CN114928291B - 一种基于开关状态函数的永磁电机在线参数辨识方法 - Google Patents

一种基于开关状态函数的永磁电机在线参数辨识方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于开关状态函数的永磁电机在线参数辨识方法。设置微分采样电路，微分采样电路经霍尔传感器和永磁电机的三相线连接；通过霍尔传感器测量永磁电机的三相电流后，输入微分采样电路提取永磁电机的三相电流微分值；根据永磁电机在不同电压矢量作用下的三相电流微分值进行处理获得永磁电机的电感参数和磁链参数。本发明在考虑永磁电机逆变器供电影响下，实现了电机电感和磁链参数的在线辨识，能够实时跟踪电机运行过程中的参数变化。

Description

一种基于开关状态函数的永磁电机在线参数辨识方法
技术领域
本发明涉及一种永磁同步电机的参数辨识方法，特别是涉及了一种基于开关状态函数的永磁电机在线参数辨识方法。
背景技术
永磁同步电机具有高效、高功率密度等优点，具有广阔的应用前景。在实际使用中，永磁同步电机通常使用电压源型逆变器进行供电，控制器进行空间矢量脉宽调制(SVPWM)。许多通用逆变器的参数辨识方法在电机启动运行前进行，不考虑电机运行过程中的参数变化对电机控制性能的影响。此外，电机控制方法以及参数辨识一般不考虑电机逆变器供电及SVPWM的影响，逆变器开关信号通常被忽略。
发明内容
考虑逆变器供电以及SVPWM的影响，本发明提供了一种基于开关状态函数的永磁电机在线参数辨识方法，能够在电机运行过程中实时检测电机参数。针对逆变器供电的表贴式永磁同步电机建立开关状态模型，通过微分采样电路采样得到三相电流微分，从而根据同一控制周期内零矢量与有效矢量处的采样信号，经由递推最小二乘法求解出电机电感与磁链参数。
本发明的技术方案包括如下步骤：
1)设置微分采样电路，微分采样电路经霍尔传感器和永磁电机的三相线连接；
2)通过霍尔传感器测量永磁电机的三相电流后，输入微分采样电路提取永磁电机的三相电流微分值；
3)根据永磁电机在不同电压矢量作用下的三相电流微分值进行处理获得永磁电机的电感参数和磁链参数。
所述的永磁电机的三相的每相经一个霍尔传感器和一个微分采样电路连接，微分采样电路输出电压信号处理获得永磁电机的三相电流微分值。
所述的微分采样电路包括电阻R1、电容C1、运算放大器和反馈电阻R3；霍尔传感器的采样电流正端接在永磁电机的相线，霍尔传感器的采样电流负端接永磁电机的逆变器，霍尔传感器的信号输出端依次经电阻R1、电容C1后和运算放大器的反相输入端连接，运算放大器的同相输入端经电阻R2后和霍尔传感器的接地端连接，运算放大器的反相输入端和输出端之间通过反馈电阻R3连接，运算放大器的输出端作为微分采样电路的输出电压信号。
所述的永磁电机为逆变器供电的表贴式永磁同步电机。
表贴式永磁同步电机和逆变器连接，逆变器三相桥臂的中点分别与表贴式永磁同步电机的三相相线连接。
所述步骤2)中，根据永磁电机a、b、c三相对应的三个微分采样电路的输出电压信号uo_a、uo_b、uo_c按照以下公式处理获得永磁电机在静止三相坐标系下的三相电流微分值：
其中，uo_a、uo_b、uo_c分别表示永磁电机a、b、c三相对应的三个微分采样电路输出的电压，ia、ib、ic分别表示永磁电机a、b、c三相的相电流， 分别表示永磁电机a、b、c三相的电流微分值，t表示时间，R3表示微分采样电路中反馈电阻R3的阻值，C1表示微分采样电路中电容C1的容值；
所述步骤3)具体为：
3.1)根据实时采样得到静止三相坐标系下的三相电流微分按照以下公式经由坐标变换从静止三相坐标系转换到静止两相坐标系，获得静止两相坐标系下的电流微分值：
其中，分别表示永磁电机a、b、c三相的电流微分值；iαs、iβs分别表示永磁电机在静止两相坐标系下的α轴电流和β轴电流，/>分别表示永磁电机在静止两相坐标系下的α轴电流微分值和β轴电流微分值；
3.2)根据永磁电机所连接的逆变器母线电压值与三相桥臂开关状态，按照以下公式处理获得永磁电机在静止两相坐标系下的相电压：
其中，uαs、uβs分别为永磁电机静止两相坐标系下的α轴电压和β轴电压，Vdc是和永磁电机连接的逆变器的母线电压；Sa、Sb、Sc分别是与永磁电机连接的逆变器三相桥臂每相对应的开关状态，其值取为0或1；
3.3)最后实时从中仅提取永磁电机在有效矢量作用时静止两相坐标系下的α轴电流微分值和α轴电压uαs_active以及在零矢量作用时静止两相坐标系下的α轴电流微分值/>根据永磁电机在有效矢量作用时静止两相坐标系下的α轴电流微分值/>和α轴电压uαs_active以及在零矢量作用时静止两相坐标系下的α轴电流微分值/>处理获得永磁电机的电感参数L和磁链参数ψf。
所述步骤3.3)具体为：
先根据永磁电机在有效矢量、零矢量作用时静止两相坐标系下的α轴电流微分值代入以下公式计算获得永磁电机的电感参数L：
其中，iαs_active与uαs_active分别为永磁电机在有效矢量作用时静止两相坐标系下的α轴电流与α轴电压，iαs_zero与uαs_zero分别为永磁电机在零矢量作用时的α轴电流与α轴电压；分别表示永磁电机在有效矢量、零矢量作用时静止两相坐标系下的α轴电流微分值；
然后构造零矢量作用时的电流表达式，根据实时获得的永磁电机在零矢量作用时静止两相坐标系下的α轴电流微分值输入到电流表达式中拟合递推获得第一、第二待辨识参数Aα、Bα：
其中，Aα、Bα为第一、第二待辨识参数；θe表示永磁电机转子电角度，T表示矩阵转置；
根据第一、第二待辨识参数Aα、Bα和永磁电机的电感参数L按照以下公式处理获得永磁电机的磁链参数ψf表示为：
其中，ωe为永磁电机的电角速度。
本发明的微分采样电路见附图1，信号采样与参数辨识流程见附图2，实验中永磁电机在静止两相坐标系下α轴电压、α轴电流、α轴电流微分值的波形见附图3。
本发明能够在考虑永磁电机逆变器供电影响下，完成电感与磁链参数的在线辨识。
相比其他方法，本发明的有益效果是，
本发明对电压源型逆变器供电下的表贴式同步电机的电压与电流状态进行精确建模，引入开关状态函数表征了静止两相坐标系下电流导数与逆变器母线电压与电机参数之间的关系，再通过微分采样电路采集电机三相电流微分，最终以递推最小二乘法对电机电感和磁链参数进行在线辨识。
本发明以简单有效的软硬件结合方法实现了电机电感和磁链参数的在线辨识，能够实时跟踪电机运行过程中的参数变化。
附图说明
图1为微分采样电路示意图。
图2为信号采样与参数辨识流程图。
图3为实验中永磁电机在静止两相坐标系下α轴电压、α轴电流、α轴电流微分值的波形图。
具体实施方式
下面对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
如图2所示，本发明的实施例及其实施过程如下：
针对一台使用电压源型逆变器供电的表贴式永磁同步电机进行实验，所述电机及逆变器参数如下：
表1永磁同步电机及逆变器参数
参数 数值
相电阻 0.08Ω
相电感 0.42mH
磁链 0.04Wb
额定转速 6000rpm
额定电流 10A
母线电压 150V
开关频率 4kHz
1)设置微分采样电路，微分采样电路经霍尔传感器和永磁电机的三相连接。
永磁电机的三相的每相经一个霍尔传感器和一个微分采样电路连接，三个霍尔传感器分别接在永磁电机三相的相线上，微分采样电路输出电压信号处理获得永磁电机的三相电流微分值。
微分采样电路包括电阻R1、电容C1、运算放大器和反馈电阻R3；霍尔传感器的采样电流正端接在永磁电机的相线，霍尔传感器的采样电流负端接永磁电机的逆变器，霍尔传感器的信号输出端依次经电阻R1、电容C1后和运算放大器的反相输入端连接，运算放大器的同相输入端经电阻R2后和霍尔传感器的接地端连接，霍尔传感器的接地端接地，运算放大器的反相输入端和输出端之间通过反馈电阻R3连接，运算放大器的输出端即为微分采样电路的输出电压信号。
永磁电机为逆变器供电的表贴式永磁同步电机。
表贴式永磁同步电机和逆变器连接，逆变器三相桥臂的中点分别与表贴式永磁同步电机的三相相线连接。
2)通过霍尔传感器测量永磁电机的三相电流后，输入微分采样电路提取永磁电机的三相电流微分值。
根据永磁电机a、b、c三相对应的三个微分采样电路的输出电压信号uo_a、uo_b、uo_c按照以下公式处理获得永磁电机静止在三相坐标系下的三相电流微分值：
其中，uo_a、uo_b、uo_c分别表示永磁电机a、b、c三相对应的三个微分采样电路输出的电压，ia、ib、ic分别表示永磁电机a、b、c三相的相电流， 分别表示永磁电机a、b、c三相的电流微分值，t表示时间，R3表示微分采样电路中反馈电阻R3的阻值，C1表示微分采样电路中电容C1的容值；
3)根据永磁电机在不同电压矢量下的三相电流微分值进行处理获得永磁电机的电感参数和磁链参数。
3.1)根据实时采样得到静止三相坐标系下的三相电流微分按照以下公式经由坐标变换从静止三相坐标系转换到静止两相坐标系，获得静止两相坐标系下的电流微分值：
其中，分别表示永磁电机a、b、c三相的电流微分值；iαs、iβs分别表示永磁电机在静止两相坐标系下的α轴电流和β轴电流，/>分别表示永磁电机在静止两相坐标系下的α轴电流微分值和β轴电流微分值；
3.2)根据永磁电机所连接的逆变器母线电压值与三相桥臂开关状态，按照以下公式处理获得永磁电机在静止两相坐标系下的相电压：
其中，uαs、uβs分别为永磁电机静止两相坐标系下的α轴电压和β轴电压，Vdc是和永磁电机连接的逆变器的母线电压；Sa，Sb，Sc分别是与永磁电机连接的逆变器三相桥臂每相对应的开关状态，其值取为0或1。
3.3)最后实时从中仅提取永磁电机在有效矢量作用时静止两相坐标系下的α轴电流微分值和α轴电压uαs_active以及在零矢量作用时静止两相坐标系下的α轴电流微分值/>然后：
先根据永磁电机在有效矢量、零矢量作用时静止两相坐标系下的α轴电流微分值代入以下公式计算获得永磁电机的电感参数L：
其中，iαs_active与uαs_active分别为永磁电机在有效矢量作用时静止两相坐标系下的α轴电流与α轴电压，iαs_zero与uαs_zero分别为永磁电机在零矢量作用时的α轴电流与α轴电压；分别表示永磁电机在有效矢量、零矢量作用时静止两相坐标系下的α轴电流微分值；
在永磁电机的同一控制周期内，零矢量与有效矢量作用时的电流微分采样信号满足：
上述两式做差后建立永磁电机的电感参数L计算公式为：
接着构造零矢量作用时的电流表达式，根据实时获得的永磁电机在零矢量作用时静止两相坐标系下的α轴电流微分值输入到电流表达式中采用最小二乘法拟合递推获得第一、第二待辨识参数Aα、Bα：
其中，Aα、Bα为第一、第二待辨识参数，通过最小二乘法递推计算得到；θe表示永磁电机转子电角度，T表示矩阵转置；
根据第一、第二待辨识参数Aα、Bα和永磁电机的电感参数L按照以下公式处理获得永磁电机的磁链参数ψf表示为：
其中，ωe为永磁电机的电角速度。
根据以上计算流程，实验中永磁电机在静止两相坐标系下α轴电压uαs、α轴电流iαs、α轴电流微分值的波形分别如附图3所示。
在不同电压矢量作用时，静止两相坐标系下α轴电压uαs分别为不同值的情况下，根据本发明所述参数辨识方法得到的电感和磁链参数如下表所示：
表2不同α轴电压下永磁电机参数辨识结果
α轴电压 2/3VDC 1/3VDC 0 -1/3VDC -2/3VDC 辨识结果平均值 参数实际值
L(mH) 0.4695 0.4949 - 0.4836 0.4630 0.4778 0.42
ψf(Wb) 0.0441 0.0388 0.0358 0.0369 0.0425 0.0396 0.04
表2中VDC指永磁电机的逆变器的母线电压，数值在表1中给出。
由此可见，本发明能够在考虑永磁电机逆变器供电的影响下，对电机电感和磁链参数进行准确的在线辨识，从而实时跟踪电机运行过程中的参数变化。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于开关状态函数的永磁电机在线参数辨识方法，其特征在于：方法具体包括如下步骤：
1)设置微分采样电路，微分采样电路经霍尔传感器和永磁电机的三相线连接；
2)通过霍尔传感器测量永磁电机的三相电流后，输入微分采样电路提取永磁电机的三相电流微分值；
3)根据永磁电机在不同电压矢量作用下的三相电流微分值进行处理获得永磁电机的电感参数和磁链参数；
所述步骤3)具体为：
3.1)根据实时采样得到静止三相坐标系下的三相电流微分按照以下公式经由坐标变换从静止三相坐标系转换到静止两相坐标系，获得静止两相坐标系下的电流微分值：
其中，分别表示永磁电机a、b、c三相的电流微分值；iαs、iβs分别表示永磁电机在静止两相坐标系下的α轴电流和β轴电流，/>分别表示永磁电机在静止两相坐标系下的α轴电流微分值和β轴电流微分值；
3.2)根据永磁电机所连接的逆变器母线电压值与三相桥臂开关状态，按照以下公式处理获得永磁电机在静止两相坐标系下的相电压：
其中，uαs、uβs分别为永磁电机静止两相坐标系下的α轴电压和β轴电压，Vdc是和永磁电机连接的逆变器的母线电压；Sa、Sb、Sc分别是与永磁电机连接的逆变器三相桥臂每相对应的开关状态，其值取为0或1；
3.3)最后实时从中提取永磁电机在有效矢量作用时静止两相坐标系下的α轴电流微分值和α轴电压uαs_active以及在零矢量作用时静止两相坐标系下的α轴电流微分值根据永磁电机在有效矢量作用时静止两相坐标系下的α轴电流微分值/>和α轴电压uαs_active以及在零矢量作用时静止两相坐标系下的a轴电流微分值/>处理获得永磁电机的电感参数L和磁链参数yf。
2.根据权利要求1所述的一种基于开关状态函数的永磁电机在线参数辨识方法，其特征在于：所述的永磁电机的三相的每相经一个霍尔传感器和一个微分采样电路连接，微分采样电路输出电压信号处理获得永磁电机的三相电流微分值。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于开关状态函数的永磁电机在线参数辨识方法，其特征在于：所述的微分采样电路包括电阻R1、电容C1、运算放大器和反馈电阻R3；霍尔传感器的采样电流正端接在永磁电机的相线，霍尔传感器的采样电流负端接永磁电机的逆变器，霍尔传感器的信号输出端依次经电阻R1、电容C1后和运算放大器的反相输入端连接，运算放大器的同相输入端经电阻R2后和霍尔传感器的接地端连接，运算放大器的反相输入端和输出端之间通过反馈电阻R3连接，运算放大器的输出端作为微分采样电路的输出电压信号。
4.根据权利要求1所述的一种基于开关状态函数的永磁电机在线参数辨识方法，其特征在于：所述步骤2)中，根据永磁电机a、b、c三相对应的三个微分采样电路的输出电压信号uo_a、uo_b、uo_c按照以下公式处理获得永磁电机在静止三相坐标系下的三相电流微分值：
其中，uo_a、uo_b、uo_c分别表示永磁电机a、b、c三相对应的三个微分采样电路输出的电压，ia、ib、ic分别表示永磁电机a、b、c三相的相电流， 分别表示永磁电机a、b、c三相的电流微分值，t表示时间，R3表示微分采样电路中反馈电阻R3的阻值，C1表示微分采样电路中电容C1的容值。
5.根据权利要求1所述的一种基于开关状态函数的永磁电机在线参数辨识方法，其特征在于：所述步骤3.3)具体为：
先根据永磁电机在有效矢量、零矢量作用时静止两相坐标系下的α轴电流微分值代入以下公式计算获得永磁电机的电感参数L：
其中，iαs_active与uαs_active分别为永磁电机在有效矢量作用时静止两相坐标系下的α轴电流与α轴电压，iαs_zero与uαs_zero分别为永磁电机在零矢量作用时的α轴电流与α轴电压；分别表示永磁电机在有效矢量、零矢量作用时静止两相坐标系下的α轴电流微分值；
然后构造零矢量作用时的电流表达式，根据实时获得的永磁电机在零矢量作用时静止两相坐标系下的α轴电流微分值输入到电流表达式中拟合递推获得第一、第二待辨识参数Aα、Bα：
其中，Aα、Bα为第一、第二待辨识参数；qe表示永磁电机转子电角度，T表示矩阵转置；
根据第一、第二待辨识参数Aα、Bα和永磁电机的电感参数L按照以下公式处理获得永磁电机的磁链参数yf表示为：
其中，ωe为永磁电机的电角速度。
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