CN113676086A - 一种永磁同步电机参数自辨识装置与方法 - Google Patents

一种永磁同步电机参数自辨识装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电机控制技术领域，具体涉及一种永磁同步电机参数自辨识装置与方法，该装置包括电流采集单元、辨识处理计算单元及驱动发波单元，通过分别向d轴施加两次电压，并采集两次电压下对应的电流值，即可得到定子电阻；通过在d轴施加电压，并分别在d轴和q轴上叠加高频交变电压，采集永磁同步电机的电流信号转换分别得到d轴和q轴的电流波动峰峰值，即可得到d轴和q轴电感。目的在于可以在不依赖外部仪器的情况下，无需断开电机控制器与永磁同步电机的连接线，即可在线对定子电阻以及直轴、交轴电感参数进行辨识，测试过程简单易实行，且辨识方法清晰算法简单，结果准确。

Description

一种永磁同步电机参数自辨识装置与方法
技术领域
本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种永磁同步电机参数自辨识装置与方法。
背景技术
随着电机控制技术的发展，出现了很多高性能的电机控制算法，包括矢量控制，解耦控制，无差拍控制，无位置/速度传感器控制，在应用这些高性能的控制算法时，电机参数都是关键的变量。
对于永磁同步电机而言，关键的电机参数涉及到定子电阻、交/直轴电感和转子磁链这几个参数，其中转子磁链跟电机的反电势系数呈比例关系，容易获得，电子电阻、交/直轴电感这三个参数的测量和辨识相对复杂，要么需要借助电桥等专业仪器进行离线测量，而且测量过程也相对繁琐，要么使用在线辨识方式，不过辨识算法也很复杂，执行起来并不方便。
发明内容
为了实现永磁同步电机在线自辨识定子电阻以及直轴、交轴电感，本发明提供了一种永磁同步电机参数自辨识方法及自辨识装置，该方法可以在不依赖外部仪器的情况下，无需断开电机控制器与永磁同步电机的连接线，即可在线对定子电阻以及直轴、交轴电感参数进行辨识，测试过程简单易实行，且辨识方法清晰算法简单，结果准确。
本发明所采用的技术方案是：一种永磁同步电机参数自辨识方法，包括以下步骤：
S1：定子电阻辨识：通过施加稳定电压使得电机转子稳定在固定位置，分别向d轴施加两次电压，并采集两次电压下对应的电流值，即可得到定子电阻；
S2：直轴、交轴电感辨识：在d轴施加电压，并分别在d轴和q轴上叠加高频交变电压，采集永磁同步电机的电流信号转换分别得到d轴和q轴的电流波动峰峰值，即可得到d轴和q轴电感。
优选的，步骤S1中施加的稳定电压为，施加稳定的d轴电压产生d轴电流，d轴电流达到电机额定电流；步骤S1中所述的固定位置为电机转子的0度位置。
优选的，分别向d轴施加的两次电压指令为Ud_ref1和Ud_ref2，其中Ud_ref2的电压值为Ud_ref1电压值的一半。
优选的，定子电阻Rs的计算公式为：
Figure BDA0003275114320000021
其中：Id1为d轴电压指令Ud_ref1下采集的电流值；Id2为d轴电压指令Ud_ref2下采集的电流值。
优选的，步骤S2中分别在d轴和q轴上叠加的高频交变电压为高频脉冲电压。
优选的，d轴电感Ld和q轴电感Lq的计算公式分别为：
Figure BDA0003275114320000022
Figure BDA0003275114320000023
其中：ΔT为高频脉冲电压周期的一半；ΔU为高频交变电压的峰值；ΔId为电流信号转换得到的d轴电流波动峰峰值；ΔIq为电流信号转换得到的q轴电流波动峰峰值。
优选的，步骤S2中d轴通过持续直流偏置电压，始终与永磁同步电机的转子磁链方向保持一致；电流采集与电压施加采用同步的方式进行，采集电流的频率为高频交变电压频率的2倍，且处于高频电压交变时刻触发。
一种永磁同步电机参数自辨识装置，包括电流采集单元、辨识处理计算单元及驱动发波单元；
所述电流采集单元，与永磁同步电机和辨识处理计算单元连接，用于将采集到的永磁同步电机三相相电流信号进行模数转换，传送给辨识处理计算单元；
所述辨识处理计算单元与驱动发波单元连接，用于向驱动发波单元发送指令信号，并接收计算所述电流采集单元传输的三相相电流信号，输出永磁同步电机的定子电阻、交直轴电感的辨识结果至显示装置；
所述驱动发波单元，与永磁同步电机连接，用于向永磁同步电机提供驱动电压，将所述辨识处理计算单元发送的指令信号转换为三相静止坐标系下的驱动信号。
优选的，所述驱动发波单元，通过电压型逆变器与所述永磁同步电机连接，将所述指令信号转换得到的三相静止坐标系下的驱动信号发送至所述电压型逆变器；所述辨识处理计算单元，向驱动发波单元发送指令为d/q轴电压指令；同时将接收到的电流采集单元采集的三相电流转为d/q轴电流分量。
优选的，所述辨识处理计算单元与显示装置连接，所述显示装置为显示器，所述辨识处理计算单元与电流采集单元、驱动发波单元通过CAN总线接口或sci接口连接；所述驱动发波单元为PWM驱动模块。
本发明的有益之处在于：
1)本发明通过在直轴施加直流偏置电压，并在直轴叠加高频脉冲波(方波)；在直轴施加直流偏置电压，并在交轴施加高频脉冲波，即能够通过直接测量每次方波高频脉冲下的电流峰峰值就可以直接获知交、直轴电感，无需多次获取电流波形计算得到电流幅值的最大值和最小值，采样方法简单，数据更易处理，不会受到电流幅值最大值和最小值采集误差而造成精度影响；
2)本发明在整个辨识过程中，通过在d轴持续施加直流偏置电压，以产生持续的吸引电流，从而保证一直有足够的0度电压和电流，可以始终使得电机转子一直稳定在0度位置(d轴与转子磁链方向重合的位置，它正好对应于d/q坐标系中的0角度)，从而避免了电机转子因为齿槽扭矩的影响，很难固定在0度位置的问题，使得本发明的测量方法更加稳定可靠，辨识的数据更加准确；
3)本发明中电流采集单元采用与驱动发波同步的方式进行，则可将采集的d/q轴电流数据，即可直接根据相邻两次的值相减获得差的绝对值，该值即为波动峰峰值ΔI，代入公式进行计算，从而简化了计算过程；
4)辨识过程中电压激励信号(高频脉冲波)基波为方波，对于目前常用的电压型逆变器拓扑，相较于基波为正弦波的高频信号更易实现。
附图说明
图1为本发明的永磁同步电机参数自辨识装置结构示意图；
图2为永磁同步电机定子电阻辨识电压、电流关系示意图；
图3为永磁同步电机交直轴电感辨识电压、电流关系示意图；
图4为辨识处理流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一
如图1所示，一种永磁同步电机参数自辨识装置，一种永磁同步电机参数自辨识装置，包括电流采集单元、辨识处理计算单元及驱动发波单元；
所述电流采集单元，与永磁同步电机和辨识处理计算单元连接，用于将采集到的永磁同步电机三相相电流信号进行模数转换，传送给辨识处理计算单元；通过电流传感器采集永磁同步电机三相相电流信号，并将采集到的永磁同步电机三相相电流信号进行模数转换后，传送给辨识处理计算单元；
所述辨识处理计算单元与驱动发波单元连接，用于向驱动发波单元发送指令信号，并接收计算所述电流采集单元传输的三相相电流信号，输出永磁同步电机的定子电阻、交直轴电感的辨识结果至显示装置；向驱动发波单元发送指令为d/q轴电压指令；同时将接收到的电流采集单元采集的三相电流转为d/q轴电流分量。根据逻辑程序向驱动发波单元发出指令，控制其发出驱动波形，从而驱动电压型逆变器输出特定电压，该电压作用于永磁同步电机的三相绕组上，产生相应电流；同时从电流采集单元接收采集数据，并通过所接收的数据进行辨识计算，获得永磁同步电机的定子电阻、交直轴电感的辨识结果。辨识处理计算单元根据逻辑程序向驱动发波单元发送指令d/q轴电压指令，从电流采集单元接收永磁同步电机的三相电流采集数据，同时将永磁同步电机三相电流转为d/q轴电流分量，并进行处理，完成辨识计算，获得辨识结果。
所述驱动发波单元，与永磁同步电机连接，用于向永磁同步电机提供驱动电压，将所述辨识处理计算单元发送的指令信号转换为三相静止坐标系下的驱动信号。所述驱动发波单元，通过电压型逆变器与所述永磁同步电机连接，将所述指令信号转换得到的三相静止坐标系下的驱动信号发送至所述电压型逆变器。根据辨识处理计算单元所发出的指令，发出驱动波形，通过电压型逆变器向永磁同步电机发出电压。驱动发波单元根据辨识处理计算单元的指令发出d/q坐标系下的指令信号，转为三相静止坐标系下的驱动信号，并控制电压型逆变器输出指令电压。
所述电流采集单元为电流传感器及其采集处理电路，所述采集处理电路由模拟采样电路、控制板和控制芯片中的模数转换电路构成。
所述辨识处理计算单元与显示装置连接，所述显示装置为显示器，所述辨识处理计算单元与电流采集单元、驱动发波单元通过CAN总线接口或sci接口连接。
所述驱动发波单元为PWM驱动模块。所述电流采集单元采集电流的同时驱动发波单元发出驱动波形，也即电流采集单元和驱动发波单元同时工作；所述驱动发波单元为PWM驱动模块，采用PWM规则取样方式进行调制。
实施例二
基于上述的永磁同步电机参数自辨识装置，进行参数自辨识的方法主要包括以下步骤：
S1：定子电阻辨识：通过施加稳定电压使得电机转子稳定在固定位置，分别向d轴施加两次电压，并采集两次电压下对应的电流值，即可得到定子电阻；
施加的稳定电压为，施加稳定的d轴电压从而产生d轴电流，d轴电流达到电机额定电流值；通过施加稳定电压使得电机转子稳定在固定位置，所述的固定位置为电机转子的0度位置。可以理解的是，本测试方法中，通过持续施加足够的0度电压和电流，可以始终保证电机转子一直稳定在0度位置，从而避免了电机转子因为齿槽扭矩或其他扰动影响造成实际转子位置偏移的情况，提高了参数辨识的准确性。
分别向d轴施加的两次电压指令为Ud_ref1和Ud_ref2，其中Ud_ref2的电压值为Ud_ref1电压值的一半。通过向d轴施加的两次电压指令，从而采集两次电压指令下所对应的不同的电流值Id1和Id2，根据下述公式，即可得知电阻Rs的数值。
定子电阻Rs的计算公式为：
Figure BDA0003275114320000061
其中：Id1为d轴电压指令Ud_ref1下采集的电流值；Id2为d轴电压指令Ud_ref2下采集的电流值。
如图2所示，为永磁同步电机定子电阻辨识电压、电流关系示意图。示意图中，上方是辨识处理计算单元在进行定子电阻辨识时输出的电压指令波形，Ud_ref1和Ud_ref2是辨识过程中发出的不同电压指令。下方是电流采集单元获取到的永磁同步电机三相电流，经坐标变换得到的d轴电流数据波形，Id1与Id2是不同电压指令下的电流分析数据。
S2：直轴、交轴电感辨识：在d轴施加电压，并分别在d轴和q轴上叠加高频交变电压，采集永磁同步电机的电流信号转换分别得到d轴和q轴的电流波动峰峰值，即可得到d轴和q轴电感。
如图3所示，为永磁同步电机交直轴电感辨识电压、电流关系示意图。在对永磁同步电机的交直轴电感辨识过程中，主要靠交变的脉冲电压在电感上的电流响应，来辨识电感参数。在永磁同步电机的等效电路中，如果施加的脉冲电压频率足够高，则电感阻抗将远大于电阻，因此高频脉冲电压与其电流响应可以近似为与电感量相关的积分关系：
Figure BDA0003275114320000071
通过欧拉公式对其进行离散化处理并转换，可得到：
Figure BDA0003275114320000072
因此，通过上述公式，对永磁同步电机的d轴和q轴分别施加高频交变的脉冲电压，可分别辨识出d轴和q轴电感。在辨识的过程中，d轴始终与永磁同步电机的转子磁链方向保持一致，本发明实施例中通过在d轴电压上持续输出一个偏置电压，以产生持续的吸引电流以保证永磁同步电机转子始终处于正确的定向位置(O度位置)上。
在d轴施加电压，并分别在d轴和q轴上叠加的高频交变电压，高频交变电压为高频脉冲电压(方波)，高频脉冲电压的周期为2ΔT，从而分别得到d轴和q轴的电流波动峰峰值，也即在d轴施加高频脉冲电压的过程中，该段时间采集得到的d轴电流波动峰峰值，若高频电压的施加与电流采样保持同步，则可以认为该峰峰值就是电流相临的两次采样值之差的绝对值，通过计算即可得到d轴和q轴电感。可以理解的是，在直轴施加直流量并叠加高频脉冲波(方波)，测量直轴电感；在直轴施加直流量，并在交轴叠加高频脉冲，测量交轴电感。d轴电感Ld和q轴电感Lq的计算公式分别为：
Figure BDA0003275114320000081
Figure BDA0003275114320000082
其中：ΔT为高频脉冲电压周期的一半；ΔU为高频交变电压的峰值；ΔId为电流信号转换得到的d轴电流波动峰峰值；ΔIq为电流信号转换得到的q轴电流波动峰峰值。
在d轴电压指令Ud_ref1的基础上，叠加周期为2ΔT的高频交变电压±ΔU，本实施例中以叠加2ΔT的高频交变电压为例，但不限于2ΔT，可以根据实际情况选择ΔT的倍数，同时采集永磁同步电机的电流信号转换得到的d轴电流波动峰峰值ΔId；在d轴电压指令Ud_ref1的基础上，施加周期为2ΔT的高频交变电压±ΔU,同时采集永磁同步电机的电流信号转换得到的q轴电流波动峰峰值ΔIq，再根据上式，即可计算出相应的直、交轴电感。
如图4所示，为辨识处理流程示意图。在辨识开始时，先发出稳定的d轴电压，产生足够的d轴电流，将永磁电机转子拖动到固定位置。等永磁电机转子稳定到固定位置后，记录d轴电压指令Ud_ref1，并采集电流值Id1；而后，降低d轴电压指令至Ud_ref2，再次采集电流值Id2，根据定子电阻的计算公式，即可得到永磁电机定子电阻Rs。
之后，在d轴电压指令Ud_ref1的基础上，在d轴上叠加周期为2ΔT的高频交变电压±ΔU,同时采集永磁同步电机的电流信号转换得到的d轴电流波动峰峰值ΔId，根据公式计算永磁电机d轴电感Ld。
而后，在d轴电压指令Ud_ref1的基础上，在q轴上施加周期为2ΔT的高频交变电压±ΔU,同时采集永磁同步电机的电流信号转换得到的q轴电流波动峰峰值ΔIq，根据公式计算永磁电机q轴电感Lq。
最终，完成整个永磁同步电机定子电阻以及交、直轴电感的参数辨识过程。
进一步的技术方案是，电流采集与电压施加采用同步的方式进行，也即在电流采样时刻同步更新电压输出值。采集电流的频率为高频交变电压频率的2倍，且处于高频电压交变时刻触发。
通过上述方式，本发明的永磁同步电机参数自辨识装置与方法，通过一系列特定流程执行，驱动发波输出设定的电压，并采集相应时刻的电流波形，而后基于电流波形的特征信息辨识出永磁同步电机的定子电阻和交直轴电感参数，且不依赖外部仪器，具有辨识过程清晰，算法简便易行，辨识数据准确的优点。
上述实施方式是优选的实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种永磁同步电机参数自辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：定子电阻辨识：通过施加稳定电压使得电机转子稳定在固定位置，分别向d轴施加两次电压，并采集两次电压下对应的电流值，即可得到定子电阻；
S2：直轴、交轴电感辨识：在d轴施加电压，并分别在d轴和q轴上叠加高频交变电压，采集永磁同步电机的电流信号转换分别得到d轴和q轴的电流波动峰峰值，即可得到d轴和q轴电感。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机参数自辨识方法，其特征在于：步骤S1中施加的稳定电压为，施加稳定的d轴电压产生d轴电流，d轴电流达到电机额定电流；步骤S1中所述的固定位置为电机转子的0度位置。
3.根据权利要求2所述的永磁同步电机参数自辨识方法，其特征在于：分别向d轴施加的两次电压指令为Ud_ref1和Ud_ref2，其中Ud_ref2的电压值为Ud_ref1电压值的一半。
4.根据权利要求3所述的永磁同步电机参数自辨识方法，其特征在于：定子电阻Rs的计算公式为：
Figure FDA0003275114310000011
其中：Id1为d轴电压指令Ud_ref1下采集的电流值；Id2为d轴电压指令Ud_ref2下采集的电流值。
5.根据权利要求1述的永磁同步电机参数自辨识方法，其特征在于：步骤S2中分别在d轴和q轴上叠加的高频交变电压为高频脉冲电压。
6.根据权利要求5所述的永磁同步电机参数自辨识方法，其特征在于：d轴电感Ld和q轴电感Lq的计算公式分别为：
Figure FDA0003275114310000012
Figure FDA0003275114310000021
其中：ΔT为高频脉冲电压周期的一半；ΔU为高频交变电压的峰值；ΔId为电流信号转换得到的d轴电流波动峰峰值；ΔIq为电流信号转换得到的q轴电流波动峰峰值。
7.根据权利要求1所述的永磁同步电机参数自辨识方法，其特征在于：步骤S2中d轴通过持续施加的直流偏置电压，始终与永磁同步电机的转子磁链方向保持一致；电流采集与电压施加采用同步的方式进行，采集电流的频率为高频交变电压频率的2倍，且处于高频电压交变时刻触发。
8.一种永磁同步电机参数自辨识装置，其特征在于：包括电流采集单元、辨识处理计算单元及驱动发波单元；
所述电流采集单元，与永磁同步电机和辨识处理计算单元连接，用于将采集到的永磁同步电机三相相电流信号进行模数转换，传送给辨识处理计算单元；
所述辨识处理计算单元与驱动发波单元连接，用于向驱动发波单元发送指令信号，并接收计算所述电流采集单元传输的三相相电流信号，输出永磁同步电机的定子电阻、交直轴电感的辨识结果至显示装置；
所述驱动发波单元，与永磁同步电机连接，用于向永磁同步电机提供驱动电压，将所述辨识处理计算单元发送的指令信号转换为三相静止坐标系下的驱动信号。
9.根据权利要求8所述的永磁同步电机参数自辨识装置，其特征在于：所述驱动发波单元，通过电压型逆变器与所述永磁同步电机连接，将所述指令信号转换得到的三相静止坐标系下的驱动信号发送至所述电压型逆变器；所述辨识处理计算单元，向驱动发波单元发送指令为d/q轴电压指令；同时将接收到的电流采集单元采集的三相电流转为d/q轴电流分量。
10.根据权利要求8所述的永磁同步电机参数自辨识装置，其特征在于：所述辨识处理计算单元与显示装置连接，所述显示装置为显示器，所述辨识处理计算单元与电流采集单元、驱动发波单元通过CAN总线接口或sci接口连接；所述驱动发波单元为PWM驱动模块。
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