CN102223134A - 永磁同步电机伺服***参数在线辨识的装置与方法 - Google Patents

Abstract

一种永磁同步电机伺服***参数在线辨识的装置与方法，装置包括，参数辨识启/停单元、参数在线辨识单元、参数存储单元、基频分量提取单元和三相交流/d-q坐标变换单元；从电机三相电源测得的电压信号，以及电机三相绕组中的电流信号，经基频分量提取单元提取出各信号的基频分量，并经三相交流/d-q坐标变换单元处理后，与电机的电角速度信号一起被送入参数在线辨识单元，参数在线辨识单元在参数辨识启/停单元控制下进行电机参数辨识，并输出辨识的结果，同时将辨识的结果保存在参数存储单元之中。本发明可为高质量的矢量控制提供准确的电机参数在线辨识估计值，可有效地克服永磁同步电机在运行过程中其参数变化对矢量控制造成的不利影响。

Description

永磁同步电机伺服***参数在线辨识的装置与方法

技术领域：

本发明涉及永磁同步电机矢量控制技术领域，又涉及在线确定永磁同步电机参数的技术，特别是一种永磁同步电机伺服***参数在线辨识的装置与方法。

背景技术：

随着各行业对自动化需求的不断增长，以机械参数为控制对象的伺服***的应用也日益广泛。伺服***中的永磁同步电机以其结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高等优点而引起人们的重视，并在工农业生产、国防和日常生活等方面获得越来越广泛的应用。

永磁同步电机伺服***的核心是对永磁同步电机电磁转矩的快速、动态控制，而这只有在矢量控制技术出现之后，才真正得以实现。矢量控制亦称磁场定向控制，它是20世纪60、70年代由德国

工科大学的Hasse博士首先发表，随后西门子公司的Blaschke又将这种一般化的概念形成***理论。矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制交流电机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对交流电机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制交流电机转矩的目的。由于在以永磁同步电机为核心的伺服控制***中，采用的矢量控制方式所依据的是准确的被控永磁同步电机的参数，因此，对永磁同步电机参数的测量是实现矢量控制的首要步骤。如2011年2月9日授权公告的中国发明专利200710195304.8“三相永磁同步电机基本电气参数的静态测量方法”，提供了一种三相永磁同步电机基本电气参数的静态测量方法，该方法需在锁住转轴的状态下，以变化输入电流和输入电压向量的方法取得被测电机的电阻值和d，q轴电感值。因此该方法使用起来有其局限性。又如参考文献“一种永磁同步电机参数测量方法(电力电子技术，2010年1月，第44卷第1期，46-48页)”提出了通过电桥测量电机的静态三相电感和三相电阻参数从而计算得到d，q轴电感和相电阻参数。该方法无需考虑电机永磁转子的当前位置，无需额外测量电路及进行驱动控制。该方法还通过将电机加速到一定转速后测量开路电压及转子频率，来计算获得磁链系数。

然而永磁同步电机的参数是随着环境条件和电机的运行、发热状况的变化而变化的，因此必须随时对矢量控制运算中的电机参数进行修正，否则难以达到理想的控制效果。如2008年10月1日授权公告的中国发明专利200610114905.7“永久磁体同步电机的矢量控制装置”，该方法通过在“低速域”，当电机的旋转角频率为零附近，电机的阻抗大大大于感抗时，忽略感抗来求得阻抗的近似值；又通过在“高频域”，当电机的感抗大大大于阻抗时，忽略阻抗来求得d，q轴电感的近似值。因此，该方法有其自身的局限性。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是提供一种永磁同步电机伺服***参数在线辨识的装置与方法。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

一种永磁同步电机伺服***参数在线辨识的装置，包括参数辨识启/停单元、参数在线辨识单元、参数存储单元、基频分量提取单元和三相交流/d-q坐标变换单元；从永磁同步电机三相电源测得的电压信号，以及永磁同步电机三相绕组中的电流信号，经基频分量提取单元提取出各信号的基频分量，并经三相交流/d-q坐标变换单元处理后变换成d-q坐标系下的电压和电流信号，与电机的电角速度信号一起被送入参数在线辨识单元，参数在线辨识单元在参数辨识启/停单元控制下进行电机参数辨识，并输出辨识的结果，同时将辨识的结果保存在参数存储单元之中。

在某些应用场合，为了精简参数在线辨识装置的结构、降低其对整机资源和CPU时间的占用率，可取消参数在线辨识装置中的基频分量提取单元，将永磁同步电机的电压、电流信号经三相交流/d-q坐标变换单元处理后，送入参数在线辨识单元进行参数辨识；也可将参数在线辨识装置中的基频分量提取单元和三相交流/d-q坐标变换单元都取消，直接用原伺服控制***的d、q轴电压指令u_d ^*和u_q ^*、经坐标变换后得到的永磁同步电机d、q轴上的电流i_d和i_q，与电角速度信号一起，输入参数在线辨识单元，来辨识电机的参数的估计值，即，定子绕组电阻R_s、d轴电感L_d、q轴电感L_q和永磁体磁链幅值ψ_f的估计值

所说的参数辨识启/停单元根据永磁同步电机是处于加速或减速阶段，还是处于稳速或停止运行阶段，来决定开启或停止参数在线辨识单元的运行，以满足参数辨识时所需的持续激励的要求。

所说的参数在线辨识单元内构建了一个电机参数观察变量y(t)，其与电机的参数形成线性关系，在持续激励的条件下，就可对电机参数进行在线估计；在得到启动指令后，参数在线辨识单元根据输入变量辨识出电机参数的估计值

所说的参数存储单元内辟有数个专门的数据存储区，分别为：存放电机生产商提供的电机参数值或用静态测试方法测得的电机参数值的数据存储区；存放冷启动阶段辨识得到的电机参数估计值的数据存储区；以及，一次辨识结束，即永磁同步电机从加/减速状态进入稳速运行或停止运行时，存放本次辨识得到的电机参数估计值的数据存储区。在实施参数递推估计时，伺服***第一次上电冷启动时(即从电机的冷态开始启动)，为了保持整个***平稳地运转，电机参数的初值可设置为电机生产商提供的电机参数值，或用静态测试方法测得的电机参数值，并将冷启动阶段辨识得到的电机参数估计值保存在参数存储单元中，作为下一次***上电冷启动，进行参数递推估计时的初值；并且，在***运行过程中，在每一次因加速或减速过程结束，参数辨识过程也随之结束时，将参数辨识的结果保存在参数存储单元中，作为下一次接到启动指令、实施参数在线估计时的初值。

一种利用上述永磁同步电机伺服***参数在线辨识的装置的永磁同步电机伺服***参数在线辨识的方法，根据电机的电压、电流、以及角速度信号，辨识出电机参数的估计值

包括如下步骤：

①构建电机参数观察变量：在参数在线辨识单元内构建一个电机参数观察变量y，其与电机的参数R_s、L_d、L_q、ψ_f形成线性关系；

②启动或停止参数辨识：当永磁同步电机处于加速或减速阶段时启动电机参数辨识，当电机处于稳速运行或停止运行时停止电机参数辨识；

③参数辨识初值设置；***第一次上电后冷启动进行电机参数辨识时，参数辨识的初值设为电机生产商提供的电机参数值或用静态测试方法测得的电机参数值；以后上电冷启动进行电机参数辨识时，参数辨识的初值设为上一次冷启动阶段辨识得到的电机参数估计值；在伺服***运行过程中，每一次启动电机参数辨识时，参数辨识的初值设为上一阶段电机参数辨识的结果；

④电机参数估计值的输出：在每一步辨识结束或每一次停止参数辨识时，输出电机参数的估计值

⑤电机参数估计值的存储：将冷启动阶段辨识得到的电机参数估计值和每一次停止参数辨识得到的电机参数估计值分别保存到参数存储单元的相应区域中，作为下一次***上电冷启动或下一次启动时进行参数递推估计的初值。

本发明的有益效果在于：

1.本发明无需使用特别的装置或设备就可在线辨识出永磁同步电机参数的估计值，原理清晰、结构简单、制造和运行成本低。

2.对永磁同步电机实施高性能的的矢量控制是建立在被控永磁同步电机准确的参数值之上的，而永磁同步电机的参数会随着环境条件和电机的运行、发热状况的变化而变化，本发明可在线跟踪电机参数在运行过程中的变化，为高质量的矢量控制提供准确的电机参数在线辨识估计值。

3.本发明还可为显式自校正控制等需要电机实时参数为调节依据的控制策略提供准确的电机参数在线辨识估计值，使伺服***按照预定的轨迹运行。

附图说明：

图1是有速度传感器的永磁同步电机矢量控制伺服***的构成示意框图。

图2是本发明中的永磁同步电机矢量控制伺服***参数在线辨识的装置的示意框图。

图3是本发明中的永磁同步电机矢量控制伺服***参数在线辨识的流程框图。

图4是本发明的实施例1带参数在线辨识装置的有速度传感器的永磁同步电机矢量控制伺服***示意框图。

图5是本发明实施例2带参数在线辨识装置的无速度传感器的永磁同步电机矢量控制伺服***示意框图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。但是，本领域的技术人员应该认识到，下述的实施方式只是示例性的，是为了更好地使本领域的技术人员能够理解本专利，不能理解为是对本专利包括的范围的限制；只要是根据本专利所揭示的精神所作的任何等同变更或修饰而形成的相似结构、方法及其相似变化，均落入本专利包括的范围。

请参阅图1，图1为d-q坐标系下基于电流解耦控制的永磁同步电机伺服***的构成示意框图，由q轴电流控制器2、d轴电流控制器3、逆Park变换单元4、解耦控制器5、空间矢量脉宽调制器(SVPWM)6、三相逆变器7、电流互感器8和9、Carke变换单元10、Park变换单元11、永磁同步电机(PMSM)12、角速度与角位置传感器13、位置与速度信号处理单元14、三角函数发生器15、速度控制器16、以及位置控制器17组成；虚线框内是伺服***的基本部分；整个伺服***的控制过程为：设定的位置值θ_m ^*与角速度与角位置传感器13和位置与速度信号处理单元14检测到的电机实际转子位置值θ_m相比较，经过位置控制器17输出速度控制的转速指令信号ω_m ^*，通过速度指令与电机当前的转速ω_m相比较，经过速度控制器16输出q轴电流指令值i_q ^*，i_d ^*是d轴电流设定值；通过电流互感器8、9检测到的永磁同步电机12三相绕组中的电流i_u、i_v、i_w(i_w＝-i_u-i_v)，经坐标变换单元10、11变换后得到d、q轴上的电流i_d、i_q，将其与i_d ^*，i_q ^*相比较，经过各自的d、q轴电流控制器3、2输出电压值u′_d ^*和u′_q ^*，再和解耦控制器5的输出组合后得到d、q轴电压指令u_d ^*和u_q ^*，再经逆Park变换单元4变换成α-β坐标系下的电压指令u_α ^*和u_β ^*，最后经空间矢量脉宽调制器6变成三相电压控制指令u_u ^*、u_v ^*、u_w ^*，再由三相逆变器7变换成控制永磁同步电机12的三相电流值i_u、i_v、i_w，流入永磁同步电机12；从位置与速度信号处理单元14得到的电角位置值θ_e被送入三角函数发生器15，计算得到相应的Sinθ_e和Cosθ_e值，再送入逆Park变换单元4和Park变换单元11；从位置与速度信号处理单元14得到的电角速度值ω_e被用于解耦控制器5的运算。

在图1中，假设电机的定子绕组为Y型接法，定子磁场为正弦分布，不考虑谐波及饱和，忽略涡流和磁滞损耗。转子为无阻尼绕组，则在d-q坐标系下，永磁同步电机的电压关系式可表示为：

式中，R_s、L_d、L_q、ψ_f分别是为永磁同步电机12的定子绕组电阻、d轴电感、q轴电感和永磁体磁链的幅值。

在解耦控制时，令

此时，i_d、i_q可以通过u′^* _d、u′^* _q简单地进行控制。

请参阅图2，永磁同步电机伺服***参数在线辨识装置1由参数辨识启/停单元101、参数在线辨识单元102、参数存储单元103、基频分量提取单元104和三相交流/d-q坐标变换单元105组成；从永磁同步电机三相电源测得的电压信号u_u、u_v、u_w，以及永磁同步电机12三相绕组中的电流信号i_u、i_v、i_w(i_w＝-i_u-i_v)，经基频分量提取单元104提取出各信号的基频分量，并经三相交流/d-q坐标变换单元105处理后变换成d-q坐标系下的电压和电流信号u_1d、u_1q、i_1d、i_1q，与电机的电角速度信号ω_e一起被送入参数在线辨识单元102，参数在线辨识单元102在参数辨识启/停单元101控制下进行电机参数辨识，并输出辨识的结果，同时将辨识的结果保存在参数存储单元103之中。

所说的基频分量提取单元可以是滤波器，也可以是递推的Fourier变换等公知技术，以实现快速、在线提取出各信号的基频分量。

永磁同步电机伺服***为了达成对位置和速度的控制，而驱使永磁同步电机频繁地进行加速或减速，参数辨识启/停单元101根据永磁同步电机是处于加速或减速阶段，还是处于稳速或停止运行阶段，来决定开启或停止参数在线辨识单元102的运转，以满足参数辨识时所需的持续激励的要求，即：

所说的参数在线辨识单元102在得到启动指令后，根据输入变量u_1d、u_1q、i_1d、i_1q、ω_e辨识出电机参数R_s、L_d、L_q、ψ_f的估计值

为此，在参数在线辨识单元102中，构造电机参数观察变量y(t)，其与电机的参数形成线性关系，然后在持续激励的条件下，就可对电机参数进行估计。令，

$y=g^{T}u=\left[\begin{array}{cc}{g}_d& g_q\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_d\\ u_q\end{array}\right]=g_d{u}_{1d}+g_q{u}_{1q}$ [公式6]

式中g^T＝[g_d g_q]为加权向量，表示d轴和/或q轴工况对参与永磁同步电机参数辨识的重要程度。若取g^T＝[1 1]，即认为d轴和q轴工况对参与永磁同步电机参数辨识是同等重要的，这时将公式1和公式2代入公式6，再以采样周期为Ts的频率进行采样、离散化；如前所述，永磁同步电机的参数会随着环境条件和电机的运行、发热状况的变化而发生缓慢的变化；当采样和辨识的速度足够快时，并且由于采样过程中经模数转换后的数据的字长有限，因此，对于相邻两次辨识得到的电机参数的变化可以认为是近似相等的，如此，经过整理后可得：

k＝1，2，…，            [公式7]

式中：

[公式8]

[公式9]

[公式10]

[公式11]

[公式12]

ξ^T＝[R_s，L_d，L_q，ψ_f]                [公式13]

由公式7可见，电机的参数向量ξ与电机参数观察变量y成线性关系，因此可以用各种类型的递推的参数估计算法进行电机参数的在线估计。由于***中存在着噪声，因此，针对不同类型的噪声模型，可以采取相应的参数估计方法，包括最小二乘类参数估计方法(诸如最小二乘法、遗忘因子最小二乘法、增广最小二乘法、辅助模型最小二乘法、广义最小二乘法、广义增广最小二乘法、辅助变量法、参数和状态联合估计法)、以及随机梯度算法、多新息算法等等。

当永磁同步电机的参数因环境条件和电机的运行、发热状况等可测的扰动的影响而发生较快的变化时，公式7就成为广义时变***，这时可采用泛参数估计的方法来求得电机参数的估计值。

在某些应用场合，为了精简***的结构、降低参数在线辨识装置1对整机资源和CPU时间的占用率，可取消参数在线辨识装置1中的基频分量提取单元104，将永磁同步电机的电压、电流信号经三相交流/d-q坐标变换单元105处理后，送入参数在线辨识单元102进行参数辨识；也可将参数在线辨识装置1中的基频分量提取单元104和三相交流/d-q坐标变换单元105都取消，直接用u^* _d、u^* _q、i_d和i_q取代参数在线辨识单元102的输入信号u_1d、u_1q、i_1d、i_1q，与角速度信号一起，来辨识永磁同步电机参数的估计值

在实施参数递推估计时，伺服***第一次上电冷启动时(即从电机的冷态开始启动)，为了保持整个***平稳地运转，电机参数的初值可设置为电机生产商提供的电机参数值，或用静态测试方法测得的电机参数值，并将冷启动阶段辨识得到的电机参数估计值保存在参数存储单元103中，作为下一次上电冷启动时参数递推估计时的初值；并且，在***运行过程中，在每一次因加速或减速过程结束，参数辨识过程也随之结束时，将参数辨识的结果保存在参数存储单元103中，作为下一次接到启动指令、实施参数在线估计时的初值。

请参阅图3，示出了本发明的永磁同步电机矢量控制伺服***参数在线辨识的流程框图。51判断是否是第一次上电后冷启动？若是，则进入52，装入厂家提供的电机参数，或用静态测试得到的电机参数；否，则53装入上次冷启动阶段保存的参数辨识结果；54判断是否处于加速或减速阶段？若是，则55采集信号，56辨识电机参数并输出辨识结果；若否，则返回54；57判断加速或减速过程结束了吗？若否，则返回55；若是，则结束本次参数辨识，进入58，判断本次辨识是冷启动后初次辨识吗？若是，则59将辨识的结果存入冷启动参数初值存储区，供下次上电后冷启动阶段的参数辨识的初值；若否，则60将辨识结果存入下次启动参数初值存储区。61判断是否关机？若否，则62装入上次启动辨识后保存的辨识结果，返回54，进入下一轮参数辨识；若是，则退出参数辨识流程。

本发明的方法和装置可应用于需要在线参数更新的永磁同步电机伺服***的矢量控制之中，下面列举几个实施例。

【实施例1】

请参阅图4，本实施例1与图1所示的永磁同步电机伺服***矢量控制的区别在于，本实施例中采用本发明的在线参数辨识装置，不断地对解耦控制器5中所使用的电机参数进行刷新，以达到最佳的解耦控制效果。

【实施例2】

请参阅图5，本实施例2与实施例1的区别在于，本实施例中用转速与角度观察器18取代了图4中的角速度与角位置传感器13和位置与速度信号处理单元14(公知技术)。本实施例中采用本发明的在线参数辨识装置，不断地对解耦控制器5和转速与角度观察器18中所使用的电机参数进行刷新，以达到最佳的转速观察、角度观察和解耦控制的效果。

Claims (6)

1.一种永磁同步电机伺服***参数在线辨识的装置，包括参数辨识启/停单元、参数在线辨识单元、参数存储单元、基频分量提取单元和三相交流/d-q坐标变换单元；其特征在于：从永磁同步电机三相电源测得的电压信号，以及永磁同步电机三相绕组中的电流信号，经基频分量提取单元提取出各信号的基频分量，并经三相交流/d-q坐标变换单元处理后变换成d-q坐标系下的电压和电流信号，与电机的电角速度信号一起被送入参数在线辨识单元，参数在线辨识单元在参数辨识启/停单元控制下进行电机参数辨识，并输出辨识的结果，同时将辨识的结果保存在参数存储单元之中。

2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机伺服***参数在线辨识的装置，其特征在于：所述的参数辨识启/停单元根据永磁同步电机是处于加速或减速阶段，还是处于稳速或停止运行阶段，来决定开启或停止参数在线辨识单元的运行，以满足参数辨识时所需的持续激励的要求。

3.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机伺服***参数在线辨识的装置，其特征在于：所述的参数在线辨识单元内构建了一个电机参数观察变量y，其与电机的参数形成线性关系，在持续激励的条件下，就可对电机参数进行在线估计；在得到启动指令后，参数在线辨识单元根据在d-q坐标系下电机的电压、电流信号，以及角速度信号，来辨识电机的参数的估计值，即，定子绕组电阻R_s、d轴电感L_d、q轴电感L_q和永磁体磁链幅值ψ_f的估计值

4.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机伺服***参数在线辨识的装置，其特征在于：所述的参数存储单元内辟有数个专门的数据存储区，分别为：存放电机生产商提供的电机参数值或用静态测试方法测得的电机参数值的数据存储区；存放冷启动阶段辨识得到的电机参数估计值的数据存储区；以及，当一次辨识结束，即永磁同步电机从加/减速状态进入稳速运行或停止运行时，存放本次辨识得到的电机参数估计值的数据存储区。

5.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机伺服***参数在线辨识的装置，其特征在于：所述的基频分量提取单元、或者基频分量提取单元和三相交流/d-q坐标变换单元两者，根据CPU或***资源的使用情况加以取消；当单独取消基频分量提取单元时，将永磁同步电机的电压、电流信号经三相交流/d-q坐标变换单元处理后，与电角速度信号一起，送入参数在线辨识单元进行参数辨识；当同时取消基频分量提取单元和三相交流/d-q坐标变换单元时，直接用原伺服控制***的d、q轴电压指令u_d ^*和u_q ^*、经坐标变换后得到的永磁同步电机d、q轴上的电流i_d和i_q，与电角速度信号一起，输入参数在线辨识单元，来辨识永磁同步电机的参数的估计值

6.一种利用权利要求1所述装置的永磁同步电机伺服***参数在线辨识的方法，根据电机的电压、电流、以及角速度信号，辨识出电机的参数的估计值

包括如下步骤：

①构建电机参数观察变量：在参数在线辨识单元内构建一个电机参数观察变量y，其与电机的参数，定子绕组电阻R_s、d轴电感L_d、q轴电感L_q和永磁体磁链幅值ψ_f，形成线性关系；

②启动或停止参数辨识：当永磁同步电机处于加速或减速阶段时启动电机参数辨识，当电机处于稳速运行或停止运行时停止电机参数辨识；

③参数辨识初值设置；***第一次上电后冷启动进行电机参数辨识时，参数辨识的初值设为电机生产商提供的电机参数值或用静态测试方法测得的电机参数值；以后上电冷启动进行电机参数辨识时，参数辨识的初值设为上一次冷启动阶段辨识得到的电机参数估计值；在伺服***运行过程中，每一次启动电机参数辨识时，参数辨识的初值设为上一阶段电机参数辨识的结果；

④电机参数估计值的输出：在每一步辨识结束或每一次停止参数辨识时，输出电机参数的估计值

⑤电机参数估计值的存储：将冷启动阶段辨识得到的电机参数估计值和每一次停止参数辨识得到的电机参数估计值分别保存到参数存储单元的相应区域中，作为下一次***上电冷启动或下一次启动时进行参数递推估计的初值。

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