CN116317791A - 一种同步磁阻电机无位置传感器电感辨识方法及装置 - Google Patents

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CN116317791A CN202310556826.5A CN202310556826A CN116317791A CN 116317791 A CN116317791 A CN 116317791A CN 202310556826 A CN202310556826 A CN 202310556826A CN 116317791 A CN116317791 A CN 116317791A
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Abstract

本发明涉及电机控制技术领域，公开了一种同步磁阻电机无位置传感器电感辨识方法及装置，包括在同步磁阻电机的两相静止坐标系下，注入预设幅值与频率的高频旋转电压矢量，对激励出的高频响应电流进行解调，获取q轴动态电感；获取同步磁阻电机的空载q轴动态电感；从而利用同步磁阻电机的电流磁链模型，获取q轴静态电感后，利用同步磁阻电机估算旋转坐标系下的基频电压模型与牛顿拉弗逊迭代法，获取d轴静态电感；将q轴与d轴静态电感，反馈至磁链观测器中，获取同步磁阻电机的估算转速与转子位置，进行闭环矢量控制，实现无位置传感器控制。本发明电感辨识结果不受转子位置误差影响，且在空载、轻载及零低速条件下仍可准确收敛。

Description

一种同步磁阻电机无位置传感器电感辨识方法及装置
技术领域
本发明涉及电机控制技术技术领域，尤其是指一种同步磁阻电机无位置传感器电感辨识方法及装置。
背景技术
同步磁阻电机(SynRM)凭借其制造工艺简单，运行效率高及生产维护成本低等优势，被认为是替代感应电机应用于各工业领域的理想选择。此外，具有低成本、高可靠性等优点的无位置传感器控制技术已在同步磁阻电机驱动系统中得到了研究和应用。目前采用较多的无位置传感器控制方法是磁链观测器法，该方法通过已知的定子电流和电压估算出电机的定子磁链，再反推出磁链中包含的转子位置信息，具有结构简单、响应快的优点。然而该方法的鲁棒性较差，其位置观测精度依赖准确的电机参数，因此在运行时通常需要获取同步磁阻电机不同负载条件下的电感信息。
现有技术主要通过离线辨识和在线辨识两类方法获取电感参数。离线辨识法需要在电机运行前进行繁琐的参数测试工作，耗费额外的时间和精力，并且在测量过程中需要保持转子为静止状态，不易于实施；在线辨识法计算量大，且电感辨识结果受转子位置误差影响无法准确收敛，不适用于无位置传感器运行条件。
综上所述，现有的技术在对同步磁阻电机进行无位置传感器电感辨识时，电感辨识过程繁琐、计算量大且辨识结果受位置误差影响无法收敛，从而导致无法基于准确的电感，精确控制同步磁阻电机的电磁转矩，进而无法为外部设备提供稳定的工作动力。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中电感辨识过程繁琐、辨识结果受位置误差影响无法收敛，从而导致无法基于准确的电感，精确控制同步磁阻电机的电磁转矩的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种同步磁阻电机无位置传感器电感辨识方法，包括：
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在本发明的一个实施例中，所述磁链观测器包括电压型磁链观测器与电流型磁链观测器。
本发明实施例还提供一种同步磁阻电机无位置传感器电感辨识装置，包括：
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本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明所述的同步磁阻电机无位置传感器电感辨识方法，在电机正式运行前离线测量一次空载状态下的
Figure SMS_203
轴动态电感，后续电感辨识过程均为在线完成，省去了大量繁琐的测试工作，工作量大大降低，减少了电感在线辨识过程所需计算量，减轻了数字处理器的负担；通过研究/>
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轴静态电感的转换关系，使电感辨识不需要依赖电压方程，需要的参数少，实际运行中更稳定；本发明在电感辨识过程中转子无需保持在静止状态，电感辨识结果不受转子位置误差的影响，在使用无位置传感器控制策略时可以准确辨识出电机的/>
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轴静态电感，无需额外硬件，易于实施；且电感辨识结果在空载、轻载以及零低速条件下仍然可以准确收敛；实现在不同工况下对同步磁阻电机电感的准确计算，进而精确控制同步磁阻电机的电磁转矩，为外部设备提供稳定的工作动力。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是本发明所提供的同步磁阻电机无位置传感器电感辨识方法的步骤流程图；
图2是本发明所提供的获取
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轴静态电感的流程示意图；
图3是本发明所提供的同步磁阻电机无位置传感器电感辨识方法的系统控制原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
参照图1所示，本发明的同步磁阻电机无位置传感器电感辨识方法，具体步骤包括：
S1：在同步磁阻电机的两相静止坐标系
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只需要在同步磁阻电机正式运行前进行一次测量即可，在后续运行过程中，无需重复计算；
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具体地，在步骤S1中，包括：
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，
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表示旋转角度；
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的分量的幅值，得到正序分量幅值。
传统的电感辨识方法由于受到转子位置误差的影响，导致模型产生欠秩问题，电感辨识结果在无位置传感器运行状态下无法准确收敛。基于高频电压注入的电感辨识方法虽然可以避免此问题，但是该方法只能辨识出同步磁阻电机的动态电感，而无位置传感器控制系统中使用的磁链观测器需要的参数为静态电感。文献[1]通过对同步磁阻电机的电流和电压数据进行离线采集，提出了一种电流-磁链拟合函数。在此基础上，本发明进一步研究了同步磁阻电机的电感特性，推导了由
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轴动态电感求解/>
Figure SMS_329
轴静态电感的具体公式，具体包括：
在文献[1]M. Hinkkanen, P. Pescetto, et al. Sensorless Self-Commissioning of Synchronous Reluctance Motors at Standstill Without RotorLocking[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2017, 53(3):2120-2129.中，同步磁阻电机的电流磁链关系可表示为：
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，
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为/>
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轴磁路之间的耦合系数，上述参数均为拟合求得的非负系数；S、T、U、V为非负指数，为经验设定值；
文献[1]研究了同步磁阻电机的电流磁链关系表达式中指数参数的典型取值范围，测量了6台不同功率和品牌的商用同步磁阻电机的电感数据，最佳的指数取值如下表所示：
表1 最佳指数取值范围
Figure SMS_342
由该表可知，S的典型取值范围在5-8之间，T的典型取值为1，U的典型取值为1，V的典型取值为0。根据S、T、U、V的取值范围以及同步磁阻电机的电流磁链关系表达式，同步磁阻电机的
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与/>
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可以推导为：
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，
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，
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轴静态电感之间的转换关系，下一步对/>
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轴动态电感/>
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：
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轴动态电感和/>
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轴静态电感的转换关系，在计算/>
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轴静态电感时，不需要依赖电压方程，需要的参数少，且辨识结果不易受到电流采样噪声的影响，电感辨识结果精度高，在实际运行中更稳定。
具体地，在步骤S6中包括：
同步磁阻电机估算旋转坐标系下的稳态电压方程，表示为：
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，
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分别表示估算旋转坐标系下的/>
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该稳态电压方程的方程组中基本方程的数量为2，但是包含3个未知参数（
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、
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之后，方程组中的未知参数减少为/>
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，对稳态电压方程组进行化简，简化后的方程组表达式为：
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通常是一个较小的值，其数值基本可以保持在0.2rad以内，所以此处的化简是合理的。观察简化后的方程组可知，这是一个二元非线性方程组，/>
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耦合在一起，传统基于电机基频模型的参数收敛算法如递归最小二乘法、模型参考自适应等方法无法求解此方程。本发明采用牛顿-拉夫逊法求解该非线性方程组：
先对简化后的方程组进行泰勒展开并略去与误差量相关的高次项，将该非线性方程组线性化：
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,
其中，
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代表线性化后的基频电压模型的近似解，近似解与相对应的精确解的差值表示为/>
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代入偏导数表达式时的结果；
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；
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称为该方程组的雅克比矩阵，它用来对该方程组进行修正，使其线性化；/>
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为近似解与精确解的误差组成的列向量；
根据简化后的方程组与线性化后的方程组，获取雅可比矩阵元素方程组，求得雅可比矩阵
Figure SMS_417
中各元素的值为：
Figure SMS_418
,
Figure SMS_419
称为该方程组的雅克比矩阵，表示为：
Figure SMS_420
；
将
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、/>
Figure SMS_422
代入线性化后的方程组和雅可比矩阵元素方程组中，可以求得/>
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中的各元素，之后对/>
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求逆，根据/>
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后，可以求得经过第一次迭代后待辨识参数的新值：
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Figure SMS_442
。
在本发明的一个实施例中，所述磁链观测器包括电压型磁链观测器与电流型磁链观测器；磁链观测器的作用在于辅助完成整个系统的控制，可以采用现有技术中的类似观测器进行代替。
本发明可以解决磁链观测器法鲁棒性差的问题，实现同步磁阻电机低成本、高性能的无位置传感器控制，且便于实现和推广应用。
基于上述实施例，参照图3所示，本发明所提供了一种同步磁阻电机无位置传感器电感辨识方法的系统控制原理图；系统采用磁链观测器法获取电机估算的转速和转子位置信息，并对电机进行闭环矢量控制。通过向电机注入预设幅值
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基于上述实施例，在本发明实施例中，还提供了一种同步磁阻电机无位置传感器电感辨识装置，包括：
高频响应电流获取模块100，用于在同步磁阻电机的两相静止坐标系
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轴动态电感获取模块400，用于令同步磁阻电机运行于空载状态，重复高频响应电流获取模块、分量幅值获取模块与/>
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，反馈至磁链观测器中，获取同步磁阻电机的估算转速与转子位置，对同步磁阻电机进行闭环矢量控制，实现无位置传感器控制。
本实施例的同步磁阻电机无位置传感器电感辨识装置用于实现前述的同步磁阻电机无位置传感器电感辨识方法，因此同步磁阻电机无位置传感器电感辨识装置中的具体实施方式可见前文中的同步磁阻电机无位置传感器电感辨识方法的实施例部分，例如，高频响应电流获取模块100，分量幅值获取模块200，
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轴动态电感获取模块300，空载/>
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轴静态电感获取模块600,控制模块700分别用于实现上述同步磁阻电机无位置传感器电感辨识方法中步骤S1，S2，S3，S4，S5，S6和S7，所以，其具体实施方式可以参照相应的各个部分实施例的描述，在此不再赘述。
本发明所述的同步磁阻电机无位置传感器电感辨识方法，在电机正式运行前离线测量一次空载状态下的
Figure SMS_507
轴动态电感，后续电感辨识过程均为在线完成，省去了大量繁琐的测试工作，工作量大大降低，减少了电感在线辨识过程所需计算量，减轻了数字处理器的负担；通过研究/>
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轴静态电感的转换关系，使电感辨识不需要依赖电压方程，需要的参数少，实际运行中更稳定；本发明在电感辨识过程中转子无需保持在静止状态，电感辨识结果不受转子位置误差的影响，在使用无位置传感器控制策略时可以准确辨识出电机的/>
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轴静态电感与/>
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轴静态电感，无需额外硬件，易于实施；且电感辨识结果在空载、轻载以及零低速条件下仍然可以准确收敛；实现在不同工况下对同步磁阻电机电感的准确计算，进而精确控制同步磁阻电机的电磁转矩，为外部设备提供稳定的工作动力。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种同步磁阻电机无位置传感器电感辨识方法，其特征在于，包括：
S1：在同步磁阻电机的两相静止坐标系
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S4：令同步磁阻电机运行于空载状态，重复步骤S1至S3，获取同步磁阻电机的空载
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，反馈至磁链观测器中，获取同步磁阻电机的估算转速与转子位置，对同步磁阻电机进行闭环矢量控制，实现无位置传感器控制。
2.根据权利要求1所述的同步磁阻电机无位置传感器电感辨识方法，其特征在于，在步骤S1中，包括：
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，
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为转子位置的电角度。
3.根据权利要求1所述的同步磁阻电机无位置传感器电感辨识方法，其特征在于，所述派克变换表示为：
Figure QLYQS_57
，
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Figure QLYQS_58
表示旋转角度。
4.根据权利要求1所述的同步磁阻电机无位置传感器电感辨识方法，其特征在于，在步骤S2中，包括：
对所述
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，利用同步磁阻电机的电流磁链模型，获取同步磁阻电机的/>
Figure QLYQS_99
轴静态电感/>
Figure QLYQS_100
，表示为：
Figure QLYQS_101
。
7.根据权利要求1所述的同步磁阻电机无位置传感器电感辨识方法，其特征在于，所述同步磁阻电机估算旋转坐标系下的基频电压模型，表示为：
Figure QLYQS_102
，
其中，
Figure QLYQS_104
、/>
Figure QLYQS_107
分别表示估算旋转坐标系下的/>
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轴的电压和电流，/>
Figure QLYQS_106
、/>
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分别表示估算旋转坐标系下的/>
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轴的电压和电流；/>
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表示定子电阻；/>
Figure QLYQS_103
表示/>
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轴静态电感，/>
Figure QLYQS_112
表示/>
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轴静态电感；/>
Figure QLYQS_105
表示估算旋转坐标系与实际旋转坐标系之间的角度差，/>
Figure QLYQS_108
表示转子电角速度。
8.根据权利要求7所述的同步磁阻电机无位置传感器电感辨识方法，其特征在于，所述同步磁阻电机的
Figure QLYQS_116
轴静态电感/>
Figure QLYQS_117
的获取包括：
对所述同步磁阻电机估算旋转坐标系下的基频电压模型进行泰勒展开并略去与误差量相关的高次项，将其线性化：
Figure QLYQS_118
，
其中，
Figure QLYQS_120
、/>
Figure QLYQS_122
代表线性化后的基频电压模型的近似解，近似解与相对应的精确解的差值表示为/>
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、/>
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；/>
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、/>
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、/>
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、/>
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分别表示以近似解/>
Figure QLYQS_123
、/>
Figure QLYQS_126
代入偏导数表达式时的结果；
利用所述牛顿拉弗逊迭代法求解线性化后的基频电压模型：
Figure QLYQS_129
；
其中，
Figure QLYQS_130
为函数近似值与实际值的误差组成的列向量；/>
Figure QLYQS_131
为近似解与精确解的误差组成的列向量；/>
Figure QLYQS_132
称为该方程组的雅克比矩阵，表示为：
Figure QLYQS_133
；
将近似解
Figure QLYQS_134
、/>
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代入线性化后的基频电压模型和雅各比矩阵中，求得/>
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、/>
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中的元素，并对/>
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求逆，解出/>
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：/>
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；
根据
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，获取经过第一次迭代后的待辨识参数的新值：/>
Figure QLYQS_144
、
Figure QLYQS_147
；再将求得的/>
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、/>
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代入线性化后的基频电压模型和雅各比矩阵中，求得/>
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、/>
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中各元素的新值，对更新的/>
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求逆，解出/>
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；
重复将
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、/>
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，为同步磁阻电机的/>
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轴静态电感/>
Figure QLYQS_155
。
9.根据权利要求1所述的同步磁阻电机无位置传感器电感辨识方法，其特征在于，所述磁链观测器包括电压型磁链观测器与电流型磁链观测器。
10.一种同步磁阻电机无位置传感器电感辨识装置，其特征在于，包括：
高频响应电流获取模块，用于在同步磁阻电机的两相静止坐标系
Figure QLYQS_156
下，注入预设幅值/>
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的高频旋转电压矢量，来对同步磁阻电机的三相定子电流进行采样；令采样后的三相定子电流经过克拉克变换与带通滤波器，得到两相静止坐标系下的/>
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轴高频响应电流中频率为
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的分量的幅值，得到正序分量幅值/>
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；
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轴动态电感
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；
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