CN103457523A - 一种无刷直流电机的参数辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无刷直流电机的参数辨识方法，采集无刷直流电机稳态运行时的相电流和电机旋转角度，得到电机极对数，辨识得到电机电阻和反电势系数；采集开环满占空比运行到达稳态时无刷直流电机母线电流及其到达稳态时间，得到电机电感，辨识得到电机的力矩常数和空载摩擦力矩；采集电机从稳态转速进入制动刹车过程中电机旋转角度，辨识得到转动惯量参数。本发明理论简单可行、工程实践上容易实现。

Description

一种无刷直流电机的参数辨识方法

技术领域

本发明涉及一种电机参数的辨识方法。

背景技术

无刷直流电机***因其控制简单、可靠性高、功率密度高、调速性能好、输出转矩大等突出优点被广泛运用于各个领域，其电机的基本参数决定着电机控制效果的优劣，因此电机参数辨识的准确性与电机控制性能密切相关。目前，无刷直流电机参数辨识的研究成果有：发表于《中国电机工程学报》的文章《无刷直流电机转矩观测与电感自适应辨识》和《无刷直流电机反电势自适应滑模观测》是在李雅普诺夫函数和自适应滑模观测器的基础上分别研究了电机电感和电阻参数的辨识。但是，理论复杂，且需要电机的三相电流，只研究了电机的电感和电阻，对于电机的其他参数没有给出辨识方法；发表于《中南大学学报》的文章《一种基于自适应输入_输出线性化的无刷直流电机参数辨识方法》，在简化电机模型基础上，辨识了电机的反电势系数和电机电感，但是此方法的前提是电机电阻需已知，而且该方法存在很大缺陷，即需要根据实际情况对该辨识方法要做相应的修改才能应用。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种无刷直流电机的参数辨识方法，理论简单可行、工程实践上容易实现。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

（1）采集无刷直流电机稳态运行时的相电流i和电机的旋转角度θ，得到电机极对数P＝60f_i/n；

（2）采集不同电压下无刷直流电机稳态运行时的相电流i和电机的旋转角度θ，通过最小二乘拟合式U＝2RI+2K_eω辨识得到电机电阻和反电势系数，其中，U—外部电源电压，I—电机稳态运行时相电流稳态值，ω—电机稳态运行时电机电角速度；电机机械角速度Ω通过电机旋转角度θ计算得到，而电机电角速度是电机极对数P和电机机械角速度Ω的乘积；

（3）采集开环满占空比运行到达稳态时无刷直流电机母线电流i_d，母线电流到达稳态时间为t，得到电机电感L＝tR/5；

（4）采集不同力矩加载下电机的稳态电流i，最小二乘拟合公式T_L0+T′_L＝K_TI，辨识得到电机的力矩常数K_T和空载摩擦力矩T_L0；其中T′_L为加载力矩；

（5）采集电机从稳态转速进入制动刹车过程中电机旋转角度θ，通过最小二乘法拟合公式

辨识得到转动惯量参数J，其中Ω₀—电机稳态角速度、T_s—角度采样周期、n—第N次角度采样、θ_n—第N次角度采样时电机转过的角度。

本发明的有益效果是：针对工程实际中条件限制，只需要调节外部供电电压和通过外部加载的方式，采集相应的母线电流、相电流和电机角度信息，基于电机的特性方程，给出了无刷直流电机的所有基本参数的辨识方法，采用局部的最小二乘法拟合辨识，避免误差累积同时也避免了因模型简化而带来的简化模型和实际模型的误差，理论简单可行、工程实践上容易实现。

附图说明

图1为无刷直流电机辨识模型图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明公开了如下的辨识方法：

（1）电机极对数P

采集无刷直流电机稳态运行时的相电流i和电机的旋转角度θ，得到电机极对数：P＝60f_i/n。

（2）电机电阻R和电机反电势常数K_e

采集不同电压下，无刷直流电机稳态运行时的相电流i和电机的旋转角度θ，最小二乘拟合式：U＝2RI+2K_eω，辨识得到电机电阻和反电势系数。其中U—外部电源电压、I—电机稳态运行时相电流稳态值、ω—电机稳态运行时电机电角速度。电机机械角速度Ω通过电机旋转角度θ计算得到，而电机电角速度是电机极对数P和电机机械角速度Ω的乘积。

（3）电机电感L

采集开环满占空比运行到达稳态时无刷直流电机母线电流i_d，母线电流到达稳态时间为t，得到电机电感公式为：L＝tR/5。

（4）力矩常数K_T和空载摩擦力矩T_L0

采集不同力矩加载下电机的稳态电流i，最小二乘拟合公式T_L0+T′_L＝K_TI，辨识得到电机的力矩常数和空载摩擦力矩。其中T′_L为加载力矩。

（5）电机转动惯量J

采集电机从稳态转速进入制动刹车过程中电机旋转角度θ，通过最小二乘法拟合公式

辨识得到转动惯量参数J。其中Ω₀—电机稳态角速度、T_s—角度采样周期、n—第N次角度采样、θ_n—第N次角度采样时电机转过的角度。

实施例：

在特定电压或者加载条件下，开环启动电机，实时采集电机进入稳态运行状态下的电机母线电流i_d、相电流i和电机旋转角度θ。

（1）电机极对数P

无刷直流电机二二导通控制方式下，相电流的频率f_i、电机的极对数P和电机的转速n之前有公式：P＝60f_i/n。采集无刷直流电机稳态运行时的相电流i和电机的旋转角度θ，计算电流频率和对应转速，按照上式得到电机极对数。电机极对数为整数。

（2）电机电阻R和电机反电势常数K_e

电机进入稳态运行后，功率管导通期间，电机电感不起作用，得到电机的电压平衡公式：U＝2RI+2K_eω，采集不同电压下，无刷直流电机稳态运行时的相电流i和电机旋转角度θ，最小二乘拟合公式：U＝2RI+2K_eω，辨识得到电机电阻和反电势系数。其中U—外部电源电压、I—电机稳态运行时相电流稳态值、ω—电机稳态运行时电机电角速度。电机机械角速度Ω通过电机旋转角度θ计算得到，而电机电角速度是电机极对数P和电机机械角速度Ω的乘积。

（3）电机电感L

时间常数

是RL一阶电路里面一个重要的参数，当外加一个阶跃激励电源的时候，时间常数决定了电流到达稳态值的快慢程度。对于阶跃激励下的响应电流为

其中U(t)为激励电压信号。当t＝5τ_e时，e^-5＝6.7379×10^-3＜0.01，此时可认为i(t)已达稳态值I。无刷直流电机稳态运行时是RL一阶电路，通过采集电机开环满占空比运行到达稳态时无刷直流电机母线电流i_d，得到母线电流到达稳态时间为t，即可得到电机电感公式为：L＝tR/5。

（4）力矩常数K_T和空载摩擦力矩T_L0

电机端总存在着摩擦力，尤其机电***中的电机，造成空载摩擦力矩为T_L0。当电机进入稳态时，电机电磁力矩T_e与负载力矩T_L相抵消，角速度不在增加，转速维持恒定，有转矩平衡公式：T_e＝K_TI＝T′_L＝T_L0+T′_L，其中T′_L为加载力矩、I为电机稳态运行时相电流稳态值。通过外部电机轴端加载力矩的方式，采集不同加载力矩下电机稳态运行时的相电流i，最小二乘拟合K_TI＝T_L0+T′_L，辨识得到电机的力矩常数和空载摩擦力矩。

（5）电机转动惯量J

电机转动惯量的影响反应在电机转速的动态过程，而外部供电电源提供能量使电机输出电磁力矩，从而克服负载驱动电机旋转。在电机进入稳态转速后，撤销供电电源，电机输出电磁转矩为0，此时在空载摩擦力下，电机进入刹车制动过程，有公式：

电机以恒定的加速度减速，加速度为

数学上有

采集电机恒速进入刹车过程中电机旋转角度θ，通过最小二乘法拟合公式

辨识得到转动惯量参数J。其中Ω₀—电机稳态角速度、T_s—角度采样周期、n—第N次角度采样、θ_n—第N次角度采样时电机转过的角度。

Claims (1)

1.一种无刷直流电机的参数辨识方法，其特征在于包括下述步骤：

（1）采集无刷直流电机稳态运行时的相电流i和电机的旋转角度θ，得到电机极对数P＝60f_i/n；

（2）采集不同电压下无刷直流电机稳态运行时的相电流i和电机的旋转角度θ，通过最小二乘拟合式U＝2RI+2K_eω辨识得到电机电阻和反电势系数，其中，U—外部电源电压，I—电机稳态运行时相电流稳态值，ω—电机稳态运行时电机电角速度；电机机械角速度Ω通过电机旋转角度θ计算得到，而电机电角速度是电机极对数P和电机机械角速度Ω的乘积；

（3）采集开环满占空比运行到达稳态时无刷直流电机母线电流i_d，母线电流到达稳态时间为t，得到电机电感L＝tR/5；

（4）采集不同力矩加载下电机的稳态电流i，最小二乘拟合公式T_L0+T′_L＝K_TI，辨识得到电机的力矩常数K_T和空载摩擦力矩T_L0；其中T′_L为加载力矩；

（5）采集电机从稳态转速进入制动刹车过程中电机旋转角度θ，通过最小二乘法拟合公式

辨识得到转动惯量参数J，其中Ω₀—电机稳态角速度、T_s—角度采样周期、n—第N次角度采样、θ_n—第N次角度采样时电机转过的角度。

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