CN108988722A - 一种永磁同步电机的交直轴电感特性曲线的测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种永磁同步电机的交直轴电感特性曲线的测定方法，本发明测定方法可以辨识永磁同步电机在不同磁饱和程度下的交轴电感和直轴电感，克服逆变器中开关元件的导通压降和死区效应对输出电压的影响，提高电流采样的信噪比，提高电感辨识精度，根据电感辨识结果绘制直轴和交轴的电感特性曲线。

Description

一种永磁同步电机的交直轴电感特性曲线的测定方法

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机的交直轴电感特性曲线的测定方法。

背景技术

在永磁同步电机控制中，交直轴电感对电流环调节器、弱磁控制算法、最大转矩电流比算法、无速度传感器速度估算算法等诸多环节，都有不同程度的影响。

永磁同步电机的交轴电感Lq和直轴电感Ld受磁路饱和程度的影响较大，对于内嵌式永磁同步电机，Lq和Ld在不同的磁饱和程度下变化范围可达1～3倍。现有的交直轴电感测量方法有基于时域的脉冲电压法和基于频域的交流注入法，现有方法只能测出电机在某一饱和程度下的电感量，无法准确测出电机在不同磁饱和程度下的电感量，无法测定出d轴和q轴的电感随磁饱和程度变化的特性曲线。现有方法在实施过程中受逆变器死区效应和电流采样噪声影响较大，精度较差。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种永磁同步电机的交直轴电感特性曲线的测定方法，包括以下步骤：

步骤1：首先打开制动器，使电机轴可自由旋转，用驱动器控制永磁同步电机，将电机转子轴旋转到-30°电角度的位置，然后锁定制动器，使电机轴固定。

步骤2：维持驱动器的q轴电压为0，坐标变换角θ为-30°；

将给定电流I^*设定为通过PI调节器控制驱动器输出的d轴电压，使d轴反馈电流达到设定点然后延时T_delay，向电流给定I^*中注入高频正弦分量I_hsin(ω_ht)。待高频电流稳定后，采集驱动器的输出电压指令和反馈电流i_d，对采集到的输出电压和反馈电流i_d进行傅里叶分析，计算电感L_d1；

步骤3：将给定电流依次设定为重复第二步，可得到电感

步骤4：打开制动器，使电机轴可自由旋转，用驱动器控制永磁同步电机，将电机转子轴旋转到-120°电角度的位置，然后锁定制动器，使电机轴固定。

步骤5：维持驱动器的d轴电压为0，坐标变换角θ为-30°；

将给定电流I^*设定为通过PI调节器控制驱动器输出的d轴电压，使d轴反馈电流达到设定点然后延时T_delay，向电流给定I^*中注入高频正弦分量I_hsin(ω_ht)。待高频电流稳定后，采集驱动器的输出电压指令和反馈电流i_d，对采集到的输出电压和反馈电流i_d进行傅里叶分析，计算电感L_q1；

步骤6：将给定电流依次设定为重复第5步，可得到电感

步骤7：上位机通过通信接口读取驱动器中存储的各磁饱点的电流设定值和电感辨识值，绘制出直轴和交轴的电感特性曲线。

进一步地，驱动器输出的电压控制方法如下：

需要用到Park^-1变换(公式1)和Clarke^-1变换(公式2)，Park^-1变换用于将两相旋转坐标系中的物理量变换到两相静止坐标系，Clarke^-1变换用于将两相静止坐标系中的物理量变换到三相静止坐标系。

当采用u_q＝0，θ＝-30°的控制策略时，通过公式(1)～(2)的变换，得到 u_C＝0；可见控制逆变器时，可以保持C相桥臂为封锁状态。

C相桥臂维持封锁状态时，i_C＝0；本发明中使用0.5(i_A-i_B)作为i_A的实际采样值，以提高采样电流的信噪比，于是得到反馈量i_d的计算公式：

进一步地，在步骤3～4、6～7步骤中，当反馈电流id到达设定的直流电流后，延时T_delay，确保电机磁场稳定后，向给定电流I^*中注入幅值为I_h，角频率为ω_h的高频电流。注入高频电流时，给定电流I^*的表达式为(4)和(5)，其中(4)为辨识直轴电感Ld时的给定电流，(5)为辨识交轴电感Lq时的给定电流；

注入高频电流的角频率ω_h＝2πF_h。

进一步地，傅里叶分析算法如下：

周期性序列{x(n)，n＝0，1，...，L-1}的傅里叶变换为：

X(1)为基频分量，在本方法中代表与高频注入信号频率相同的分量。

令k＝1，得到X(1)表达式如下：

对采样的电压序列和电流序列，计算傅里叶变换的基频分量，得到：

U(1)＝U_1re+jU_1im (8)

I(1)＝I_1re+jI_1im (9)

计算电压矢量和电流矢量的夹角：

其中为PWM发波延时和电流采样延时的补偿量。

电机的感抗为电路阻抗的虚部：

于是，在设定的磁饱和程度下的电感为：

根据此方法计算出每个磁饱和点的交轴电感和直轴电感。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、辨识永磁同步电机在不同磁饱和程度下的交轴电感和直轴电感；

2、克服逆变器中开关元件的导通压降和死区效应对输出电压的影响，提高电流采样的信噪比，提高电感辨识精度；

3、根据电感辨识结果绘制直轴和交轴的电感特性曲线。

附图说明

图1为本发明***结构图；

图2为本发明方法流程图；

图3为经过本发明方法得到d轴电感曲线图；

图4为经过本发明方法得到q轴电感曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明方法基于如图1所示的***，***中各设备的作用如下：

驱动器101：控制永磁同步电机，将电机轴旋转到所需的位置；执行电感辨识算法，输出电感辨识算法需要的电压，使电机的定子电流跟随指令的变化，采样输出的电压和电流，进行傅里叶分析，计算不同磁饱和程度下的交轴电感和直轴电感；向上位机发送各磁饱和点的设定电流以及辨识到的交轴电感和直轴电感，供上位机分析以及绘制电感特性曲线。

永磁同步电机102：测定对象，可以是表贴式永磁同步电机，也可以是内嵌式永磁同步电机，执行本发明所提出的实验步骤后，可以得到此电机在不同磁饱和程度下的直轴电感Ld和交轴电感Lq，以及此电机的交轴和直轴的电感特性曲线。

制动，103：固定永磁同步电机的转子轴，确保在执行辨识算法的过程中，电机轴处于静止状态。

上位机104：读取驱动器中存储的各磁饱和电流设定点以及对应的电感辨识值，绘制出直轴以及交轴的电感特性曲线。

本发明所提供的方法，其执行步骤如图2所示。

S01：开始

S02：首先打开制动器，使电机轴可自由旋转，用驱动器控制永磁同步电机，将电机转子轴旋转到-30°电角度的位置，然后锁定制动器，使电机轴固定。

S03：维持驱动器的q轴电压为0，坐标变换角θ为-30°；

将给定电流I^*设定为通过PI调节器控制驱动器输出的d轴电压，使d轴反馈电流达到设定点然后延时T_delay，向电流给定I^*中注入高频正弦分量I_hsin(ω_ht)。待高频电流稳定后，采集驱动器的输出电压指令和反馈电流i_d，对采集到的输出电压和反馈电流i_d进行傅里叶分析，计算电感L_d1。

S04：将给定电流依次设定为重复第二步，可得到电感

S05：打开制动器，使电机轴可自由旋转，用驱动器控制永磁同步电机，将电机转子轴旋转到-120°电角度的位置，然后锁定制动器，使电机轴固定。

S06：维持驱动器的q轴电压为0，坐标变换角θ为-30°；

将给定电流I^*设定为通过PI调节器控制驱动器输出的d轴电压，使d轴反馈电流达到设定点然后延时T_delay，向电流给定I^*中注入高频正弦分量I_hsin(ω_ht)。待高频电流稳定后，采集驱动器的输出电压指令和反馈电流i_d，对采集到的输出电压和反馈电流i_d进行傅里叶分析，计算电感L_q1。

S07：将给定电流依次设定为重复第5步，可得到电感

S08：上位机通过通信接口读取驱动器中存储的各磁饱点的电流设定值和电感辨识值，绘制出直轴和交轴的电感特性曲线。

本发明中驱动器输出电压控制方法如下：

在控制逆变器的电压输出时，需要用到Park^-1变换(公式1)和Clarke^-1变换(公式2)， Park^-1变换用于将两相旋转坐标系中的物理量变换到两相静止坐标系，Clarke^-1变换用于将两相静止坐标系中的物理量变换到三相静止坐标系。

当采用u_q＝0，θ＝-30°的控制策略时，通过公式(1)～(2)的变换，得到 u_C＝0；可见控制逆变器时，可以保持C相桥臂为封锁状态。

C相桥臂维持封锁状态时，i_C＝0；本发明中使用0.5(i_A-i_B)作为i_A的实际采样值，以提高采样电流的信噪比，于是得到反馈量i_d的计算公式：

电流及电压控制方法如下：电压给定来自于电流PI调节器的输出，电压给定维持为0，坐标变换角θ维持为-30°。PI调节器的给定为电流指令I^*，PI调节器的反馈为由公式(3)计算的d轴电流id。给定电压和通过SVPWM调制，输出到永磁同步电机， SVPWM属于成熟的技术，不再复述。

不同磁饱和点的电感辨识时(步骤S203～S204、S206～S207)采用此控制策略。

由于交轴超前直轴90°电角度，因此辨识交轴电感时，将电机转子固定在-120°电角度的位置，输出电压控制策略与辨识直轴电感时相同。

高频信号注入及信号采样的方法如下：

在步骤3～4、6～7步骤中，当反馈电流id到达设定的直流电流后，延时T_delay，确保电机磁场稳定后，向给定电流I^*中注入幅值为I_h，角频率为ω_h的高频电流。注入高频电流时，给定电流I^*的表达式为(4)和(5)，其中(4)为辨识直轴电感Ld时的给定电流，(5) 为辨识交轴电感Lq时的给定电流。

注入高频电流的角频率ω_h＝2πF_h。

在注入高频电流时，为了确保电机的线电流不过零，维持单一方向，以减小逆变器死区效应的影响，本方法中选取的高频电流幅值I_h为电机额定电流的5％～15％，各直流给定的绝对值大于I_h。由于高频注入时给定电流I^*在直流给定的附近作小幅变化，因此逆变器死区及管压降引起的损失电压近似恒定，这部分在频域中体现为直流分量，对傅里叶分析时的基频分量(交流分量)不产生影响，因此本方法基本上不受逆变器死区及管压降的影响。

高频电流稳定后，先采集1个高频电流周期的电压和电流id，采样间隔为半个PWM载波周期，共L个采样点，得到电压序列{u(n)，n＝0，1，...，L-1}和电流序列 {i(n)，n＝0，1，...，L-1}。对此电压序列和电流序列进行傅里叶变换以计算电感。用同样的方法计算多个高频周期的电感量，将它们的平均值作为该磁饱和点下的电感L_d或L_q。关于用傅里叶变换计算电感的方法将在下一节介绍。

傅里叶变换法计算交轴电感和直轴电感的原理如下：

周期性序列{x(n)，n＝0，1，...，L-1}的傅里叶变换为：

X(1)为基频分量，在本方法中代表与高频注入信号频率相同的分量。

令k＝1，得到X(1)表达式如下：

对采样的电压序列和电流序列，计算傅里叶变换的基频分量，得到：

U(1)＝U_1re+jU_1im (8)

I(1)＝I_1re+jI_1im (9)

计算电压矢量和电流矢量的夹角：

其中为PWM发波延时和电流采样延时的补偿量。

电机的感抗为电路阻抗的虚部：

于是，在设定的磁饱和程度下的电感为：

根据此方法计算出每个磁饱和点的交轴电感和直轴电感。

电感特性曲线的绘制。

辨识过程结束后，上位机通过通信口读取驱动器中存储的各个电流设定点及对应的电感辨识值，然后将坐标绘制到以I_d为横轴，L_d为纵轴的坐标系中，将各坐标点连接起来可得到直轴的电感特性曲线。

同理，将坐标绘制到以I_q为横轴，L_q为纵轴的坐标系中，将各坐标点连接起来可得到交轴的电感特性曲线。

根据此方法绘制某永磁同步电机的直轴和交轴电感特性曲线分别如图3和图4所示。

尽管上述图文已经描述了本发明的优选实施例的说明，但本领域内的技术人员一旦得知了本创造性地概念，则可以对这些实施例做另外的变更和修改，所以，所附的权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更及修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型而不脱离本发明的思想和范围，这样，尚若对本发明的这些修改和变形属于本发明权利要求及其等同技术范围之内，则本发明意图包含这些改动和变形在内。

Claims (4)

1.一种永磁同步电机的交直轴电感特性曲线的测定方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：首先打开制动器，使电机轴可自由旋转，用驱动器控制永磁同步电机，将电机转子轴旋转到-30°电角度的位置，然后锁定制动器，使电机轴固定。

步骤2：维持驱动器的q轴电压为0，坐标变换角θ为-30°；

将给定电流I^*设定为通过PI调节器控制驱动器输出的d轴电压，使d轴反馈电流达到设定点然后延时T_delay，向电流给定I^*中注入高频正弦分量I_hsin(ω_ht)。待高频电流稳定后，采集驱动器的输出电压指令和反馈电流i_d，对采集到的输出电压和反馈电流i_d进行傅里叶分析，计算电感L_d1；

步骤3：将给定电流依次设定为重复第二步，可得到电感

步骤4：打开制动器，使电机轴可自由旋转，用驱动器控制永磁同步电机，将电机转子轴旋转到-120°电角度的位置，然后锁定制动器，使电机轴固定。

步骤5：维持驱动器的d轴电压为0，坐标变换角θ为-30°；

将给定电流I^*设定为通过PI调节器控制驱动器输出的d轴电压，使d轴反馈电流达到设定点然后延时T_delay，向电流给定I^*中注入高频正弦分量I_h sin(ω_ht)。待高频电流稳定后，采集驱动器的输出电压指令和反馈电流i_d，对采集到的输出电压和反馈电流i_d进行傅里叶分析，计算电感L_q1；

步骤6：将给定电流依次设定为重复第5步，可得到电感

步骤7：上位机通过通信接口读取驱动器中存储的各磁饱点的电流设定值和电感辨识值，绘制出直轴和交轴的电感特性曲线。

2.根据权利要求1所述测定方法，其特征在于：驱动器输出的电压控制方法如下：

需要用到Park^-1变换(公式1)和Clarke^-1变换(公式2)，Park^-1变换用于将两相旋转坐标系中的物理量变换到两相静止坐标系，Clarke^-1变换用于将两相静止坐标系中的物理量变换到三相静止坐标系。

当采用u_q＝0，θ＝-30°的控制策略时，通过公式(1)～(2)的变换，得到u_C＝0；可见控制逆变器时，可以保持C相桥臂为封锁状态。

C相桥臂维持封锁状态时，i_C＝0；本发明中使用0.5(i_A-i_B)作为i_A的实际采样值，以提高采样电流的信噪比，于是得到反馈量i_d的计算公式：

3.根据权利要求1所述测定方法，其特征在于：在步骤3～4、6～7步骤中，当反馈电流id到达设定的直流电流后，延时T_delay，确保电机磁场稳定后，向给定电流I^*中注入幅值为I_h，角频率为ω_h的高频电流。注入高频电流时，给定电流I^*的表达式为(4)和(5)，其中(4)为辨识直轴电感Ld时的给定电流，(5)为辨识交轴电感Lq时的给定电流；

注入高频电流的角频率ω_h＝2πF_h。

4.根据权利要求1所述方法，其特征在于：傅里叶分析算法如下：

周期性序列{x(n)，n＝0，1，...，L-1}的傅里叶变换为：

X(1)为基频分量，在本方法中代表与高频注入信号频率相同的分量。

令k＝1，得到X(1)表达式如下：

对采样的电压序列和电流序列，计算傅里叶变换的基频分量，得到：

U(1)＝U_1re+jU_1im (8)

I(1)＝I_1re+jI_1im (9)

计算电压矢量和电流矢量的夹角：

其中为PWM发波延时和电流采样延时的补偿量。

电机的感抗为电路阻抗的虚部：

于是，在设定的磁饱和程度下的电感为：

根据此方法计算出每个磁饱和点的交轴电感和直轴电感。