CN112994564A - 一种基于凸优化的永磁同步电机参数辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于凸优化的永磁同步电机参数辨识方法，用于解决永磁同步电机在长时间运行过程中由于高温等因素而导致电机参数发生变化的问题，提高无传感器控制效果；首先，由永磁同步电机在两相静止坐标系下的电压方程，通过后向差分法得到离散数学模型；其次，根据电机参数变化对无位置传感器控制性能的影响，确定需要辨识的电机参数，进而构建价值函数；利用凸优化算法对价值函数进行最小化寻优，获得需要辨识的电机参数。本发明实现了永磁同步电机参数辨识，可将辨识出的参数反馈用于更新无位置算法中的电机模型，以获得更好的实时控制性能。

Description

一种基于凸优化的永磁同步电机参数辨识方法

技术领域

本发明涉及电机驱动与控制领域，具体为一种基于凸优化的永磁同步电机参数辨识方法。

背景技术

近年来，永磁同步电机具有高功率密度、高转动惯量、效率高等优点，在动车、高铁、航空航天等大功率等高性能应用场合得到了广泛运用。永磁同步电动机的高性能控制与稳定、可靠运行离不开转子位置信息，并且还需要准确的转子绝对位置信息。最常用的方法是在转子轴上安装机械式传感器(编码器、解算器和测速发电机)，以测量电机转子的速度和位置。机械传感器的存在增加了控制***的复杂性和成本,降低了***的可靠性，同时也限制了永磁同步电动机在一些特殊场合的应用。

转子磁极位置估计的准确性决定永磁同步电机无位置传感器控制***的性能，精确的位置估计需要建立在精准的电机参数基础上。在有些情况下，生产厂商提供的电机参数存在误差，长时间运行过程中，电机参数可能会因高温等因素发生变化，进而影响控制效果。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决永磁同步电机在长时间运行过程中由于高温等因素而导致电机参数发生变化的问题，而提出一种基于凸优化的永磁同步电机参数辨识方法，可在线辨识电机参数，确保无位置传感器控制性能。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种基于凸优化的永磁同步电机参数辨识方法，包括以下步骤：

获取永磁同步电机在两相静止坐标系下的电压方程，通过后向差分法得到离散数学模型；

根据电机参数变化对无位置传感器控制性能的影响，确定需要辨识的电机参数，进而构建价值函数；

利用凸优化算法对价值函数进行最小化寻优，获得需要辨识的电机参数。

优选的，得到所述离散数学模型的具体过程为：

设定永磁同步电机在α-β两相静止坐标系下的电压方程为：

其中，L_d、L_q是定子绕组的直轴和交轴电感；i_α、i_β分别是两相静止坐标系下α-β轴的定子电流；v_α、v_β可以通过

计算得到，R是定子每相绕组的电阻；ω_re是转子角速度；θ_re是转子位置角；

是永磁体磁链；p是微分算子；

对电压方程进行离散化，可得：

式中：T_s为采样时间；Δθ_re(k)为两个相邻采样间隔之间的近似位置偏移，即：

Δθ_re(k)＝ω_re(k-1)T_s

T_pk为变换矩阵，表示为：

定义在静止坐标系下的电感矩阵L_ab(θ_re)为：

所述构建价值函数以永磁磁链与交轴电感作为未知量，具体为：

凸优化算法的具体过程为：

采用牛顿法对价值函数进行数值最小化，具体为：

首先，将转子磁链和交轴电感的初始值代入数学模型中；

然后，通过计算价值函数的Jacobi矩阵J和Hessian矩阵H来计算下降方向，以λ为搜索系数用线搜索法使函数值最小化，每次迭代结束时，新的估算变量更新为：

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供的一种基于凸优化的永磁同步电机参数辨识方法，能够克服现有控制方法的不足，通过获取永磁同步电机在两相静止坐标系下的电压方程，再通过后向差分法得到离散数学模型；根据电机参数变化对无位置传感器控制性能的影响，确定需要辨识的电机参数，进而构建价值函数；利用凸优化算法对价值函数进行最小化寻优，获得需要辨识的电机参数可确保永磁同步电机在长时间运行过程中由于高温等因素导致电机参数发生变化时，仍能获得准确的电机参数，保证无位置传感器控制性能。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

一种基于凸优化的永磁同步电机参数辨识方法，包括如下步骤：

步骤一：由永磁同步电机在两相静止坐标系下的电压方程，通过后向差分法得到离散数学模型；永磁同步电机在α-β两相静止坐标系下的电压方程为：

其中，L_d、L_q是定子绕组的直轴和交轴电感。i_α、i_β分别是两相静止坐标系下α-β轴的定子电流；v_α、v_β可以通过

计算得到，R是定子每相绕组的电阻；ω_re是转子角速度；θ_re是转子位置角；

是永磁体磁链；p是微分算子；

对式(1)进行离散化，可得

式中：T_s为采样时间；Δθ_re(k)为两个相邻采样间隔之间的近似位置偏移，即

Δθ_re(k)＝ω_re(k-1)T_s (3)

T_pk为变换矩阵，可表示为

定义在静止坐标系下的电感矩阵L_ab(θ_re)为

步骤二：根据电机参数变化对无位置传感器控制性能的影响，确定需要辨识的电机参数，进而构建价值函数；

基于凸优化的无位置控制算法依赖于电机的参数：定子电阻、转子磁链以及交、直轴电感，通过研究不同转速下电机参数变化对凸优化无位置算法性能的影响，发现额定转速以下全速度范围内转子磁链和交轴电感的误差对凸优化算法位置估计性能的影响远大于另外两个参数。以永磁磁链与交轴电感作为未知量构建价值函数；

步骤三：利用凸优化算法对价值函数进行最小化寻优，获得需要辨识的电机参数；

采用牛顿法对(6)所示的价值函数进行数值最小化。首先，将转子磁链和交轴电感的初始值代入数学模型中。然后，通过计算价值函数的Jacobi矩阵J(2×1矩阵)和Hessian矩阵H(2×2矩阵)来计算下降方向。以λ为搜索系数用线搜索法使函数值最小化。每次迭代结束时，新的估算变量更新如下式：

工作原理：获取永磁同步电机在两相静止坐标系下的电压方程，通过后向差分法得到离散数学模型；根据电机参数变化对无位置传感器控制性能的影响，确定需要辨识的电机参数，进而构建价值函数；利用凸优化算法对价值函数进行最小化寻优，获得需要辨识的电机参数可确保永磁同步电机在长时间运行过程中由于高温等因素导致电机参数发生变化时，仍能获得准确的电机参数，保证无位置传感器控制性能。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (4)

1.一种基于凸优化的永磁同步电机参数辨识方法，其特征在于，包括：

获取永磁同步电机在两相静止坐标系下的电压方程，通过后向差分法得到离散数学模型；

通过电机参数变化对无位置传感器控制性能的影响确定需要辨识的电机参数，进而构建价值函数；

利用凸优化算法对价值函数进行最小化寻优，获得需要辨识的电机参数。

2.根据权利要求1所述的一种基于凸优化的永磁同步电机参数辨识方法，其特征在于，得到所述离散数学模型的具体过程为：

设定永磁同步电机在α-β两相静止坐标系下的电压方程为：

其中，L_d、L_q是定子绕组的直轴和交轴电感；i_α、i_β分别是两相静止坐标系下α-β轴的定子电流；v_α、v_β可以通过

计算得到，R是定子每相绕组的电阻；ω_re是转子角速度；θ_re是转子位置角；

是永磁体磁链；p是微分算子；

对电压方程进行离散化，可得：

式中：T_s为采样时间；Δθ_re(k)为两个相邻采样间隔之间的近似位置偏移，即：

Δθ_re(k)＝ω_re(k-1)T_s

T_pk为变换矩阵，表示为：

定义在静止坐标系下的电感矩阵L_ab(θ_re)为：

3.根据权利要求1所述的一种基于凸优化的永磁同步电机参数辨识方法，其特征在于，所述构建价值函数以永磁磁链与交轴电感作为未知量，具体为：

4.根据权利要求3所述的一种基于凸优化的永磁同步电机参数辨识方法，其特征在于，凸优化算法的具体过程为：

采用牛顿法对价值函数进行数值最小化，具体为：

首先，将转子磁链和交轴电感的初始值代入数学模型中；

然后，通过计算价值函数的Jacobi矩阵J和Hessian矩阵H来计算下降方向，以λ为搜索系数用线搜索法使函数值最小化，每次迭代结束时，新的估算变量更新为：