CN114172430A - 一种矢量控制永磁同步电机的参数检测方法 - Google Patents

一种矢量控制永磁同步电机的参数检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种矢量控制永磁同步电机的参数检测方法，包括：建立永磁同步电机在实际旋转dq坐标系下的电压方程；设置定位电流、人为堵转和不堵转开环运行三个阶段；定位电流阶段，在q轴电压由0逐渐增大的过程中，电机三相绕组中产生定位电流，直至q轴电流达到电流预设值，确定电机的定子电阻；人为堵转阶段，在电机堵转的情况下产生三相正弦波电流形成主动旋转磁场，确定电机d轴电感以及q轴电感；不堵转开环运行阶段，在电机不堵转的情况下三相正弦波电流形成主动旋转磁场驱动电机转子旋转，确定电机的反电势系数。本发明通过设置定位电流、人为堵转和不堵转开环运行三个阶段，为永磁同步电机矢量控制提供全参数辨识，具有较高实用价值。

Description

一种矢量控制永磁同步电机的参数检测方法
技术领域
本发明涉及电机控制领域，具体涉及一种矢量控制永磁同步电机的参数检测方法。
背景技术
永磁同步电机具有结构简单、功率密度和效率高、调速范围较宽等优点，目前已被广泛应用于工业控制和家电领域。无位置传感器矢量控制永磁同步电机可降低硬件成本、提高***可靠性，近年来已经成为电机研究及应用领域一个非常重要的方向，例如风机泵类产品就非常适合采用无位置传感器矢量控制的永磁同步电机。
永磁同步电机的参数检测是电机矢量控制与故障诊断等应用中不可缺少的环节，一般在永磁同步电机当中需要检测的电机参数有定子电阻、d轴电感、q轴电感、磁链或反电势系数。目前研究永磁同步电机参数检测的文献大多数着眼于下面的矢量控制模型中dq坐标系电压方程。然而在dq坐标系下面的电压电流量基本为常量，通常使用一个d轴或q轴电压方程只能处理获得一个参数，所以在dq坐标系下面稳态时只能同时处理获得两个电机参数。
中国专利CN112468048A公开了一种在αβ坐标系下面基于递推最小二乘法进行永磁同步电机参数检测的方法，可以获得四个电机参数，相比于dq坐标系下的全参数检测，αβ坐标系下面的全参数检测具有更快的收敛速度与更短的计算时间，但是这种方法的前提是电机已经进入了矢量控制的稳态运行模式，而实际上往往需要先检测电机参数然后才能实施矢量控制。
中国专利CN106997024A公开了一种永磁同步电机参数检测的方法，在电机交轴和直轴上分别施加交轴激励电压和直轴激励电压，检测相关的电流从而计算电机参数，但这种方法只检测了定子电阻、d轴电感、q轴电感三个参数，没有提供磁链或反电势系数的检测方法。
在对永磁同步电机实施无位置传感器矢量控制之初，对电机的全参数进行检测是非常必要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种矢量控制永磁同步电机在起动之初的参数检测方法，用以克服现有技术存在的在起动阶段不能检测反电势系数，或只有先进入矢量控制的稳态运行模式然后才能进行全参数检测的缺点。
为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：
一种矢量控制永磁同步电机的参数检测方法，包括以下步骤：
建立永磁同步电机在实际旋转dq坐标系下的电压方程；
基于所述电压方程，设置定位电流、人为堵转和不堵转开环运行三个阶段，并设定每个阶段的运行条件；三个阶段的运行条件中均设定电机d轴电压为0，而人为堵转阶段和不堵转开环阶段则设定一致的q轴电压以及主动旋转磁场的频率；
所述定位电流阶段，在q轴电压由0逐渐增大的过程中，电机三相绕组中产生定位电流，直至q轴电流达到电流预设值，确定电机的定子电阻；
所述人为堵转阶段，在电机堵转的情况下产生三相正弦波电流形成主动旋转磁场，确定电机d轴电感以及q轴电感；
所述不堵转开环运行阶段，在电机不堵转的情况下三相正弦波电流形成主动旋转磁场驱动电机转子旋转，确定电机的反电势系数。
进一步地，所述在q轴电压由0逐渐增大的过程中，电机三相绕组中产生定位电流，直至q轴电流达到电流预设值，确定电机的定子电阻，包括：
当q轴电流达到电流预设值iset时记录此时的q轴电压为Vset，则定子电阻Rs的计算公式为：
Figure BDA0003388144750000021
其中，Rs为定子电阻，ξ为电压修正系数。
进一步地，所述在电机堵转的情况下产生三相正弦波电流形成主动旋转磁场，确定电机d轴电感以及q轴电感，包括：
在主动旋转磁场下测量电机三相电流并计算出此时电机的d、q轴电流id1、iq1以及旋转角速度ω0＝2πf0，f0为主动旋转磁场的频率，则：
电机d轴电感Ld的计算公式为：
Figure BDA0003388144750000022
电机q轴电感Lq的计算公式为：
Figure BDA0003388144750000031
其中，Vset为定位电流阶段q轴电流达到电流预设值iset时所需的q轴电压，ξ为电压修正系数。
进一步地，所述在电机不堵转的情况下三相正弦波电流形成主动旋转磁场驱动电机转子旋转，确定电机的反电势系数，包括：
在电机不堵转的情况下，测量此时的电机三相电流并计算出此时电机的d、q轴电流分别为id2、iq2，旋转角速度ω0＝2πf0，f0为主动旋转磁场的频率；则电机的反电势系数表示为：
Figure BDA0003388144750000032
其中，反电势系数ke是工程应用中约定的电机转速每分钟1000转对应的电机反电势，pN为电机的极对数，Vset为定位电流阶段q轴电流达到电流预设值iset时所需的q轴电压，ξ为电压修正系数，Rs为定子电阻，Ld为d轴电感，Lq为q轴电感。
进一步地，所述电压修正系数ξ的取值范围ξ＝0.6～0.9。
一种矢量控制永磁同步电机，所述永磁同步电机的控制器中装载有计算机程序；计算机程序被控制器执行时，实现所述矢量控制永磁同步电机的参数检测方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，所述可读存储介质中存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现所述矢量控制永磁同步电机的参数检测方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有以下技术特点：
本发明在起动之初通过电机的堵转和不堵转开环运行来进行永磁同步电机的参数检测，克服现有技术存在的在起动阶段不能检测反电势系数的缺点，同时解决现有技术只有先进入矢量控制的稳态运行模式然后才能进行永磁同步电机全参数检测的问题。
附图说明
图1永磁同步电机无位置传感器矢量控制***框图；
图2样机全参数检测三个阶段的相电流波形；
图3样机在人为堵转情况下id1、iq1电流波形；
图4样机在不堵转开环运行情况下id2、iq2电流波形。
具体实施方式
参见附图，本发明公开了一种矢量控制永磁同步电机的参数检测方法，包括以下步骤：
步骤1，建立永磁同步电机实际旋转dq坐标系下的d、q轴电压方程。
Figure BDA0003388144750000041
其中Rs为定子电阻；Ld、Lq分别代表d、q轴电感；ud、uq分别代表电机d、q轴电压；id、iq分别代表d、q轴电流；e为电机反电动势；ω为电机的旋转角速度；p为微分算子，p＝d/dt。
步骤2，基于所述电压方程，设置定位电流、人为堵转和不堵转开环运行三个阶段，分别设定每个阶段的运行条件；通过使电机处于不同的阶段，来对永磁同步电机无位置传感器控制闭环运行所需的定子电阻、dq轴电感及反电势系数等参数进行检测。
其中在定位电流阶段：
设定电机d轴电压为0、q轴电压由0逐渐增大，电机三相绕组中产生定位电流，测量此时的电机三相电流并计算出此时电机的d、q轴电流id0、iq0；当q轴电流iq0达到电流预设值iset时记录此时的q轴电压为Vset，此时三相绕组产生的空间磁场是静止的，式(1)中电机反电动势e和旋转角速度ω都为0，d、q轴电压稳态方程为：
Figure BDA0003388144750000042
这样可以得出定子电阻Rs的计算公式为：
Figure BDA0003388144750000043
其中，iset为预设q轴电流,Vset为获得预设q轴电流iset所需的q轴电压，ξ为电压修正系数，考虑到矢量控制驱动器功率管的死区时间效应和管压降，实际加在电机绕组上的电压比Vset小，因此需要对Vset进行修正，ξ的取值范围ξ＝0.6～0.9。
步骤3，在人为堵转阶段：
设定电机d轴电压为0，而q轴电压为Vset，主动旋转磁场的频率为f0，在电机堵转的情况下产生三相正弦波电流形成主动旋转磁场，测量此时的电机三相电流并计算出此时电机的d、q轴电流id1、iq1以及旋转角速度ω0＝2πf0；而此时式(1)中电机反电动势e为0，则此时d、q轴电压稳态方程为：
Figure BDA0003388144750000051
其中，Vset为定位电流阶段q轴电流达到电流预设值iset时所需的q轴电压，ξ为电压修正系数。
从(3)和(4)式可以得出电机d轴电感Ld的计算公式为：
Figure BDA0003388144750000052
同样从(3)和(4)式还可以得出电机q轴电感Lq的计算公式为：
Figure BDA0003388144750000053
步骤4，在不堵转开环运行阶段：
依然设定电机d轴电压为0，q轴电压为Vset，主动旋转磁场的频率为f0，在电机不堵转的情况下三相正弦波电流形成主动旋转磁场驱动电机转子旋转，测量此时的电机三相电流并计算出此时电机的d、q轴电流分别为id2、iq2，旋转角速度ω0＝2πf0；但是电机转子跟随主动旋转磁场作开环同步运行时，实际的dq轴与步骤1中定义的dq轴产生了一个角度偏移量θ，可以将d、q轴电压稳态方程写成：
Figure BDA0003388144750000054
其中，Vset为获得预设q轴电流iset所需的q轴电压，ξ为电压修正系数，θ为实际dq轴的角度偏移量，e为旋转角速度ω0对应的电机反电动势。
从(7)可以得出电机反电动势e的计算公式为：
Figure BDA0003388144750000055
进一步地计算电机的反电势系数：
Figure BDA0003388144750000056
其中，反电势系数ke是工程应用中约定的电机转速每分钟1000转对应的电机反电势，pN为电机的极对数，f0为主动旋转磁场的频率，f0对应的电机速度为
Figure BDA0003388144750000061
旋转角速度ω0＝2πf0，定子电阻Rs、d轴电感Ld、q轴电感Lq分别由公式(3)、(5)、(6)给出。
实施例：
采用一台用于风扇***的低压外转子永磁同步电机实验验证本发明原理，其中永磁同步电机的参数为：额定功率300W，额定电压DC 32V，极对数pn＝4，最小运行转速nset_min＝800转/分，最高运行转速nset_max＝4000转/分，矢量控制PWM频率为15KHz。
本发明实施例中永磁同步电机风机***采用无位置传感器矢量控制，如图1为***控制框图，包括双电阻采样电路、Clarke和PARK变换、最大转矩电流比控制(MTPA)模块、速度调节PID模块、dq轴电流PID模块、PARK逆变换P模块、转子位置估算模块、SVPWM计算模块以及三相PWM逆变器等。
如图2为本发明具体实施例样机在全参数检测过程中三个阶段相电流实拍波形，包括定位电流、转子堵转主磁旋转磁场作用和不堵转开环运行等三个阶段。在三个阶段测量相关的电压、电流值，并根据前述参数检测的方法计算电机参数。
在本发明实施过程中所施加电压的单位不是伏(V)而是FOC***电压变量单位，1V＝1651.6***电压变量单位；测量得到电流的单位不是安培(A)而是FOC***电流变量单位，1A＝327.68***电流变量单位。
在产生定位电流阶段，设定d轴电压为ud1＝0、预设值iset＝2850***电流变量单位，q轴电压由0逐渐增大，当q轴电流iq0达到预设值iset时记录此时的q轴电压为Vset＝1600***电压变量单位，取电压修正系数ξ＝0.9对Vset进行修正，定子电阻按公式(3)计算得
Figure BDA0003388144750000062
用电桥法测得电机的定子电阻为0.086Ω，本发明的检测结果接近电桥法测量值。
在转子堵转主磁旋转磁场作用阶段，d轴电压为ud1＝0，q轴电压uq1＝Vset＝1600***电压变量单位，主动旋转磁场频率f0＝6.9Hz，如图3为转子堵转阶段d、q轴电流波形，由于气隙磁场中存在谐波使d、q轴电流也存在谐波，在本发明中需要对d、q轴电流进行低通滤波，测得d、q轴电流的低通滤波值分别为id1＝330***电流变量单位，iq1＝2580***电流变量单位。
按公式(5)计算得d轴电感
Figure BDA0003388144750000071
按公式(6)计算得q轴电感
Figure BDA0003388144750000072
用专用电感仪测得电机的d、q轴电感分别为0.22mH、0.26mH，本发明的检测结果与电感仪测量值接近。
在不堵转开环运行阶段，同样d轴电压为ud2＝0，q轴电压uq2＝Vset＝1600***电压变量单位，主动旋转磁场频率f0＝6.9Hz，转子与主动旋转磁场同步旋转，从而可以测得反电势信息。如图4为不堵转开环运行阶段d、q轴电流波形，测得d、q轴电流的低通滤波值分别为id2＝1080***电流变量单位，iq2＝2334***电流变量单位。
按公式(9)计算得反电势系数
ξVset-Rsid2+ω0Lqiq2
＝0.9*(1600/1651.6)-0.1002*(1080/327.68)+43.35*0.000295*(2334/327.68)
＝0.6328
ξVset-Rsiq2-ω0Ldid2
＝0.9*(1600/1651.6)-0.1002*(2334/327.68)-43.35*0.000242*(1080/327.68)
＝0.1232
Figure BDA0003388144750000073
其中：
Rs＝0.1002Ω、Ld＝0.000242H、Lq＝0.000295H、ω0＝2πf0＝43.35rad/s
通常电机反电势测量方法是将电机的绕组开路，用其他机械将电机转子拖动到一定的转速测量绕组的反电势，用这种方法测量样机的反电势系数为5.78V/krpm，本发明检测的反电势系数结果与拖动法测量值接近。
以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种矢量控制永磁同步电机的参数检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
建立永磁同步电机在实际旋转dq坐标系下的电压方程；
基于所述电压方程，设置定位电流、人为堵转和不堵转开环运行三个阶段，并设定每个阶段的运行条件；三个阶段的运行条件中均设定电机d轴电压为0，而人为堵转阶段和不堵转开环阶段则设定一致的q轴电压以及主动旋转磁场的频率；
所述定位电流阶段，在q轴电压由0逐渐增大的过程中，电机三相绕组中产生定位电流，直至q轴电流达到电流预设值，确定电机的定子电阻；
所述人为堵转阶段，在电机堵转的情况下产生三相正弦波电流形成主动旋转磁场，确定电机d轴电感以及q轴电感；
所述不堵转开环运行阶段，在电机不堵转的情况下三相正弦波电流形成主动旋转磁场驱动电机转子旋转，确定电机的反电势系数。
2.根据权利要求1所述的矢量控制永磁同步电机的参数检测方法，其特征在于，所述在q轴电压由0逐渐增大的过程中，电机三相绕组中产生定位电流，直至q轴电流达到电流预设值，确定电机的定子电阻，包括：
当q轴电流达到电流预设值iset时记录此时的q轴电压为Vset，则定子电阻Rs的计算公式为：
Figure FDA0003388144740000011
其中，Rs为定子电阻，ξ为电压修正系数。
3.根据权利要求1所述的矢量控制永磁同步电机的参数检测方法，其特征在于，所述在电机堵转的情况下产生三相正弦波电流形成主动旋转磁场，确定电机d轴电感以及q轴电感，包括：
在主动旋转磁场下测量电机三相电流并计算出此时电机的d、q轴电流id1、iq1以及旋转角速度ω0＝2πf0，f0为主动旋转磁场的频率，则：
电机d轴电感Ld的计算公式为：
Figure FDA0003388144740000012
电机q轴电感Lq的计算公式为：
Figure FDA0003388144740000021
其中，Vset为定位电流阶段q轴电流达到电流预设值iset时所需的q轴电压，ξ为电压修正系数。
4.根据权利要求1所述的矢量控制永磁同步电机的参数检测方法，其特征在于，所述在电机不堵转的情况下三相正弦波电流形成主动旋转磁场驱动电机转子旋转，确定电机的反电势系数，包括：
在电机不堵转的情况下，测量此时的电机三相电流并计算出此时电机的d、q轴电流分别为id2、iq2，旋转角速度ω0＝2πf0，f0为主动旋转磁场的频率；则电机的反电势系数表示为：
Figure FDA0003388144740000022
其中，反电势系数ke是工程应用中约定的电机转速每分钟1000转对应的电机反电势，pN为电机的极对数，Vset为定位电流阶段q轴电流达到电流预设值iset时所需的q轴电压，ξ为电压修正系数，Rs为定子电阻，Ld为d轴电感，Lq为q轴电感。
5.根据权利要求2、3或4所述的矢量控制永磁同步电机的参数检测方法，其特征在于，所述电压修正系数ξ的取值范围ξ＝0.6～0.9。
6.一种矢量控制永磁同步电机，所述永磁同步电机的控制器中装载有计算机程序；其特征在于，计算机程序被控制器执行时，实现根据权利要求1至5中任一权利要求所述矢量控制永磁同步电机的参数检测方法的步骤。
7.一种计算机可读存储介质，所述可读存储介质中存储有计算机程序，其特征在于，计算机程序被处理器执行时，实现根据权利要求1至5中任一权利要求所述矢量控制永磁同步电机的参数检测方法的步骤。
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