、d2为两次不同的占空比，I1、I2为两次不同的占空比d1、d2，测量的两次电流。
在上述技术方案中，所述直轴电感值的计算公式为：Ld＝τ*R。
在上述技术方案中，所述将转子定位到90度的位置的方法为：给电机定子绕组通以一个足够大的的零度电压矢量将转子定位到0度的位置，再电机交轴通入90度的uq电压脉冲信号，将转子定位到90度位置。
在上述技术方案中，所述转子定位到90度的位置后将电机转子轴固定。
一种基于脉冲电压法的离线参数辨识方法的永磁同步电机控制方法，包括以下步骤：
(Ⅰ)执行脉冲电压离线参数辨识方法完成电机参数辨识；
(Ⅱ)启动切换控制
完成参数辨识后，根据采样值进行矢量坐标变换，电机启动，切换控制方式；
(Ⅲ)转速电流控制
根据电机的转速、电流反馈值完成速度环、电流环的PI控制调节，进行park逆变换，计算电压参考值；
(Ⅳ)空间矢量算法
根据转速电流调节输出的电压参考值，执行空间矢量算法，计算占空比并输出PWM信号，控制三相逆变桥驱动电机运行。
本发明的有益效果是：
本发明提供了一种基于脉冲电压法的离线参数辨识方法，能够有效的辨识出电机的定子电阻、直轴电感、交轴电感值，同厂家提供的参数值相比具有较高的准确度。
附图说明
图1是三相逆变器电路图；
图2是调零后逆变器等效电路图；
图3是应用本发明基于脉冲电压法的离线参数辨识方法的永磁同步电机控制方法主流程图；
图4是本发明基于脉冲电压法的离线参数辨识方法的永磁同步电机控制方法子流程图。
对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明技术方案，下面结合说明书附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明基于脉冲电压法的离线参数辨识方法的技术方案。
实施例1
离线辨识是指电机运行前的参数识别，由于永磁同步电机的运行控制主要需要定子电阻、交轴电感、直轴电感等参数，因此本发明根据永磁同步电机的数学模型，采用脉冲电压法对上述电机参数进行离线辨识。
一种基于脉冲电压法的离线参数辨识方法，包括以下步骤：
(Ⅰ)定子电阻辨识
首先进行电机转子位置调零，再分别向电机注入不同占空比的高频电压，采集电机电流并计算电阻值，将计算值累加后求平均得到定子电阻的辨识值，具体步骤为：
永磁同步电机控制系统中的逆变器电路图如图1所示。
电机的定子电阻主要由直流伏安法进行测量，具体过程如下：
①转子位置调零
首先给电机定子绕组通以一个足够大的零度电压矢量，使转子定位到零点，即转子的机械零点与逆变器的电气零点重合，完成转子的预定位，此时逆变器的等效电路如图2所示。
②直流电压注入
完成转子初始调零后，通过逆变器注入直流电压，由于直流信号在定子侧不会产生旋转磁场，因而电机转子不会转动，只要测量电流反馈值便可计算电阻值，由图2的等效电路图可以得出：
Figure BDA0002864747900000041
由于逆变器无法给定一个恒定直流源，实际采用逆变器输入高频电压信号，保持固定的占空比，即可得到等效的直流电压。
此外由于逆变器存在死区时间、开关管压降以及采样误差等影响，导致测量的电阻误差很大，因此必须需克服这些因素带来的误差。本专利采用分别给定两次不同的占空比d1、d2，测量两次电流I1、I2，以消除开关管压降带来的测量误差，同时计算占空比时减去逆变器死区时间，并通过滤波和多次采样求平均值的方法减小电流采样误差的影响，以提高测量精度，得到的电阻计算公式如下：
Figure BDA0002864747900000051
根据上式多次计算电阻值并求平均值后得到最终的电阻辨识值。
(Ⅱ)直轴电感辨识
完成电阻辨识后，向电机注入给定的脉冲信号ud，测量电流id的值，计算电流id达到稳态值0.632倍时的时间，计算出直轴电感值，再将计算值多次累加求平均后得到直轴电感辨识值，具体步骤为：
d-q旋转坐标系下永磁同步电机数学模型为：
Figure BDA0002864747900000052
Figure BDA0002864747900000053
式中id,iq----定子直轴、交轴电流；
Ld,Lq----定子直轴、交轴电感；
ψf----转子磁链；
ω----电气角速度；
若保持电机转子静止不动，此时ω为零，式(3)可以简化为：
Figure BDA0002864747900000054
根据惯性环节的阶跃响应特性可知，若给定ud阶跃信号，便可得到电流id的电流响应：
Figure BDA0002864747900000055
当
Figure BDA0002864747900000056
时，即一个时间常数τ的时间，此时：
Figure BDA0002864747900000057
测取电流id达到稳态值0.632倍时的时间，便可得到直轴电感值：
Ld＝τ*R (8)
测量直轴电感的具体过程如下：
由于电机电阻辨识的过程中转子未转动，因此无需再次调零，直接给电机一固定的脉冲信号ud，测量电流id的值，计算电流id达到稳态值0.632倍时的时间，再根据式(8)计算出直轴电感的值，为提高测量精度，需多次计算求平均值便可得到直轴电感辨识值。
(Ⅲ)交轴电感辨识
完成直轴电感辨识后，将转子定位到90度的位置，然后向电机注入给定的脉冲信号uq，测量电流iq的值，计算电流iq达到稳态值0.632倍时的时间，计算出交轴电感值，再将计算值多次累加后求平均得到交轴电感辨识值，具体步骤为：
同理采用与直轴电感辨识相同的方法对交轴电感辨识进行辨识，具体过程如下：
①转子位置0度定位
进行交轴电感辨识时，同样给电机定子绕组通以一个足够大的的0度电压矢量便可完成转子定位应将转子定位到0度的位置，。
②脉冲电压注入
完成定位后，向电机交轴通入90度的uq电压脉冲信号，由于uq电压产生电磁转矩可能会引起转子转动，导致电流测量不精确，为保证测量精度，需将电机转子轴固定，防止辨识过程中发生转动。转子固定完成后，给定脉冲信号uq，测量电流iq的值，计算电流iq达到稳态值0.632倍时的时间，并多次计算电感值求平均后便可得到交轴电感辨识值。
实施例2
如图3、4所示，一种应用脉冲电压离线参数辨识算法的永磁同步电机控制方法，控制方法采用C语言编写在DSP控制板中运行，图3为主程序流程图，图4为定时器中断子程序流程图，定时器中断子程序在主程序中执行，主要完成脉冲电压离线参数辨识、转速电流双环矢量控制等算法，具体流程如下：
主程序具体流程如下：
(Ⅰ)开始
程序开始，从主程序入口，S1；
(Ⅱ)初始化
进行DSP的初始化，完成DSP外设时钟、看门狗、IO口(输入输出)以及中断向量表的初始化工作，S2；
(Ⅲ)配置寄存器
配置定时器、PWM寄存器、SCI寄存器以及中断寄存器，并使能相关中断功能，S3；
(Ⅳ)初始化软件参数
初始化定时器、PWM占空比、延时时间、RS232通讯软件等相关参数，S4；
(Ⅴ)循环等待
进入主循环，等待定时器中断发生，S5；
(Ⅵ)执行中断程序并返回
执行定时器中断子程序，完成后返回主程序，循环等待，S6。
定时器中断子程序具体流程如下：
(Ⅰ)中断开始
发生定时中断，进入定时器中断程序，S7；
(Ⅱ)是否完成参数辨识
判断是否完成电机参数辨识，若完成，直接执行转速电流双闭环矢量控制算法，否则执行脉冲电压离线参数辨识算法，S8；
(Ⅲ)定子电阻辨识
执行脉冲电压辨识算法，首先进行电机转子位置调零，再分别向电机注入不同占空比的高频电压，采集电机电流并计算电阻值，将计算值累加后求平均得到定子电阻的辨识值，S9；
(Ⅳ)直轴电感辨识
完成电阻辨识后，向电机注入给定的脉冲信号ud，测量电流id的值，计算电流id达到稳态值0.632倍时的时间，计算出直轴电感值，再将计算值多次累加求平均后得到直轴电感辨识值，S10；
(Ⅴ)交轴电感辨识
完成直轴电感辨识后，将转子定位到90度的位置，然后向电机注入给定的脉冲信号uq，测量电流iq的值，计算电流iq达到稳态值0.632倍时的时间，计算出交轴电感值，再将计算值多次累加后求平均得到交轴电感辨识值，S11；
(Ⅵ)启动切换控制
完成参数辨识后，根据采样值进行矢量坐标变换，执行电机启动程序，并判断是否完成控制方式切换，若已完成切换，则直接进行速度电流控制，否则执行切换程序，S12；
(Ⅶ)转速电流控制
根据电机的转速、电流反馈值完成速度环、电流环的PI控制调节，进行park逆变换，计算电压参考值，S13；
(Ⅷ)空间矢量算法
根据转速电流调节输出的电压参考值，执行空间矢量算法，计算占空比并输出PWM信号，控制三相逆变桥驱动电机运行，S14；
(Ⅸ)中断完成返回主程序
完成电机的离线参数辨识和转速电流双环控制，中断完成返回主程序，S15。
本发明利用DSP28335控制板进行软件编程，采用C语言完成了脉冲电压离线参数辨识算法的编写，并进行了电机参数辨识试验，试验结果表明应用该算法的永磁同步电机控制系统能够有效的辨识出电机的定子电阻、直轴电感、交轴电感值，同厂家提供的参数值相比具有较高的准确度。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (8)

1.一种基于脉冲电压法的离线参数辨识方法，其特征在于：包括以下步骤：
(Ⅰ)定子电阻辨识
首先进行电机转子位置调零，再分别向电机注入不同占空比的高频电压，采集电机电流并计算电阻值，将计算值累加后求平均得到定子电阻的辨识值；
(Ⅱ)直轴电感辨识
完成电阻辨识后，向电机注入给定的脉冲信号ud，测量电流id的值，计算电流id达到稳态值0.632倍时的时间，计算出直轴电感值，再将计算值多次累加求平均后得到直轴电感辨识值；
(Ⅲ)交轴电感辨识
完成直轴电感辨识后，将转子定位到90度的位置，然后向电机注入给定的脉冲信号uq，测量电流iq的值，计算电流iq达到稳态值0.632倍时的时间，计算出交轴电感值，再将计算值多次累加后求平均得到交轴电感辨识值。
2.根据权利要求1所述的基于脉冲电压法的离线参数辨识方法，其特征在于：所述步骤(Ⅰ)定子电阻辨识中电机转子位置调零的方法为：给电机定子绕组通以一个足够大的零度电压矢量，使转子定位到零点，完成转子的预定位。
3.根据权利要求2所述的基于脉冲电压法的离线参数辨识方法，其特征在于：所述零度电压矢量为额定电压的10％～30％。
4.根据权利要求1所述的基于脉冲电压法的离线参数辨识方法，其特征在于：所述电阻值的计算公式为：
Figure FDA0002864747890000021
式中：d1、d2为两次不同的占空比，I1、I2为两次不同的占空比d1、d2，测量的两次电流。
5.根据权利要求1所述的基于脉冲电压法的离线参数辨识方法，其特征在于：所述直轴电感值的计算公式为：Ld＝τ*R。
6.根据权利要求1所述的基于脉冲电压法的离线参数辨识方法，其特征在于：所述将转子定位到90度的位置的方法为：给电机定子绕组通以一个足够大的的零度电压矢量将转子定位到0度的位置，再电机交轴通入90度的uq电压脉冲信号，将转子定位到90度位置。
7.根据权利要求1所述的基于脉冲电压法的离线参数辨识方法，其特征在于：所述转子定位到90度的位置后将电机转子轴固定。
8.应用权利要求1～7之一所述的基于脉冲电压法的离线参数辨识方法的永磁同步电机控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
(Ⅰ)执行脉冲电压离线参数辨识方法完成电机参数辨识；
(Ⅱ)启动切换控制
完成参数辨识后，根据采样值进行矢量坐标变换，电机启动，切换控制方式；
(Ⅲ)转速电流控制
根据电机的转速、电流反馈值完成速度环、电流环的PI控制调节，进行park逆变换，计算电压参考值；
(Ⅳ)空间矢量算法
根据转速电流调节输出的电压参考值，执行空间矢量算法，计算占空比并输出PWM信号，控制三相逆变桥驱动电机运行。
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