一種永磁同步電機參數(shù)辨識的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種永磁同步電機參數(shù)辨識的方法，包括如下步驟：步驟A:根據(jù)逆變器非線性曲線的近似數(shù)學(xué)模型，將傳統(tǒng)逆變器非線性曲線的低電流段等效為線性變化的曲線；通過線性回歸的方法，辨識出所述線性變化的曲線的低電流區(qū)線性變化段的等效電阻Req和高電流區(qū)線性變化段的定子電阻Rs；步驟B:根據(jù)注入信號的頻率，利用DFT求出高頻電流幅值，根據(jù)高頻電壓和所述高頻電流的幅值求出高頻阻抗ZRL，利用步驟A辨識出所述電阻Req和所述高頻阻抗ZRL，求出永磁同步電機d軸和q軸電感值。本方法簡單實用，在獲取更好的辨識精度的同時提高方法的通用性和實用性。
【專利說明】
一種永磁同步電機參數(shù)辨識的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及高性能永磁同步電機調(diào)速控制領(lǐng)域，特別是指一種永磁同步電機參數(shù) 辨識的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 永磁同步電機的參數(shù)對于高性能電機控制系統(tǒng)的設(shè)計非常重要，不僅如此，電機 參數(shù)對于無速度傳感器也是尤為重要。所以永磁同步電機的離線參數(shù)辨識近些年吸引了國 內(nèi)外大量學(xué)者對其在電力傳動領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了研究。但是傳統(tǒng)方案基于時域響應(yīng)的辨識 精度不夠，但是基于頻率響應(yīng)的辨識需要額外的輔助設(shè)備。上述兩種傳統(tǒng)的辨識方案都有 改進(jìn)的方案，但是他們并不能保證只用電壓源逆變器VSI，同時保證較高的辨識精度。究其 原因主要是這些方法并沒有考慮到的或者解決逆變器非線性效應(yīng)導(dǎo)致的辨識精度下降。實 際應(yīng)用中逆變器的死區(qū)等導(dǎo)致的非線性特性是不可避免的，故而解決逆變器的非線性問題 成為電機離線參數(shù)辨識的主要難點。
[0003] 為解決逆變器非線性導(dǎo)致參數(shù)辨識精度下降的問題，有學(xué)者提出了一些解決方 法，但這些方法大都比較復(fù)雜，魯棒性差，實際工程應(yīng)用價值不高。如文獻(xiàn)《Self-Commissioning of Permanent Magnet Synchronous Machine Drives at Standstill Considering Inverter Nonlinearities》考慮到逆變器的非線性，并且對辨識出的電感值 進(jìn)行修正，但是需要IGBT模塊的參數(shù)，通用性不強，魯棒性差。而且隨著轉(zhuǎn)子的初始位置變 化，辨識結(jié)果誤差變化很大。另外，為消除逆變器非線性對注入的高頻信號影響，一些方法 試圖對逆變器的非線性進(jìn)行補償，如文獻(xiàn)《Offline Inductance Identification of PMSM with Adaptive Inverter Nonlinearity Compensation》，但是眾所周知，逆變器非線性的 補償是很不容易的，如果電流的極性判斷不準(zhǔn)，會導(dǎo)致補償起到相反的效果。另有一些方法 通過電機運行在一定的速度下，大大減弱了逆變器非線性的影響，如文獻(xiàn)《Identification of Machine Parameters of a Synchronous Motor》，電機在運行狀態(tài)下進(jìn)行辨識，這在有 些應(yīng)用場合是不允許的，比如負(fù)載不能斷開的情況下。這些方法的實用性不強，魯棒性差。 目前尚沒有較好的方法能夠同時滿足:1)電機在靜止?fàn)顟B(tài)下;2)不需要額外的輔助設(shè)備，只 利用逆變器;3)對逆變器的非線性的敏感性很低;4)電機處于任意位置并且不影響辨識精 度。因此，需要開發(fā)出一種簡單實用的方法，在獲取更好的辨識精度的同時提高方法的通用 性和實用性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提出一種簡單實用的永磁同步電機參數(shù)辨識的方 法，在獲取更好的辨識精度的同時提高方法的通用性和實用性。
[0005] 基于上述目的本發(fā)明提供的一種永磁同步電機參數(shù)辨識的方法，包括如下步驟：
[0006] 步驟A:根據(jù)逆變器非線性曲線的近似數(shù)學(xué)模型，將傳統(tǒng)逆變器非線性曲線的低電 流段等效為線性變化的曲線;通過線性回歸的方法，辨識出所述線性變化的曲線的低電流 區(qū)線性變化段的等效電阻Req和高電流區(qū)線性變化段的定子電阻Rs;
[0007]步驟B:根據(jù)注入信號的頻率，利用DFT求出高頻電流幅值，根據(jù)高頻電壓和所述高 頻電流的幅值求出高頻阻抗Ζι利用步驟A辨識出所述電阻Req和所述高頻阻抗ZRL，求出永 磁同步電機d軸和q軸電感值。
[0008]進(jìn)一步的，所述步驟A具體包括：
[0009]根據(jù)逆變器非線性特性的近似數(shù)學(xué)模型，利用線性回歸的方法求出等效電阻Req和 電阻Rs，所述電阻Req和所述電阻Rs的表達(dá)式如下：
[0012]進(jìn)一步的，所述步驟B具體包括：
[0013] 在辨識永磁同步電機d軸的電感Ld和q軸的電感時注入高頻脈振電壓Uh，注入所述 高頻脈振電壓Uh的頻率，利用DFT提取出相應(yīng)的高頻電流Ih;
[0014] 根據(jù)高頻電壓，電流，阻抗的關(guān)系估計出d軸和q軸電感值，公式如下：
[0018] 其中，N為采樣點數(shù)，k為對應(yīng)數(shù)字頻率諧波的次數(shù)，Ui，Ii為相電壓和電流。
[0019] 從上面所述可以看出，本發(fā)明提供的一種永磁同步電機參數(shù)辨識的方法，包括如 下步驟:步驟A:根據(jù)逆變器非線性曲線的近似數(shù)學(xué)模型，將傳統(tǒng)逆變器非線性曲線的低電 流段等效為線性變化的曲線;通過線性回歸的方法，辨識出所述線性變化的曲線的低電流 區(qū)線性變化段的等效電阻R eq和高電流區(qū)線性變化段的定子電阻Rs;步驟B:根據(jù)注入信號的 頻率，利用DFT求出高頻電流幅值，根據(jù)高頻電壓和所述高頻電流的幅值求出高頻阻抗Z RL， 利用步驟A辨識出所述電阻Req和所述高頻阻抗ZRL，求出永磁同步電機d軸和q軸電感值。本 方法簡單實用，在獲取更好的辨識精度的同時提高方法的通用性和實用性。
【附圖說明】
[0020] 圖1為本發(fā)明永磁同步電機參數(shù)辨識的方法的一個實施例的流程圖；
[0021] 圖2為本發(fā)明實施例的硬件電路結(jié)構(gòu)圖；
[0022] 圖3為本發(fā)明實施例的控制原理框圖；
[0023] 圖4是在靜止條件下，任意位置，基于逆變器非線性電阻補償?shù)挠来磐诫姍Cd軸 電感離線參數(shù)辨識的實驗結(jié)果；
[0024] 圖5是在靜止條件下，任意位置，基于逆變器非線性電阻補償?shù)挠来磐诫姍Cq軸 電感離線參數(shù)辨識的實驗結(jié)果；
[0025] 圖6是逆變器非線性曲線辨識結(jié)果；
[0026]圖7a和圖7b是ABB變頻器在旋轉(zhuǎn)條件下的d，q軸電感辨識結(jié)果。
【具體實施方式】
[0027] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0028] 作為本發(fā)明一種永磁同步電機參數(shù)辨識的方法的一個實施例，如圖1所不，為本發(fā) 明永磁同步電機參數(shù)辨識的方法的一個實施例的流程圖包括步驟A和步驟B，
[0029] 其中步驟A包括：
[0030] 步驟101:根據(jù)逆變器非線性曲線的近似數(shù)學(xué)模型，將傳統(tǒng)逆變器非線性曲線的低 電流段等效為線性變化的曲線。
[0031] 步驟102:通過線性回歸的方法，辨識出所述線性變化的曲線的低電流區(qū)線性變化 段的等效電阻Req和高電流區(qū)線性變化段的定子電阻R s。
[0032] 步驟B包括：
[0033]步驟103:根據(jù)注入信號的頻率，利用DFT求出高頻電流幅值。
[0034]步驟104:根據(jù)高頻電壓和所述高頻電流的幅值求出高頻阻抗ZRL。
[0035 ] 步驟10 5 :利用步驟A辨識出所述電阻Req和所述高頻阻抗Zrl，求出永磁同步電機d 軸和q軸電感值。
[0036] 本方法簡單實用，在獲取更好的辨識精度的同時提高方法的通用性和實用性。能 夠同時滿足：1)電機在靜止?fàn)顟B(tài)下；2)不需要額外的輔助設(shè)備，只利用逆變器;3)對逆變器 的非線性的敏感性很低;4)電機處于任意位置并且不影響辨識精度。
[0037] 作為本發(fā)明的另一個實施例，在上述實施例的基礎(chǔ)上，還包括:所述步驟A具體為：
[0038] 根據(jù)逆變器非線性特性的近似數(shù)學(xué)模型，利用線性回歸的方法求出等效電阻Req和 電阻Rs，所述電阻R eq和所述電阻Rs的表達(dá)式如下：
[0041]所述步驟B具體為：
[0042]在辨識永磁同步電機d軸的電感Ld和q軸的電感時注入高頻脈振電壓Uh，注入所述 高頻脈振電壓Uh的頻率，利用DFT提取出相應(yīng)的高頻電流Ih;
[0043]根據(jù)高頻電壓，電流，阻抗的關(guān)系估計出d軸和q軸電感值，公式如下：
[0047]其中，N為采樣點數(shù)，k為對應(yīng)數(shù)字頻率諧波的次數(shù)，Ui，Ii為相電壓和電流。
[0048]如圖2所示，為本發(fā)明實施例的硬件電路結(jié)構(gòu)圖，包括:三相電壓源、永磁同步電 機、三相二極管整流橋、直流側(cè)電容、電壓電流采樣電路、DSP控制器和驅(qū)動電路。電壓電流 采樣電路利用電壓霍爾傳感器和電流霍爾傳感器分別采集直流側(cè)電壓以及永磁同步電機 a、b相電流，采樣信號經(jīng)過信號調(diào)理電路后進(jìn)入DSP控制器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。DSP控制器完成 本發(fā)明所提出方法的運算，輸出六路開關(guān)脈沖，然后經(jīng)過驅(qū)動電路后得到逆變器的六個開 關(guān)管的最終驅(qū)動信號。
[0049]如圖3所示，為本發(fā)明實施例的控制原理框圖。控制方法在圖2的DSP控制器上按照 如下步驟依次實現(xiàn)：
[0050]步驟201:利用高頻信號注入，辨識出電機的初始位置及具體表示為： . 。

[0053]其中，是沿著估計d軸注入高頻電壓而得到的q軸電流估計值，式中kdPh分別 為PI調(diào)節(jié)器中的比例增益和積分增益， "
[0054]步驟202:由于高頻信號注入初步辨識出的位置可能會有180°的角度差，因此要根 據(jù)步驟201獲取的初始位置4·基于d軸電感飽和效應(yīng)的原則來判斷電機的極性即0 還 1， r 飄=Θα π '
[0055] Id+ = Idc++Idh+
[0056] Id-= Idc-+Idh-
[0057] 其中，"+"表示初步估計的d軸方向，表示估計d軸相反的方向。Idc+，I'表示正 負(fù)方向直流電流分量，1'，1<^分別表示正反方向的高頻電流分量如果，若Idh+>IdhHlJ表明 估計的d軸方向就是實際的方向，反之實際方向是估計的反方向。
[0058]步驟203:根據(jù)步驟202中正確的初始位置ΘΓ，沿著實際的d軸方向注入線性增加的 直流電流，并且根據(jù)ΘΓ所在的扇區(qū)選擇出abc三相中的某一相作為非線性曲線辨識相，得到 電壓-電流曲線ν χ-ιχ。
[0059] 步驟204:根據(jù)步驟204中獲取的Vx-Ix曲線計算出定子電阻Rs和低電流線性變化段 的等效電阻Req。
[0060] 步驟205:分別向d，q軸注入高頻電壓信號Uh，利用DFT求出相應(yīng)的高頻電流幅值Ih。 [00611 步驟206:根據(jù)步驟205中計算出等效電阻Req，Uh和Ih最終求得d，q軸電感Ld，Lq。
[0062] 作為本發(fā)明的另一個實施例，所述永磁同步電機參數(shù)辨識的方法包括以下步驟：
[0063] 步驟301:利用高頻信號注入，辨識出電機的初步初始位置6>,注意由于高頻信號 〇 注入初步辨識出的位置可能會有180°的角度差。
[0064] 步驟302:根據(jù)步驟301得到初始位置即估計的》軸方向，并且沿著^軸正反方 向注入疊加了直流的高頻交流電壓信號Udh;
[0065] 步驟303:根據(jù)步驟302得到激勵電壓Udh產(chǎn)生的響應(yīng)電流Idh，利用DFT提取出正反 方向的高頻電流幅值，并根據(jù)高頻電流幅值的大小判斷電機初始位置的極性。
[0066]步驟304:根據(jù)步驟303中正確的初始位置ΘΓ，沿著實際的d軸方向注入線性增加的 直流電流，并且根據(jù)ΘΓ所在的扇區(qū)選擇出abc三相中的一相作為非線性曲線辨識相，得到電 壓-電流曲線V x-Ix。
[0067] 步驟305:根據(jù)步驟4中獲取的Vx-Ix曲線計算出定子電阻匕和低電流線性變化段的 等效電阻Req。
[0068] 步驟306:分別向d，q軸注入高頻電壓信號Uh，利用DFT求出相應(yīng)的高頻電流幅值Ih， 根據(jù)步驟5中計算出等效電阻R eq，Uh和Ih最終求得d，q軸電感Ld，Lq。
[0069] 本實施例的方法，相對傳統(tǒng)方法，在辨識逆變器的非線性曲線的基礎(chǔ)上進(jìn)行參數(shù) 辨識，對逆變器的非線性的敏感性很低;相對傳統(tǒng)方案，無需計算復(fù)雜的補償表達(dá)式，算法 簡單實用。另外，在補償公式中由于只包含高頻等效電阻，對電機參數(shù)變化具有良好的魯棒 性。由于低電流高頻等效電阻并不隨著電機位置變化而變化，所以電機可以處于任意位置 并且不影響辨識精度。由于采用高頻信號注入的方法，辨識過程電機可以完全處于靜止?fàn)???τ 〇
[0070] 圖4是在靜止條件下，任意位置，基于逆變器非線性電阻補償?shù)挠来磐诫姍Cd軸 電感離線參數(shù)辨識的實驗結(jié)果。圖5是在靜止條件下，任意位置，基于逆變器非線性電阻補 償?shù)挠来磐诫姍Cq軸電感離線參數(shù)辨識的實驗結(jié)果。
[0071] 圖6是逆變器非線性曲線辨識結(jié)果。圖7是ABB變頻器在旋轉(zhuǎn)條件下的d，q軸電感辨 識結(jié)果。
[0072] 圖3、4中，藍(lán)色代表實際測量的電感值，紅色表示電機處于不同位置時的辨識電感 值。從圖3、圖4和圖6的對比中可以發(fā)現(xiàn)，盡管實施本發(fā)明方法時電機處于靜止條件下，但卻 實現(xiàn)了更高的辨識精度。圖5為逆變器非線性曲線辨識的實驗結(jié)果，在進(jìn)行非線性曲線辨識 之前還要進(jìn)行電機初始位置辨識。從圖3、圖4、圖5和圖6中可以看出在整個辨識過程中，本 發(fā)明中所述的方法能夠?qū)崿F(xiàn)電機在靜止條件下，任意位置，而且相比現(xiàn)有的成熟商業(yè)變頻 器辨識更加精確。
[0073]需要說明的是，本發(fā)明實施例中所有使用"第一"和"第二"的表述均是為了區(qū)分兩 個相同名稱非相同的實體或者非相同的參量，可見"第一" "第二"僅為了表述的方便，不應(yīng) 理解為對本發(fā)明實施例的限定，后續(xù)實施例對此不再一一說明。
[0074]所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：以上任何實施例的討論僅為示例性的，并非 旨在暗示本公開的范圍（包括權(quán)利要求)被限于這些例子;在本發(fā)明的思路下，以上實施例 或者不同實施例中的技術(shù)特征之間也可以進(jìn)行組合，步驟可以以任意順序?qū)崿F(xiàn)，并存在如 上所述的本發(fā)明的不同方面的許多其它變化，為了簡明它們沒有在細(xì)節(jié)中提供。
[0075] 另外，為簡化說明和討論，并且為了不會使本發(fā)明難以理解，在所提供的附圖中可 以示出或可以不示出與集成電路（1C)芯片和其它部件的公知的電源/接地連接。此外，可以 以框圖的形式示出裝置，以便避免使本發(fā)明難以理解，并且這也考慮了以下事實，即關(guān)于這 些框圖裝置的實施方式的細(xì)節(jié)是高度取決于將要實施本發(fā)明的平臺的（即，這些細(xì)節(jié)應(yīng)當(dāng) 完全處于本領(lǐng)域技術(shù)人員的理解范圍內(nèi)）。在闡述了具體細(xì)節(jié)(例如，電路）以描述本發(fā)明的 示例性實施例的情況下，對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說顯而易見的是，可以在沒有這些具體細(xì)節(jié) 的情況下或者這些具體細(xì)節(jié)有變化的情況下實施本發(fā)明。因此，這些描述應(yīng)被認(rèn)為是說明 性的而不是限制性的。
[0076] 盡管已經(jīng)結(jié)合了本發(fā)明的具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是根據(jù)前面的描 述，這些實施例的很多替換、修改和變型對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說將是顯而易見的。例 如，其它存儲器架構(gòu)(例如，動態(tài)RAM(DRAM))可以使用所討論的實施例。
[0077] 本發(fā)明的實施例旨在涵蓋落入所附權(quán)利要求的寬泛范圍之內(nèi)的所有這樣的替換、 修改和變型。因此，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何省略、修改、等同替換、改進(jìn) 等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種永磁同步電機參數(shù)辨識的方法，其特征在于，包括如下步驟： 步驟A:根據(jù)逆變器非線性曲線的近似數(shù)學(xué)模型，將傳統(tǒng)逆變器非線性曲線的低電流段 等效為線性變化的曲線;通過線性回歸的方法，辨識出所述線性變化的曲線的低電流區(qū)線 性變化段的等效電阻Req和高電流區(qū)線性變化段的定子電阻R s; 步驟B:根據(jù)注入信號的頻率，利用DFT求出高頻電流幅值，根據(jù)高頻電壓和所述高頻電 流的幅值求出高頻阻抗ZRL，利用步驟A辨識出所述電阻Re3q和所述高頻阻抗Zru求出永磁同 步電機d軸和q軸電感值。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟A具體包括： 根據(jù)逆變器非線性特性的近似數(shù)學(xué)模型，利用線性回歸的方法求出等效電阻Req和電阻 Rs，所述電阻Req和所述電阻Rs的表達(dá)式如下：3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟B具體包括： 在辨識永磁同步電機d軸的電感Ld和q軸的電感時注入高頻脈振電壓Uh，注入所述高頻 脈振電壓Uh的頻率，利用DFT提取出相應(yīng)的高頻電流Ih; 根據(jù)高頻電壓，電流，阻抗的關(guān)系估計出d軸和q軸電感值，公式如下：其中，N為采樣點數(shù)，k為對應(yīng)數(shù)字頻率諧波的次數(shù)，Ui，I i為相電壓和電流。
【文檔編號】H02P21/14GK106026825SQ201610609661
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月28日
【發(fā)明人】張永昌, 劉家利
【申請人】北方工業(yè)大學(xué)