CN111917350A - 一种磁链可调永磁辅助同步磁阻电机的多参数辨识方法 - Google Patents

一种磁链可调永磁辅助同步磁阻电机的多参数辨识方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磁链可调永磁辅助同步磁阻电机的多参数辨识方法，在转矩磁链控制算法的配合下，本发明提出的参数辨识方法主要分为四个步骤：步骤A是基于离线有限元电磁场分析建立的静态电感数据表以及铁损电流数据表；步骤B是基于高频分量的高频等效电阻和动态电感辨识；步骤C是基于基频分量的定子电阻和永磁磁链辨识；步骤D是不同矫顽力磁链分离以及转子温度辨识。本发明方法不仅可以实现磁链可调永磁辅助同步磁阻电机的静/动态电感，定子电阻，永磁磁链，转子温度等多物理参数的在线辨识，而且还能实现低矫顽力永磁磁链的动态分离。

Description

一种磁链可调永磁辅助同步磁阻电机的多参数辨识方法
技术领域
本发明涉及一种磁链可调永磁辅助同步磁阻电机的多参数辨识方法，属于电机参数辨识技术领域。
背景技术
磁链可调永磁辅助同步磁阻电机采用永磁和直轴电流混合励磁方式，采用永磁转矩辅助磁阻转矩，转子无铜耗，且转子中引入了磁链可调的低矫顽力永磁体，因此该类电机在转矩密度、功率因数、效率、调磁能力、容错方面具有良好的综合电机性能。磁链可调永磁辅助同步磁阻电机的高性能控制和提升转矩性能离不开电机模型参数的在线识别。
现有永磁同步电机的参数辨识主要分为以下几类：1)基于电机基频分量的电机参数辨识方法。一般而言电机状态方程数常少于需要辨识的参数量，需要采用了部分参数额定值设定，扰动注入等方法解决这种电机参数辨识的欠秩问题。2)基于电机高频电压和电流信号模型的电机参数辨识方法。通过向电机注入高频电压信号或磁链激励信号，提取高频电压或电流响应信号，进而根据电机的高频信号数学模型实时观测电机电感等参数。3)基于电阻、磁链等参数温度物理特性的电机参数辨识方法。通过反电势法和高频信号注入方法，结合温度物理特性对定子电阻和永磁磁链参数进行在线辨识。
与传统的永磁同步电机不同，磁链可调永磁辅助同步磁阻电机具有磁场空间谐波丰富、交/直轴电流耦合紧密、转子凸极性强、参数非线性时变的固有特点，因此给电机的参数在线辨识带来了难题。在稳定控制转矩的前提下，如何实现磁链可调永磁辅助同步磁阻电机的多参数辨识成为电机高性能控制以及广泛工业应用亟待解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种磁链可调永磁辅助同步磁阻电机的多参数辨识方法，将参数辨识方法与离线有限元电磁场分析、数据存储、数据拟合相结合，综合考虑了空间磁场谐波、磁饱和、交/直轴耦合、温度变化等多因素对电机模型的影响，实现参数辨识期间转矩无脉动。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种磁链可调永磁辅助同步磁阻电机的多参数辨识方法，包括以下步骤：
步骤1，基于离线有限元电磁场分析建立静态电感数据库以及损耗数据库；
步骤2，当磁链可调永磁辅助同步磁阻电机处于磁链转矩控制时，设置高频脉振磁链信号的频率，分别向直轴、交轴注入高频脉振磁链信号，并基于此对动态电感和高频等效电阻进行辨识；
步骤3，停止高频脉振磁链信号的注入，基于基频分量、静态电感数据库以及损耗数据库对定子电阻和永磁磁链进行辨识；
步骤4，结合步骤2辨识的高频等效电阻以及步骤3辨识的定子电阻对转子温度进行辨识，基于转子温度对不同矫顽力的永磁磁链进行分离。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤2的具体过程如下：
步骤2.1，当磁链可调永磁辅助同步磁阻电机处于磁链转矩控制时，设置高频脉振磁链信号的频率ωh1，分别从直轴、交轴注入高频脉振磁链信号，获取直轴注入时稳态情况下脉振磁链幅值|λsh|、直轴电流id1，获取交轴注入时稳态情况下脉振磁链幅值|λsh|、交轴电流iq1；
步骤2.2，利用离散傅里叶分析方法分析直轴电流id1和交轴电流iq1，得到直轴电流高频分量幅值Idh1和交轴电流高频分量幅值Iqh1，结合此时高频脉振磁链信号的幅值|λsh|，计算直轴动态电感
Figure BDA0002549927490000021
和交轴动态电感
Figure BDA0002549927490000022
步骤2.3，当磁链可调永磁辅助同步磁阻电机处于磁链转矩控制时，设置高频脉振磁链信号的频率ωh2，从直轴注入高频脉振磁链信号获取稳态情况下直轴电压ud2、直轴电流id2；
步骤2.4，利用离散傅里叶分析方法分析直轴电压ud2和直轴电流id2，得到直轴电压高频分量幅值Udh2和直轴电流高频分量幅值Idh2，结合此时高频脉振磁链信号的频率ωh2计算高频等效电阻Reqh。
作为本发明的一种优选方案，所述直轴动态电感
Figure BDA0002549927490000031
和交轴动态电感
Figure BDA0002549927490000032
计算公式如下：
Figure BDA0002549927490000033
Figure BDA0002549927490000034
Figure BDA0002549927490000035
Figure BDA0002549927490000036
高频等效电阻Reqh计算公式如下：
Figure BDA0002549927490000037
Figure BDA0002549927490000038
其中，N为采样点数，ωs为***采样角频率，j表示虚数单位，id1(k)、iq1(k)分别为第k次采样的直轴电流、交轴电流，id2(k)、ud2(k)分别为第k次采样的直轴电流、直轴电压。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤3的具体过程如下：
步骤3.1，停止高频脉振磁链信号的注入，设置永磁磁链初始值λpm(i＝0)；
步骤3.2，获取稳态情况下的定子直轴电压ud、交轴电压uq，定子直轴电流id、交轴电流iq，以及转速ωr；
步骤3.3，根据步骤1建立的静态电感数据库，利用当前永磁磁链λpm(i)和定子直轴电流id、交轴电流iq获得直、交轴静态电感Ld、Lq；
步骤3.4，根据步骤1建立的损耗数据库，利用当前永磁磁链λpm(i)和定子直轴电流id、交轴电流iq获得直、交轴损耗电流idF、iqF；
步骤3.5，根据直、交轴损耗电流idF、iqF，定子直轴电压ud、交轴电压uq，定子直轴电流id、交轴电流iq，以及转速ωr，计算定子电阻Rs和永磁磁链λpm；
步骤3.6，将当前永磁磁链λpm(i)与步骤3.5计算得到的永磁磁链λpm进行对比，当误差|λpm(i)-λpm|小于等于设定容许范围λΔ时，执行步骤3.9；当误差|λpm(i)-λpm|大于设定容许范围λΔ时，执行步骤3.7；
步骤3.7，增加迭代计数i＝i+1；
步骤3.8，将永磁磁链设置为计算值λpm(i)＝λpm，返回步骤3.2；
步骤3.9，结束迭代过程，定子电阻和永磁磁链的计算值。
作为本发明的一种优选方案，所述定子电阻Rs计算公式如下：
Figure BDA0002549927490000041
永磁磁链λpm计算公式如下：
Figure BDA0002549927490000042
作为本发明的一种优选方案，所述步骤4的具体过程如下：
步骤4.1，获取不同矫顽力永磁体的温度物理特性，建立其永磁磁链与温度的数据表格λ＝LUT_T(T)；
步骤4.2，在工作前测定定子绕组温度T0，结合步骤2提供的初始时刻高频等效电阻Reqh(0)以及步骤3提供的初始时刻定子电阻Rs(0)，获得转子等效电阻初始值Rreqh(0)和转子温度初始值Tr0；
Rreqh(0)＝Reqh(0)-Rs(0)
Tr0＝T0
步骤4.3，结合步骤2提供的t时刻高频等效电阻Reqh(t)以及步骤3提供的t时刻定子电阻Rs(t)，计算高频信号注入下转子等效电阻Rreqh(t)及转子温度Tr；
Rreqh(t)＝Reqh(t)-Rs(t)
Figure BDA0002549927490000043
其中，α为转子等效电阻的温度系数；
步骤4.4，根据高矫顽力永磁体的温度特性，结合步骤4.3提供的转子温度计算其永磁磁链λHCF＝LUT_T(Tr)；
步骤4.5，根据高矫顽力的永磁磁链λHCF分离出低矫顽力的永磁磁链λLCF：
λLCF＝λpm-λHCF
其中，λpm为永磁磁链。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明将电机参数辨识方法和电机离线有限元电磁场分析、数据存储、数据拟合相结合，电机控制模型综合考虑了空间磁场谐波、磁饱和、交/直轴耦合、温度变化等多因素影响，因此用于磁链可调永磁辅助同步磁阻电机多参数辨识的电机数学模型更加准确。
2、本发明采用了不同频率段的高频磁链信号注入，在稳定控制电机转矩前提下，可同时实现电机动态电感和电机高频电阻的在线辨识，并为电机的温度观测提供依据。
3、本发明依据不同永磁体的不同温度特性，结合电机转子温度辨识，可实现不同矫顽力永磁体的磁链进行了分离，为磁链可调永磁辅助同步磁阻电机***的低矫顽力永磁体在线充/去磁提供永磁磁链的磁化状态。
4、本发明充分利用有限元离线电磁场分析、高频信号注入及状态观测、基频状态方程观测、永磁体温度物理特性多信息融合的方式，相互提供支撑信息，有效且准确实现了磁链可调永磁辅助同步磁阻电机的静/动态电感，定子电阻，永磁磁链，转子温度等多物理参数的在线辨识。
附图说明
图1是基于磁链转矩控制磁链可调永磁辅助同步磁阻电机的多参数辨识控制框图。
图2是本发明一种磁链可调永磁辅助同步磁阻电机的多参数辨识方法流程图。
图3是基于高频分量的高频等效电阻和电感辨识流程图。
图4是基于基频分量的定子电阻和永磁磁链辨识流程图。
图5是不同矫顽力磁链分离以及转子温度辨识流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
如图1、图2所示，在转矩磁链控制算法的配合下，一方面由转矩磁链控制算法实施高频磁链信号的注入，另一方面由转矩磁链控制算法提供磁链可调永磁辅助同步磁阻电机稳态时的高频磁链λsh，转速ωr，定子温度T0，交、直轴电压udq和电流idq。
基于此，本发明提出的参数辨识方法主要分为四个步骤：
步骤A是基于离线有限元电磁场分析建立的静态电感数据表格以及铁损电流数据表格；
步骤B是基于高频分量的高频等效电阻和动态电感辨识，具体步骤如图3所示：
步骤B.1：当磁链可调永磁辅助同步磁阻电机处于磁链转矩控制，设置高频脉振磁链信号的频率ωh1，其频率满足以下关系式：
Figure BDA0002549927490000061
其中ωs为***采样角频率，不妨设置为
Figure BDA0002549927490000062
直轴注入脉振磁链信号，其表达式如下：
Figure BDA0002549927490000063
然后获取直轴注入时稳态数据，包括脉振磁链幅值|λsh|、直轴电流id1。
交轴注入脉振磁链信号，其表达式如下：
Figure BDA0002549927490000064
然后获取交轴注入时稳态数据，包括脉振磁链幅值|λsh|、交轴电流iq1。
步骤B.2：利用离散傅里叶分析(Discrete Fourier Transform，DFT)分析直轴电流id1和交轴电流iq1，可以得到直轴电流高频分量幅值Idh1和交轴电流高频分量幅值Iqh1，其公式如下：
Figure BDA0002549927490000071
其中N为采样点数，ωs为***采样角频率，id1(k)，iq1(k)分别为第k次采样的直轴电流和交轴电流。结合此时高频脉振磁链信号的幅值|λsh|，最后计算出直轴动态电感
Figure BDA0002549927490000072
和交轴动态电感
Figure BDA0002549927490000073
Figure BDA0002549927490000074
步骤B.3：当磁链可调永磁辅助同步磁阻电机处于基于磁链转矩控制，设置高频脉振磁链信号的频率ωh2，其频率满足以下关系式：
Figure BDA0002549927490000075
其中ωh1为步骤B.1设置的高频磁链频率，不妨设置为
Figure BDA0002549927490000076
则此时高频脉振磁链信号表达式如下：
Figure BDA0002549927490000077
然后获取稳态数据，包括直轴电压ud2、直轴电流id2。
步骤B.4：利用DFT分析直轴电压ud2和直轴电流id2可以得到直轴电流高频分量幅值Idh2和直轴电压高频分量幅值Udh2：
Figure BDA0002549927490000078
其中N为采样点数，ωs为***采样角频率，id2(k)、ud2(k)分别为第k次采样的直轴电流和直轴电压。然后结合此时高频脉振磁链信号的频率ωh2计算高频等效电阻Reqh。
Figure BDA0002549927490000081
步骤C是基于基频分量的定子电阻和永磁磁链辨识，具体步骤如图4所示：
步骤C.1：停止高频磁链信号注入，设置永磁磁链初始值λpm(i＝0)。
步骤C.2：为获取稳态数据，包括定子电压udq(包括ud和uq)和电流idq(包括id和iq)，转速ωr。
步骤C.3：根据步骤A提供的静态电感数据库LUT_L(λpm(i),id,iq)，利用当前永磁磁链λpm(i)和定子电流idq获得静态电感Ld,Lq。
步骤C.4：根据步骤A提供的损耗数据库LUT_F(λpm(i),id,iq)，利用当前永磁磁链λpm(i)和定子电流idq获得损耗电流idF,iqF。
步骤C.5：根据损耗电流idF,iqF，定子电压udq和电流idq，转速ωr等计算定子电阻Rs和永磁磁链λpm。
步骤C.6：误差比较模块，将设置的永磁磁链λpm(i)与计算的永磁磁链λpm进行对比，当误差|λpm(i)-λpm|小于等于设定容许范围λΔ，则执行步骤C.9。如果误差|λpm(i)-λpm|大于设定容许范围λΔ，则执行步骤C.7。
步骤C.7：增加迭代计数i＝i+1。
步骤C.8：将永磁磁链设置为计算值λpm(i)＝λpm，返回步骤C.2。
步骤C.9：结束迭代过程，保存计算数值，便可以得到定子电阻Rs和永磁磁λpm链。
其中定子电阻计算公式如下：
Figure BDA0002549927490000082
从而永磁磁链计算公式如下：
Figure BDA0002549927490000083
步骤D是不同矫顽力磁链分离以及转子温度辨识，具体步骤如图5所示：
步骤D.1：获取不同矫顽力永磁体的温度物理特性，建立其永磁磁链与温度的数据表格λ＝LUT_T(T)。
步骤D.2：首先在工作前测定定子绕组温度T0，结合步骤B提供的高频等效电阻Reqh(0)以及步骤C提供的定子绕组电阻Rs(0)，从而获得转子等效电阻初始值Rreqh(0)和转子温度初始值Tr0。
Rreqh(0)＝Reqh(0)-Rs(0) (12)
Tr0＝T0 (13)
步骤D.3：结合步骤B提供的高频等效电阻Reqh(t)以及步骤C提供的定子绕组电阻Rs(t)，可以计算出高频信号注入下转子等效电阻Rreqh(t)，从而获得转子温度Tr。
Rreqh(t)＝Reqh(t)-Rs(t) (14)
Figure BDA0002549927490000091
其中系数α为转子等效电阻的温度系数。
步骤D.4：根据高矫顽力永磁体(钕铁硼永磁体)的温度特性，结合步骤D.3提供的转子温度计算其永磁磁链λHCF＝LUT_T(Tr)。
步骤D.5：根据这两组数据可以分离出低矫顽力(低矫顽力永磁体，如铝镍钴、钐钴等永磁体)的永磁磁链λLCF，如下式所示：
λLCF＝λpm-λHCF (16)
其中LUT_T为高矫顽力永磁体的永磁磁链随温度变化的数据表格。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种磁链可调永磁辅助同步磁阻电机的多参数辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，基于离线有限元电磁场分析建立静态电感数据库以及损耗数据库；
步骤2，当磁链可调永磁辅助同步磁阻电机处于磁链转矩控制时，设置高频脉振磁链信号的频率，分别向直轴、交轴注入高频脉振磁链信号，并基于此对动态电感和高频等效电阻进行辨识；
步骤3，停止高频脉振磁链信号的注入，基于基频分量、静态电感数据库以及损耗数据库对定子电阻和永磁磁链进行辨识；
步骤4，结合步骤2辨识的高频等效电阻以及步骤3辨识的定子电阻对转子温度进行辨识，基于转子温度对不同矫顽力的永磁磁链进行分离。
2.根据权利要求1所述磁链可调永磁辅助同步磁阻电机的多参数辨识方法，其特征在于，所述步骤2的具体过程如下：
步骤2.1，当磁链可调永磁辅助同步磁阻电机处于磁链转矩控制时，设置高频脉振磁链信号的频率ωh1，分别从直轴、交轴注入高频脉振磁链信号，获取直轴注入时稳态情况下脉振磁链幅值|λsh|、直轴电流id1，获取交轴注入时稳态情况下脉振磁链幅值|λsh|、交轴电流iq1；
步骤2.2，利用离散傅里叶分析方法分析直轴电流id1和交轴电流iq1，得到直轴电流高频分量幅值Idh1和交轴电流高频分量幅值Iqh1，结合此时高频脉振磁链信号的幅值|λsh|，计算直轴动态电感
Figure FDA0002549927480000011
和交轴动态电感
Figure FDA0002549927480000012
步骤2.3，当磁链可调永磁辅助同步磁阻电机处于磁链转矩控制时，设置高频脉振磁链信号的频率ωh2，从直轴注入高频脉振磁链信号获取稳态情况下直轴电压ud2、直轴电流id2；
步骤2.4，利用离散傅里叶分析方法分析直轴电压ud2和直轴电流id2，得到直轴电压高频分量幅值Udh2和直轴电流高频分量幅值Idh2，结合此时高频脉振磁链信号的频率ωh2计算高频等效电阻Reqh。
3.根据权利要求2所述磁链可调永磁辅助同步磁阻电机的多参数辨识方法，其特征在于，所述直轴动态电感
Figure FDA0002549927480000021
和交轴动态电感
Figure FDA0002549927480000022
计算公式如下：
Figure FDA0002549927480000023
Figure FDA0002549927480000024
Figure FDA0002549927480000025
Figure FDA0002549927480000026
高频等效电阻Reqh计算公式如下：
Figure FDA0002549927480000027
Figure FDA0002549927480000028
其中，N为采样点数，ωs为***采样角频率，j表示虚数单位，id1(k)、iq1(k)分别为第k次采样的直轴电流、交轴电流，id2(k)、ud2(k)分别为第k次采样的直轴电流、直轴电压。
4.根据权利要求1所述磁链可调永磁辅助同步磁阻电机的多参数辨识方法，其特征在于，所述步骤3的具体过程如下：
步骤3.1，停止高频脉振磁链信号的注入，设置永磁磁链初始值λpm(i＝0)；
步骤3.2，获取稳态情况下的定子直轴电压ud、交轴电压uq，定子直轴电流id、交轴电流iq，以及转速ωr；
步骤3.3，根据步骤1建立的静态电感数据库，利用当前永磁磁链λpm(i)和定子直轴电流id、交轴电流iq获得直、交轴静态电感Ld、Lq；
步骤3.4，根据步骤1建立的损耗数据库，利用当前永磁磁链λpm(i)和定子直轴电流id、交轴电流iq获得直、交轴损耗电流idF、iqF；
步骤3.5，根据直、交轴损耗电流idF、iqF，定子直轴电压ud、交轴电压uq，定子直轴电流id、交轴电流iq，以及转速ωr，计算定子电阻Rs和永磁磁链λpm；
步骤3.6，将当前永磁磁链λpm(i)与步骤3.5计算得到的永磁磁链λpm进行对比，当误差|λpm(i)-λpm|小于等于设定容许范围λΔ时，执行步骤3.9；当误差|λpm(i)-λpm|大于设定容许范围λΔ时，执行步骤3.7；
步骤3.7，增加迭代计数i＝i+1；
步骤3.8，将永磁磁链设置为计算值λpm(i)＝λpm，返回步骤3.2；
步骤3.9，结束迭代过程，定子电阻和永磁磁链的计算值。
5.根据权利要求4所述磁链可调永磁辅助同步磁阻电机的多参数辨识方法，其特征在于，所述定子电阻Rs计算公式如下：
Figure FDA0002549927480000031
永磁磁链λpm计算公式如下：
Figure FDA0002549927480000032
6.根据权利要求1所述磁链可调永磁辅助同步磁阻电机的多参数辨识方法，其特征在于，所述步骤4的具体过程如下：
步骤4.1，获取不同矫顽力永磁体的温度物理特性，建立其永磁磁链与温度的数据表格λ＝LUT_T(T)；
步骤4.2，在工作前测定定子绕组温度T0，结合步骤2提供的初始时刻高频等效电阻Reqh(0)以及步骤3提供的初始时刻定子电阻Rs(0)，获得转子等效电阻初始值Rreqh(0)和转子温度初始值Tr0；
Rreqh(0)＝Reqh(0)-Rs(0)
Tr0＝T0
步骤4.3，结合步骤2提供的t时刻高频等效电阻Reqh(t)以及步骤3提供的t时刻定子电阻Rs(t)，计算高频信号注入下转子等效电阻Rreqh(t)及转子温度Tr；
Rreqh(t)＝Reqh(t)-Rs(t)
Figure FDA0002549927480000033
其中，α为转子等效电阻的温度系数；
步骤4.4，根据高矫顽力永磁体的温度特性，结合步骤4.3提供的转子温度计算其永磁磁链λHCF＝LUT_T(Tr)；
步骤4.5，根据高矫顽力的永磁磁链λHCF分离出低矫顽力的永磁磁链λLCF：
λLCF＝λpm-λHCF
其中，λpm为永磁磁链。
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