CN104393812B - 永磁同步电机的磁链系数辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机的磁链系数辨识方法，属于电力电子技术领域。本发明首先利用同样的控制方法分两次驱动永磁同步电机实现空载稳态运行，两次空载稳态运行状态下的驱动信号的幅值不同，而频率为小于所述永磁同步电机基频的相同的频率；然后根据两次空载稳态运行状态下的驱动信号的电流、电压计算得到磁链系数。本发明方法可以较准确地测得永磁同步电机的磁链系数，不需要额外的拖动装置或拖动电机及电压检测设备和元件，不需要同步电机直轴定位，且该方法操作简单，鲁棒性强。

Description

永磁同步电机的磁链系数辨识方法

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机的基本参数测量方法，尤其涉及一种永磁同步电机的磁链系数辨识方法，属于电力电子技术领域。

背景技术

随着变频调速控制技术在同步电机方面的应用，同步电机的应用范围越来越广泛，常用的高性能变频调速控制技术包括无速度传感器的矢量控制技术和转矩控制的技术，这两种控制技术均以同步电机的数学模型为基础，需要获取电机的参数，例如：定子电阻，交直轴电感，磁链系数。

传统测量同步电机磁链是通过反拖实验，使同步电机以一定转速转动起来后再自由停车，测量开路线电压及转子频率，计算磁链系数，该测量方法的过程需要测量相电压及转子频率，且需要拖动电机设备，该方法增加了硬件成本，且实现起来容易受实验环境和条件限制，不易操作。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种不需要额外附加测量设备，易于操作，测量准确度较高的永磁同步电机的磁链系数辨识方法。

本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：

永磁同步电机的磁链系数辨识方法，包括以下步骤：

步骤1、利用同样的控制方法分两次驱动永磁同步电机实现空载稳态运行，两次空载稳态运行状态下的驱动信号的幅值不同，而频率为小于所述永磁同步电机基频的相同的频率ω_r；

步骤2、根据以下两式中的任意一个计算所述永磁同步电机的磁链系数ψ_r：

其中，R_s为定子电阻；U₁、U₂分别为两次空载稳态运行状态下的驱动信号在d-q坐标系下的三相稳态电压模值；i_sd1、i_sd2分别为两次空载稳态运行状态下的驱动信号在d-q坐标系下的三相稳态电流模值；θ₁、θ₂分别为两次空载稳态运行状态下的驱动信号的电压矢量与电流矢量间的夹角。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明通过两次频率相同，电压或电流不同的电机空载稳态运行，根据两次空载稳态时的电压和电值通过计算即可求解出同步电机的磁链系数，本发明方法可以较准确地测得永磁同步电机的磁链系数，不需要额外的拖动装置或拖动电机及电压检测设备和元件，不需要同步电机直轴定位，且该方法操作简单，鲁棒性强。

附图说明

图1为本发明一个实施例的原理示意图；

图2为采用本发明方法进行3KW同步电机磁链系数辨识时的三相电流波形；

图3为采用本发明方法进行3KW同步电机磁链系数辨识时的电压波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明的永磁同步电机的磁链系数辨识方法，包括以下步骤：

步骤1、利用同样的控制方法分两次驱动永磁同步电机实现空载稳态运行，两次空载稳态运行状态下的驱动信号的幅值不同，而频率为小于所述永磁同步电机基频的相同的频率ω_r；

步骤2、根据以下两式中的任意一个计算所述永磁同步电机的磁链系数ψ_r：

其中，R_s为定子电阻；U₁、U₂分别为两次空载稳态运行状态下的驱动信号在d-q坐标系下的三相稳态电压模值；i_sd1、i_sd2分别为两次空载稳态运行状态下的驱动信号在d-q坐标系下的三相稳态电流模值；θ₁、θ₂分别为两次空载稳态运行状态下的驱动信号的电压矢量与电流矢量间的夹角。

所述控制方法优选采用电压开环控制方法或电流闭环控制方法。

参数U₁、U₂、i_sd1、i_sd2以及θ₁、θ₂可采用各种现有方法获取，例如，U₁、U₂通过三相电压U_{abc_1}、U_{abc_2}通过坐标变换得到，三相电压U_{abc_1}、U_{abc_2}可以通过采样直接获得，也可以通过本文提到的电压获取单元计算获得；i_sd1、i_sd2、通过电机输出的三相电流I_{abc_1}、I_{abc_2}通过坐标变换得到，I_{abc_1}、I_{abc_2}的获取可以直接测量得到，θ₁、θ₂是稳态时电流和电压的夹角，是通过对电流和电压进行DFT离散傅立叶计算，求得电流和电压的相位角，通过它们的相位角进行差值计算得到两个变量的夹角。

为了便于公众理解本发明的技术方案，下面以图1所示的基于PWM的永磁同步电机变频器控制***来对本发明方法进行详细说明。如图1所示，网侧三相交流电源经过整流器给直流母线电容提供恒定的直流母线电压U_dc，逆变器连接直流母线电容，控制单元通过控制逆变器三相开关状态，向电机输出频率和电压或电流可控的电压矢量或电流矢量，以驱动同步电机运行，ω_r为同步电机转子的电频率。电流采样单元测量同步电机的A、B、C三相电流i_a、i_b、i_c。电压获取单元通过测量得到母线电压，并根据控制单元输出的三相上桥臂占空比T_a、T_b、T_c，通过文中提到的计算方法得到三相电压，所谓占空比T_a、T_b、T_c即在一个载波内开关器件导通时间和载波周期的比值。PWM为脉宽调制单元，接受控制单元的输出的占空比控制指令，通过脉宽调制计算输出逆变器周期内开关状态指令，开关状态指令为1或0，1为导通，0为关闭，PWM单元向逆变器输入开关指令的符号说明：S_a、S_b、S_c为A、B、C三相上桥臂开关指令；S_a、S_b、S_c为A、B、C三相下桥臂开关指令。参数计算单元为本发明中参数辨识方法的计算单元，根据获得的三相电压和三相电流经过计算可得到直流电感L_d和永磁体磁链系数ψ_r。

在电机空载时，由控制单元按照电流闭环控制(或者电压开环控制方式)发出两次不同幅值，频率为ω_r(ω_r低于该同步电机的基频，最好为基频的一半左右)的三相交流控制信号，通过逆变器的SVPWM模块先后向电机注入驱动信号，驱动电机实现空载稳定运行，空载运行的控制电压均为增磁方向。待同步电机运行在稳态时，通过电流采样单元分别采样两次空载稳定运行状态下的交流驱动信号A、B、C相的电流峰值I_{abc_1}、I_{abc_2}，同时通过电压获取单元获得两次空载稳定运行状态下的稳态电压U_{abc_1}、U_{abc_2}。

假设所采用的电压开环控制方式为恒压频比控制，即V/f控制的电机调速控制方式，V为输出电压值，f＝ω_r/2π，该控制方式的实现过程为：令V/ω_r＝k，k为常数值，ω_r为电机目标频率，控制单元根据目标频率ω_r输出电压幅值为k*ω_r的交流电压控制信号，通过逆变器的SVPWM模块向电机注入幅值为k*ω_r的频率为ω_r的三相交流电压。如采用电流闭环控制方式做为电机的调速控制方式，则其实现过程为：把给定幅值的电流与反馈的电流幅值做偏差后，经过PI控制器计算给出输出电压的幅值，通过逆变器的SVPWM模块向电机注入该幅值和给定频率ω_r的三相交流电压。

本实施例中电压获取单元根据测量得到的母线电压和控制单元输出的逆变器三相开通时间计算得到三相电压，具体计算方法为：

U_dc：母线电压；T_a：A相开通时间；T_b：B相开通时间；T_c：C相开通时间。

根据电压获取单元获取的两次空载稳态运行状态下的三相电压以及电流采样单元获取的两次空载稳态运行状态下A、B、C三相电流，可得到两次空载稳态运行状态下采样驱动信号的三相电流峰值I_{abc_1}、I_{abc_2}和三相电压峰值U_{abc_1}、U_{abc_2}，然后对I_{abc_1}、I_{abc_2}、U_{abc_1}、U_{abc_2}进行坐标变换，即可得到两次空载稳态运行状态下的驱动信号在d-q坐标系下的三相稳态电压模值U₁、U₂及三相稳态电流模值i_sd1、i_sd2。将U₁、U₂、i_sd1、i_sd2以及同步电机定子电阻R_s代入下式即可得到永磁同步电机的磁链系数ψ_r：

或者，将U₁、U₂、i_sd1、i_sd2以及两次空载稳态运行状态下的驱动信号的电压矢量与电流矢量间的夹角θ₁、θ₂代入下式，也可得到永磁同步电机的磁链系数ψ_r：

θ₁、θ₂可通过两次空载稳态运行状态下采样的电流和电压经过DFT(离散傅立叶变换)计算得到电流和电压的相位角，将电流和电压相位角相减可得电流和电压的夹角θ₁、θ₂。其中所述的DFT(离散傅立叶变换)属公知技术，见2006年罗安编著的《电网谐波治理和无功补偿技术及装备》。

为了使公众更充分理解，下面对本发明的基本原理进行详细说明。

在空载运行时，永磁同步电机在d-q坐标系下的动态数学模型为：

其中，u_sd、u_sq是d、q轴电压，i_sd、i_sq是d、q轴电流，L_sd、L_sq是直轴、交轴电感，ω_r是转子转速，R_s是定子电阻，ψ_r是d-q坐标系下的磁链系数。

由于电机空载运行稳态时，电流的微分项为零，即i_sq＝0，则式(1)表示的同步电机动态数学模型，可以简化为：

由于电流或电压的开环控制只能获得空载运行时的静止ABC坐标下相电流的幅值和电压的幅值，则由式(2)可以得到：

u_sd ²+u_sq ²＝R_s ²i_sd ²+ω_r ²(L_sdi_sd+ψ_r)²，

由于U²＝u_sd ²+u_sq ² 可以得到相电压幅值和相电流幅值与磁链和直轴电感的关系式：

U²＝i_sd ²*R_s ²+ω_r ²(L_sdi_sd+ψ_r)² (3)

若进行两次同频率的电流闭环控制或电压开环控制，可以得到以下方程：

解该方程即可求得直轴电感和磁链系数表达式，分别如式(5)、式(6)所示：

其中，U₁、U₂、I_sd1、I_sd2为d-q坐标下两次空载稳态运行状态下的电压和电流模值，该组值可根据前面两次空载试验测得的I_{abc_1}、I_{abc_2}、U_{abc_1}、U_{abc_2}，经过参数计算单元进行坐标变换后得到；由于同步电机稳态时的转子转速与定子转速相等，可以得到定子转速即为电流指令给出的转速ω_r，计算单元获得由电流采样单元测得的相电流和电压获取单元的相电压，并进行坐标变换得到计算所需d-q坐标的电流和电压的幅值，根据式(5)和式(6)即可计算得到直轴电感和磁链系数。

式(5)和式(6)中是将定子电阻做为已知量，若没有得到定子电阻的测量值，那么，计算磁链系数和直轴电感的求解公式也可以为：

其中θ₁、θ₂为两次空载稳态时采样的电流和电压经过DFT运算(离散傅立叶计算)求得的电压矢量和电流矢量的夹角。

为了验证本发明方法的效果，利用本发明方法对3kw同步电机进行磁链系数的辨识，并与仪表测量法和反拖实验测量法得到的结果进行比较。同步电机以一定的频率空载启动，待电机稳定后电流采样单元获得空载相电流和，电压获取单元获得相电压，所得到的三相电流波形、电压波形分别如图2、图3所示；在频率不变情况下，改变电流控制指令，待电机稳定运行后，电流采样单元获得电机相电流，电压获取单元获取相电压；把两次测量的空载相电压和相电流，送给参数计算单元求得磁链系数和直轴电感。

电流采样单元采样相电流，电压获取单元获取相电压，得到用于计算的电压和电流峰值为：U₁＝205V；U₂＝225V；i_sd1＝5.612A；i_sd2＝9.516A；频率fr＝20Hz；ω_r＝2*3.14*20＝125.6(rad)；R_s＝2.1欧姆是已经测量得到的已知量。将以上参数代入式(5)、(6)计算：

通过上述方法计算得到结果与仪表测量法和反拖实验测量的结果对比如表1所示。

表1

根据表1可以看出本发明方法所测得的磁链系数与反拖实验的测量结果基本吻合，说明本发明的磁链系数辨识方法是有效的。而相比反拖实验测量方法，本发明不需要额外的拖动装置或拖动电机及电压检测设备和元件，操作简单，实现成本更低。

Claims (3)

1.永磁同步电机的磁链系数辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、利用同样的控制方法分两次驱动永磁同步电机实现空载稳态运行，两次空载稳态运行状态下的驱动信号的幅值不同，而频率为小于所述永磁同步电机基频的相同的频率；

步骤2、根据以下两式中的任意一个计算所述永磁同步电机的磁链系数ψ_r：

${\mathrm{\ψ}}_r=\frac{i_{sd1}\sqrt{{U_2}^2-{i_{sd2}}^2*{R_s}^2}-i_{sd2}\sqrt{{U_1}^2-{i_{sd1}}^2*{R_s}^2}}{{\mathrm{\ω}}_r(i_{sd1}-i_{sd2})},$

${\mathrm{\ψ}}_r=\frac{i_{sd1}{U}_2{\mathrm{sin\θ}}_2-i_{sd2}{U}_1{\mathrm{sin\θ}}_1}{{\mathrm{\ω}}_r},$

其中，ω_r为转子转速，R_s为定子电阻；U₁、U₂分别为两次空载稳态运行状态下的驱动信号在d-q坐标系下的三相稳态电压模值；i_sd1、i_sd2分别为两次空载稳态运行状态下的驱动信号在d-q坐标系下的三相稳态电流模值；θ₁、θ₂分别为两次空载稳态运行状态下的驱动信号的电压矢量与电流矢量间的夹角。

2.如权利要求1所述永磁同步电机的磁链系数辨识方法，其特征在于，所述控制方法为电压开环控制方法或电流闭环控制方法。

3.如权利要求1所述永磁同步电机的磁链系数辨识方法，其特征在于，U₁、U₂、i_sd1、i_sd2通过以下方法得到：分别在两次空载稳态运行状态下获得驱动信号的三相电流峰值I_{abc_1}、I_{abc_2}和三相电压峰值U_{abc_1}、U_{abc_2}，然后对I_{abc_1}、I_{abc_2}、U_{abc_1}、U_{abc_2}进行坐标变换，即得到两次空载稳态运行状态下的驱动信号在d-q坐标系下的三相稳态电压模值U₁、U₂及三相稳态电流模值i_sd1、i_sd2。