CN108183648B - 一种基于逆变器非线性补偿的永磁同步电机参数辨识方法 - Google Patents

一种基于逆变器非线性补偿的永磁同步电机参数辨识方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于逆变器非线性补偿的永磁同步电机参数辨识方法，首先在永磁同步电机的矢量控制的基础上，对逆变器非线性进行研究，考虑逆变器非线性因素的对参数辨识的影响并针对非线性带来的误差电压进行在线死区补偿；在死区补偿的基础上对电机闭环控制的参数进行离线辨识，提高辨识精度；最后采用最小二乘法和模型参考自适应两种方法结合实现多参数同时在线辨识。本发明能够在低速的情况下，较快的时间上同时辨识出电机电感、永磁磁链和电阻值，具有较大推广应用价值。

Description

一种基于逆变器非线性补偿的永磁同步电机参数辨识方法
技术领域
本发明属于永磁同步电机的参数辨识技术领域，具体涉及一种基于逆变器非线性补偿的永磁同步电机参数辨识方法。
背景技术
永磁同步电动机(PMSM)由于自身结构简单，具有转速平稳、动态响应快、过载能力强、可靠性高、结构多样化、应用范围广等优点，已成为研究热点，并得到广泛的应用。
永磁同步电机常用的控制策略为矢量控制和直接转矩控制。矢量控制的方法主要有：id＝0控制，弱磁控制、cosφ＝1控制和最大转矩电流比控制。矢量控制主要是采用双闭环控制，其中的电流环和转速环的设计是采用基于线性***理论的PI控制，对电机参数的变化敏感。而且在实际应用中，针对不同厂商生产的电机，需要控制器能够辨识所需参数实现良好控制性能。同时，在电动汽车应用中，电机驱动***的可靠运行有严格的要求，需要进行故障的早期诊断。故障的在线监控能够通过对电机参数进行辨识来实现，使得参数辨识成为早期故障诊断的重要方法之一。综上所诉，PMSM的参数辨识可以实现控制器的参数整定及早期的故障诊断，能够提高控制器控制准确和可靠运行，具有重要的理论研究意义。PMSM需要辨识的电磁参数为：Rs、Ld、Lq和ψf。影响电机参数的主要因素是温度变化和磁路饱和。在线参数辨识是根据电机的输入输出数据，采用不同的算法辨识出电机参数，并且不断根据新的数据对参数进行更新。跟离线辨识方法相比，在线参数辨识可以对运行状态实时监控，同时参数的实时更新可以增强控制器的自适应控制。目前参数在线辨识的辨识算法主要有：递推最小二乘法、模型参考自适应、扩展卡尔曼滤波以及智能算法等。
同时，在参数辨识过程中逆变器非线性的存在对于参数辨识结果产生较严重的负面影响，如何抑制逆变器非线性电压误差提高辨识结果的精度也是当今研究的热点。在参数辨识中，逆变器非线性将对估计转子信息带来较严重的影响，特别是低速、轻载情况时，由于相电流较小而大部分时间处于零电流钳位区从而导致较严重的非线性电压误差，影响参数辨识的精度。故在永磁同步电机参数辨识的同时需要考虑逆变器非线性带来的影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对逆变器非线性对参数辨识精度的影响，对于采用单一方法进行电机的多参数辨识产生的辨识方程欠秩，出现辨识参数非唯一解问题。本发明提供了基于逆变器非线性补偿的永磁同步电机参数辨识方法，以达到永磁同步电机能够在低速情况下，在较快的时间上同时辨识出电机电感、永磁磁链和电阻值。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种基于逆变器非线性补偿的永磁同步电机参数辨识方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：在永磁同步电机的矢量控制的基础上，对逆变器非线性进行研究，考虑逆变器非线性因素的对参数辨识的影响并针对非线性带来的误差电压进行在线死区补偿；
步骤2：在死区补偿的基础上对电机闭环控制的参数进行离线辨识，提高辨识精度；
步骤3：采用最小二乘法和模型参考自适应两种方法结合实现多参数同时在线辨识。
作为改进，步骤1中逆变器的非线性因素包括驱动器开关器件的开关死区、开关器件的管压降、以及开关延时。
作为改进，步骤1中在线死区补偿方法为：设计扰动观测器观测出死区效应带来的误差电压作为扰动电压，并对其进行在线估计，然后前馈给逆变器输入端，采取电压前馈的方式对死区效应进行在线补偿。
作为改进，步骤2中，采用直流实验法对定子电阻进行离线辨识，首先对电机通入任意方向的恒定电压矢量，待电机旋转到一定位置停止后，记录此时定子电流，计算定子电阻值。
作为改进，步骤2中，对同步电机d轴和q轴电感值进行离线辨识方法为：分别在d轴和q轴注入高频电压信号，利用离散傅里叶变换提取高频电流响应的幅值及相位信息，从而得出d轴和q轴的电感值。
作为改进，步骤3中，模型参考自适应法需要输入定子电压ud、uq和定子电流id，iq，辨识出参数永磁体磁链ψf和电机电感L。
作为改进，步骤3中，最小二乘法辨识参数需要在步骤2辨识出参数的基础上，在考虑电机定子电压ud、uq和定子电流id，iq，辨识出参数电机电阻Rs。
本发明与现有技术相比具有以下的主要的优点：
1.与现有技术相比，本发明考虑逆变器非线性带来的影响，进行逆变器非线性补偿，提高精度。
2.对于采用单一方法进行电机的多参数辨识产生的辨识方程欠秩，出现辨识参数非唯一解问题，提出结合两种方法实现一次辨识电机四个电磁参数解决电机多参数同时辨识问题。
附图说明
图1为本发明实施例的总体结构示意图；
图2为永磁同步电机矢量控制框图；
图3为带死区补偿的矢量控制原理框图；
图4为定子电阻离线辨识等效模型；
图5为高频注入法测量的d轴和q轴电感原理图；
图6为模型自适应参数辨识***框图；
图7是不带死区补偿的电机运行仿真波形图；
图8是带死区补偿的电机运行仿真波形图；
图9是永磁同步电机参数辨识的定子电阻辨识仿真波形图；
图10是永磁同步电机参数辨识的永磁体磁链辨识仿真波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1，本发明包括以下步骤：
步骤1：在永磁同步电机的矢量控制的基础上，对逆变器非线性进行研究，考虑逆变器非线性因素的对参数辨识的影响并针对非线性带来的误差电压进行在线死区补偿；
步骤2：在死区补偿的基础上对电机闭环控制的参数进行离线辨识，提高辨识精度；
步骤3：采用最小二乘法和模型参考自适应两种方法结合实现多参数同时在线辨识。采用模型参考自适应方法，利用电阻初始值进行电感和永磁磁链的在线辨识。模型参考自适应需要输入定子电压ud、uq和定子电流id，iq，辨识出参数永磁体磁链ψf和电机电感L；采用辨识算法简单，占用***时间最小，而且满足参数辨识精度的最小二乘法来对PMSM的定子电阻进行在线辨识。在步骤2辨识出永磁体磁链ψf和电机电感L参数的基础上，在考虑电机定子电压ud、uq和定子电流id，iq，辨识出参数电机电阻Rs。
如图2所示，永磁同步电机的矢量控制是把交流电机当成直流电机来控制，即模拟直流电机的控制特点进行永磁同步电机的控制。对永磁同步电机的数学模型具体如下公式：
在两相同步旋转坐标系中，定子电压方程为：
Figure BDA0001557897790000031
公式(1)中：ud和uq分别表示定子电压在d轴(直轴)和q轴(交轴)的分量，id和iq分别表示定子电流在d轴和q轴的分量；Rs为电机给定的定子电阻，Ld和Lq分别表示电机直轴电感和交轴电感；ωr为电机角速度；ψf为永磁体磁链；p为电机极对数。
如图3所示，采用的方法将死区效应等各种非理想因素造成的死区误差电压转换到两相旋转坐标系中，作为扰动电压，并对其进行在线估计，然后前馈给逆变器输入端，进行电压前馈补偿。
在两相同步旋转坐标系中，考虑死区时间带来的影响，定子电压方程因在上面的公式中加上死区误差电压，故为：
Figure BDA0001557897790000041
公式(2)中：ud和uq分别表示定子电压在d轴(直轴)和q轴(交轴)的分量，id和iq分别表示定子电流在d轴和q轴的分量；Rs为电机给定的定子电阻，Ld和Lq分别表示电机直轴电感和交轴电感；ωr为电机角速度；ψf为永磁体磁链；记ue d rr和ue q rr分别为d轴和q轴的死区误差电压；p为电机极对数。
根据上式的离散数学模型，可以得到死区误差电压的离散表达式：
Figure BDA0001557897790000042
上式中k为离散参数，在一个采样周期内死区效应引起的扰动电压没有较大的变化，因此有:
Figure BDA0001557897790000043
基于上式的假设，当前时刻的扰动电压可通过前一时刻的扰动电压来估计。估计计算公式如下：
Figure BDA0001557897790000044
如图4所示，当给永磁同步电机的三相绕组施加一较低的直流电压，施加方式如图4所示，这时电机的定子侧没有交变的电流，不会产生旋转磁场，因而电机转子不会转动，也没有反电动势，这时产生的三相定子电流会很快到达一个稳定的值。因为电机不会转动并且电流是一个稳定的值，因此在稳态时，上式中的第三项和第二项为0，于是可以得到式：us＝Rsis。因为三相定子电阻是相等的，故定子电阻的计算公式可以由式来表示：
Figure BDA0001557897790000051
如图5所示，在基于复合信号注入的永磁同步电机离线参数辨识方案中，一方面通过向d轴注入高频电压信号的方式，分析注入电压与响应电流幅值之间的关系估计出电感值。根据d-q轴电压方程所知，在电机处于静止状态下ωr为0，在高频电机模型中，相对于电抗而言定子电阻值很小，基本可以忽略，从而永磁同步电机的数学模型公式简化为：
Figure BDA0001557897790000052
从上式中可以看出，若通过信号幅值提取的方法提取到注入频率下高频电压及响应电流幅值，便可计算出该频率下电抗，忽略电阻影响，即得到感抗值，进而得出该轴电感估计值。
如图6所示，电机在高速运转状态下，采用模型参考自适应方法，首先利用离线辨识得出电阻初始值，然后以此为基础进行电感和永磁磁链的在线辨识；最后采用辨识算法简单，占用***时间最小，而且满足参数辨识精度的最小二乘法来对PMSM的定子电阻进行在线辨识。
图7是不带死区补偿的电机运行仿真波形图和图8是带死区补偿的电机运行仿真波形图，可以看出进行逆变器补偿的电机电流波形更加平稳，能够保证参数辨识的精度有所提高。对上诉方法进行仿真验证，永磁同步电机在运行到0.1s时进行参数辨识。根据图9是永磁同步电机参数辨识的定子电阻辨识仿真波形图、图10是永磁同步电机参数辨识的永磁体磁链辨识仿真波形图，可以看出上诉方法可以有效的辨识出需要的电阻值和永磁体磁链值。

Claims (3)

1.一种基于逆变器非线性补偿的永磁同步电机参数辨识方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：在永磁同步电机的矢量控制的基础上，对逆变器非线性进行研究，考虑逆变器非线性因素的对参数辨识的影响并针对非线性带来的误差电压进行在线死区补偿；
步骤2：在死区补偿的基础上对电机闭环控制的参数进行离线辨识，提高辨识精度；采用直流实验法对定子电阻进行离线辨识，首先对电机通入任意方向的恒定电压矢量，待电机旋转到一定位置停止后，记录此时定子电流，计算定子电阻值；然后分别在d轴和q轴注入高频电压信号，利用离散傅里叶变换提取高频电流响应的幅值及相位信息，从而得出d轴和q轴的电感值；
步骤3：采用最小二乘法和模型参考自适应两种方法结合实现多参数同时在线辨识，采用模型参考自适应方法，利用电阻初始值进行电感和永磁磁链的在线辨识；模型参考自适应需要输入定子电压ud、uq和定子电流id，iq，辨识出参数永磁体磁链ψf和电机电感L；采用最小二乘法来对PMSM的定子电阻进行在线辨识，在辨识出永磁体磁链ψf和电机电感L参数的基础上，在考虑电机定子电压ud、uq和定子电流id，iq，辨识出参数电机电阻Rs。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机参数辨识方法，其特征在于：步骤1中逆变器的非线性因素包括驱动器开关器件的开关死区、开关器件的管压降、以及开关延时。
3.根据权利要求1所述的永磁同步电机参数辨识方法，其特征在于：步骤1中在线死区补偿方法为：设计扰动观测器观测出死区效应带来的误差电压作为扰动电压，并对其进行在线估计，然后前馈给逆变器输入端，采取电压前馈的方式对死区效应进行在线补偿。
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