一种表贴式永磁同步电机参数的在线辨识方法与流程

本发明涉及永磁同步电机的控制领域，更具体地，涉及一种表贴式永磁同步电机参数的在线辨识方法。

背景技术：

相对于异步电机，永磁同步电机(permanentmagnetsynchronousmotor,pmsm)具有功率密度高、效率高和可靠性高等优点，近年来在工业、家用电器和电动汽车领域得到了广泛应用。然而在实际应用中受温度变化和磁场饱和等因素的影响，会导致电机参数发生巨大变化。电机参数的变化将会严重影响控制器性能，如电流环参数设计\转子位置精度和故障诊断等。因此,为了实现pmsm的高性能控制，需要对参数在线辨识的方法展开研究。

现有技术中，对于pmsm控制系统，定子电阻、d或q轴电感和转子磁链这三个参数对控制性能影响较大，因此主要对这三个参数进行辨识。为了能够实现参数的在线辨识，众多学者提出了很多算法，包括最小二乘法、模型参考自适应、卡尔曼滤波法和神经网络算法等。然而，当电机工作在稳定状态下，同时辨识三个及其以上的参数时，上述各种算法是欠秩运行的，可能导致计算所得的pmsm参数收敛到错误值。为了解决此问题，第一类解决方案是减少系统同时辨识的参数数量，例如，当在线辨识电机电阻参数时，设定磁链参数为其标称值以保证不会出现欠秩问题，但此方法的估算精度依赖于所用电机标称值的准确度，在实际运行过程中电机的标称值可能发生变化，或者需要借用额外的辅助设备，如电热偶和负载转矩测量仪器等，实现对电机电阻和磁链的测量。另一类解决方案是在运行过程中，注入瞬态的d轴电流来构造满秩系统，保证参数辨识的准确性。但在运行过程中，注入d轴电流可能会改变气隙磁链的饱和程度，导致电机参数如电感和磁链等发生变化，造成构建的方程不再适用，且注入d轴电流可能导致电机偏离稳定运行状态。

目前，电机工作在稳定工况时，由于欠秩问题，没有较好的方法能够保证对电机的多个参数同时进行辨识。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种表贴式永磁同步电机参数的在线辨识方法，构建考虑数字延时的电感参数在线辨识模型，实现对电感参数的辨识；对电机的零阶保持器离散域电压模型进行变换，消除电机磁链影响，实现对电阻参数的辨识；根据电感和电阻参数辨识结果，结合q轴电压稳态模型，实现对磁链参数辨识。

本发明采用如下的技术方案。

一种表贴式永磁同步电机参数的在线辨识方法的步骤如下：

步骤1，在永磁同步电机运行于最大转矩电流比控制方式时，采集永磁同步电机控制器输出的d轴参考电压和q轴参考电压，采集q轴反馈电流和电机运行的角速度；

步骤2，以d轴参考电压和q轴参考电压、q轴反馈电流作为电感参数在线辨识模型的输入数据，由电感参数在线辨识模型输出电感参数在线辨识结果；其中，电感参数在线辨识模型，是考虑数字控制延时的d轴参考电压和q轴参考电压的模型；

步骤3，以q轴反馈电流和电机运行的角速度作为第一参数在线辨识模型的输入数据，由第一参数在线辨识模型输出第一参数在线辨识结果；其中，第一参数在线辨识模型，是利用电感参数在线辨识模型与预处理后的d轴和q轴电压模型，基于最小二乘法得到的辨识模型；对d轴和q轴电压模型的预处理包括离散化和去磁链化；

以第一参数在线辨识结果和电感参数在线辨识结果作为电阻参数在线辨识模型的输入数据，由电阻参数在线辨识模型得到电阻参数在线辨识结果；其中，第一参数包含电感参数和电阻参数；

步骤4，以电感参数和电阻参数作为磁链参数在线辨识模型的输入数据，由磁链参数在线辨识模型输出磁链参数在线辨识结果；其中，磁链参数在线辨识模型，是q轴电压稳态模型。

优选地，步骤1中，永磁同步电机运行于最大转矩电流比控制方式时，永磁同步电机的d轴反馈电流等于0。

优选地，步骤2中，电感参数在线辨识模型满足如下关系式：

vdcosθd+vqsinθd＝-ωelsiq

式中，

vd为控制器输出的d轴参考电压，

vq为控制器输出的q轴参考电压，

θd为数字控制延时角度，

ωe为永磁同步电机运行的角速度，

iq为q轴反馈电流，

ls为d轴或q轴电感，在表贴式永磁同步电机中，d轴电感等于q轴电感。

优选地，

数字控制延时包括采样延时、计算延时和脉宽调制延时；数字控制延时使得永磁同步电机实际端电压和控制器输出参考电压满足如下关系式：

式中，

ud为作用到电机定子端的实际d轴电压，

uq为作用到电机定子端的实际q轴电压，

以数字控制延时角度θd反映永磁同步电机实际端电压和控制器输出参考电压的关系，数字控制延时角度θd为1.5ωets，其中ts为开关周期。

优选地，步骤3包括：

步骤3.1，考虑数字控制延时，以零阶保持器对d轴和q轴电压模型进行离散化处理，得到如下关系式：

式中，

id(k)、id(k-1)分别为第k时刻、第k-1时刻的d轴反馈电流，

iq(k)、iq(k-1)分别为第k时刻、第k-1时刻的q轴反馈电流，

vd(k-2)为控制器输出的第k-2时刻的d轴参考电压，

vq(k-2)为控制器输出的第k-2时刻的q轴参考电压，

b表示第一参数，满足

a表示第二参数，满足

ls为d轴或q轴电感，在表贴式永磁同步电机中，d轴电感等于q轴电感，

rs为表贴式永磁同步电机的定子相电阻，即需要进行在线辨识的电阻参数，

ts为开关周期，

ψf为表贴式永磁同步电机的转子磁链，

ωe为永磁同步电机运行的角速度，

其中，ωets表示数字控制延时角度θd；

步骤3.2，对离散化处理后的d轴和q轴电压模型去除磁链参数，在id(k)＝0时，得到预处理后的d轴和q轴电压模型，满足如下关系式：

-iq(k)sin(ωets)＝b[vd(k-2)cos(ωets)+vq(k-2)sin(ωets)]

预处理后的d轴和q轴电压模型中不包含磁链参数；

步骤3.3，基于最小二乘法，利用电感参数在线辨识模型与预处理后的d轴和q轴电压模型得到第一参数在线辨识模型，满足如下关系式：

式中，

θd为数字控制延时角度，为1.5ωets，其中ts为开关周期；

第一参数在线辨识模型中矩阵的秩与待辨识参数的数量相等，均为2；

步骤3.4，以第一参数在线辨识结果和电感参数在线辨识结果作为电阻参数在线辨识模型的输入数据，由满足如下关系式的电阻参数在线辨识模型，得到电阻参数在线辨识结果：

其中，b表示第一参数，包含电感参数和电阻参数。

优选地，

步骤3.2中，去除磁链参数的操作包括：将离散化处理后的d轴和q轴电压模型中的id(k)乘以cos(ωets)、iq(k)乘以sin(ωets)，并将所得的两个乘积相减。

步骤3.3中，第一参数在线辨识模型中矩阵的秩与待辨识参数的数量相等，均为2。

优选地，磁链参数在线辨识模型，满足如下关系式：

-vdsinθd+vqcosθd+iqrs＝ωeψf

式中，

vd为控制器输出的d轴参考电压，

vq为控制器输出的q轴参考电压，

θd为数字控制延时角度，为1.5ωets，其中ts为开关周期，

ωe为永磁同步电机运行的角速度，

ψf为表贴式永磁同步电机的转子磁链，

iq为q轴反馈电流，

rs为表贴式永磁同步电机的定子相电阻。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比：

1、无需注入d轴电流或额外增加辅助设备，能够实现对电机电感、电阻和磁链参数的在线辨识；

2、利用零阶保持器离散化的电压方程实现了对电机电阻的辨识，可以保证辨识方程满秩运行，提高辨识结果的准确性；

3、针对在数字控制系统中，由于延时的存在导致控制器输出的给定电压和定子端电压不相等的问题，因而在辨识模型中补偿了数字延时的影响，实现利用控制器输出参考电压等信息去辨识电机参数，无需测量电机定子端电压，提高了多参数辨识的准确度。

附图说明

图1为本发明表贴式永磁同步电机参数的在线辨识方法的流程示意图；

图2为本发明表贴式永磁同步电机参数的在线辨识方法在电机控制系统中应用的示意图；

图3是本发明表贴式永磁同步电机参数的在线辨识方法中，使用的最小二乘法的控制逻辑示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。

如图1，一种表贴式永磁同步电机参数的在线辨识方法的步骤如下：

步骤1，在永磁同步电机运行于最大转矩电流比控制方式时，采集永磁同步电机控制器输出的d轴参考电压和q轴参考电压，采集q轴反馈电流和电机运行的角速度。

具体地，步骤1中，永磁同步电机运行于最大转矩电流比控制方式时，永磁同步电机的d轴反馈电流等于0。

本优选实施例中，表贴式永磁同步电机在忽略磁饱和、铁损耗和涡流损耗时，在dq坐标系下的电压模型满足如下关系式：

式中，

id为d轴反馈电流，即d轴定子电流，

iq为q轴反馈电流，即q轴定子电流，

ud为作用到电机定子端的实际d轴电压，

uq为作用到电机定子端的实际q轴电压，

ls为d轴或q轴电感，在表贴式永磁同步电机中，d轴电感等于q轴电感，

rs为表贴式永磁同步电机的定子相电阻，即需要进行在线辨识的电阻参数，

ψf为表贴式永磁同步电机的转子磁链，

ωe为永磁同步电机运行的角速度，

s为拉普拉斯算子。

步骤2，以d轴参考电压和q轴参考电压、q轴反馈电流作为电感参数在线辨识模型的输入数据，由电感参数在线辨识模型输出电感参数在线辨识结果；其中，电感参数在线辨识模型，是考虑数字控制延时的d轴参考电压和q轴参考电压的模型。

具体地，步骤2中，电感参数在线辨识模型满足如下关系式：

vdcosθd+vqsinθd＝-ωelsiq

式中，

vd为控制器输出的d轴参考电压，

vq为控制器输出的q轴参考电压，

θd为数字控制延时角度，

ωe为永磁同步电机运行的角速度，

iq为q轴反馈电流

ls为d轴或q轴电感，在表贴式永磁同步电机中，d轴电感等于q轴电感。

具体地，

在实际的数字控制系统中，为了保证电机系统的正常工作，一般会存在数字控制延时，数字控制延时包括采样延时、计算延时和脉宽调制延时；数字控制延时的存在，导致控制器输出参考电压和电机定子端电压不相等；若要提高参数辨识准确性，需要准确地测量出电机定子端电压，然而定子端电压为高频输出信号，无法直接测量，因此本优选实施例中采用控制器输出参考电压代替定子端电压。

为了能正确利用电压信号进行辨识，需要能够利用控制器输出参考电压准确拟合电机定子端电压，因此充分利用数字控制延时，使得永磁同步电机实际端电压和控制器输出参考电压满足如下关系式：

式中，

ud为作用到电机定子端的实际d轴电压，

uq为作用到电机定子端的实际q轴电压，

以数字控制延时角度θd反映永磁同步电机实际端电压和控制器输出参考电压的关系，一般数字控制延时角度θd为1.5ωets，其中ts为开关周期。本优选实施例中，在连续域下对数字延时进行了建模，减小数字延时对电感参数辨识模型的影响。

步骤3，以q轴反馈电流和电机运行的角速度作为第一参数在线辨识模型的输入数据，由第一参数在线辨识模型输出第一参数在线辨识结果；其中，第一参数在线辨识模型，是利用电感参数在线辨识模型与预处理后的d轴和q轴电压模型，基于最小二乘法得到的辨识模型；对d轴和q轴电压模型的预处理包括离散化和去磁链化；

以第一参数在线辨识结果和电感参数在线辨识结果作为电阻参数在线辨识模型的输入数据，由电阻参数在线辨识模型得到电阻参数在线辨识结果；其中，第一参数包含电感参数和电阻参数。

具体地，步骤3包括：

步骤3.1，考虑数字控制延时，以零阶保持器对d轴和q轴电压模型进行离散化处理，得到如下关系式：

式中，

id(k)、id(k-1)分别为第k时刻、第k-1时刻的d轴反馈电流，

iq(k)、iq(k-1)分别为第k时刻、第k-1时刻的q轴反馈电流，

vd(k-2)为控制器输出的第k-2时刻的d轴参考电压，

vq(k-2)为控制器输出的第k-2时刻的q轴参考电压，

b表示第一参数，满足

a表示第二参数，满足

ls为d轴或q轴电感，在表贴式永磁同步电机中，d轴电感等于q轴电感，

rs为表贴式永磁同步电机的定子相电阻，即需要进行在线辨识的电阻参数，

ts为开关周期，

ψf为表贴式永磁同步电机的转子磁链，

ωe为永磁同步电机运行的角速度，

其中，ωets表示数字控制延时角度θd。

步骤3.2，对离散化处理后的d轴和q轴电压模型去除磁链参数，在id(k)＝0时，得到预处理后的d轴和q轴电压模型，满足如下关系式：

-iq(k)sin(ωets)＝b[vd(k-2)cos(ωets)+vq(k-2)sin(ωets)]

步骤3.2中，去除磁链参数的操作包括：将离散化处理后的d轴和q轴电压模型中的id(k)乘以cos(ωets)、iq(k)乘以sin(ωets)，并将所得的两个乘积相减。

预处理后的d轴和q轴电压模型中不包含磁链参数。

经过步骤3.1和步骤3.2预处理后的d轴和q轴电压模型中不再包含磁链参数，使得电阻辨识结果能够收敛于正确值。

步骤3.3，基于最小二乘法，利用电感参数在线辨识模型与预处理后的d轴和q轴电压模型得到第一参数在线辨识模型，满足如下关系式：

式中，

θd为数字控制延时角度，一般为1.5ωets，其中ts为开关周期；

第一参数在线辨识模型中矩阵的秩与待辨识参数的数量相等，均为2，符合满秩条件。

步骤3.4，以第一参数在线辨识结果和电感参数在线辨识结果作为电阻参数在线辨识模型的输入数据，在第一参数满足的前提下，对其进行数值变化得到由泰勒展开式得到经过简化得到如下关系式的电阻参数在线辨识模型：

其中，b表示第一参数，包含电感参数和电阻参数。利用电阻参数在线辨识模型，得到电阻参数在线辨识结果。

本优选实施例中，在步骤2中由连续域构建的稳态模型，仅能实现对电机电感参数的辨识，若想进一步对电机电阻或转子磁链等参数进行辨识，会出现欠秩问题，导致辨识结果收敛至错误值。为了构建满秩模型，推导了电机零阶保持器离散化的电压模型。为了消除电机磁链对参数辨识的影响，对电压模型进行了变换，在无需额外注入信号的基础上实现了对电阻参数的辨识，同时保证辨识矩阵的满秩运行。

步骤4，以电感参数和电阻参数作为磁链参数在线辨识模型的输入数据，由磁链参数在线辨识模型输出磁链参数在线辨识结果；其中，磁链参数在线辨识模型，是q轴电压稳态模型。

具体地，磁链参数在线辨识模型，满足如下关系式：

-vdsinθd+vqcosθd+iqrs＝ωeψf

式中，

vd为控制器输出的d轴参考电压，

vq为控制器输出的q轴参考电压，

θd为数字控制延时角度，一般为1.5ωets，其中ts为开关周期，

ωe为永磁同步电机运行的角速度，

ψf为表贴式永磁同步电机的转子磁链，

iq为q轴反馈电流，

rs为表贴式永磁同步电机的定子相电阻。

如图2，一种表贴式永磁同步电机参数的在线辨识系统，该系统利用表贴式永磁同步电机参数的在线辨识方法而实现，在表贴式永磁同步电机运行于最大转矩电流比控制方式时，以电机的d轴定子电流和q轴定子电流、控制器输出的d轴参考电压和q轴参考电压、永磁同步电机运行的角速度作为在线辨识系统的输入数据；由在线辨识系统输出电感参数在线辨识结果、电阻参数在线辨识结果和磁链参数在线辨识结果；其中，在线辨识系统包括：电感参数在线辨识模块、电阻参数在线辨识模块和磁链参数在线辨识模块。

本优选实施例中，永磁同步电机采用典型结构的控制系统，在线辨识系统能够直接应用于电机控制系统中，并且对于电机控制系统没有任何影响。

具体地，电感参数在线辨识模块，内置数字控制延时逻辑单元和电感参数在线辨识模型单元；其中，数字控制延时逻辑单元，用于向电感参数在线辨识模型单元提供包括采样延时、计算延时和脉宽调制延时的数字控制延时；电感参数在线辨识模型单元，用于根据控制器输出的d轴参考电压和q轴参考电压、q轴定子电流，输出电感参数在线辨识结果。

具体地，电阻参数在线辨识模块，内置d轴和q轴电压模型预处理单元、第一参数在线辨识模型单元和电阻参数在线辨识模型单元；其中，d轴和q轴电压模型预处理单元，用于对d轴和q轴电压模型依次进行离散化和去磁链化；第一参数在线辨识模型单元，用于根据q轴反馈电流和电机转速，输出第一参数在线辨识结果；电阻参数在线辨识单元，用于根据第一参数在线辨识结果和电感参数在线辨识结果，输出电阻参数在线辨识结果；

电阻参数在线辨识模块还包括模型拟合单元，模型拟合单元，用于利用电感参数在线辨识模型与预处理后的d轴和q轴电压模型，基于最小二乘法得到的第一参数辨识模型。本优选实施例中，最小二乘法的控制逻辑如图3所示。

值得注意的是，模型拟合单元采用最小二乘法实现第一参数辨识模型的构造过程，是一种非限制性的较优选择，采用其它方法使得电感参数在线辨识模型与预处理后的d轴和q轴电压模型实现模型拟合，并输出用于进行第一参数辨识的模型的发明构思均落入本发明的保护范围之内。

具体地，磁链参数在线辨识模块，内置磁链参数在线辨识模型，用于根据电感参数在线辨识结果和电阻参数在线辨识结果，输出磁链参数在线辨识结果。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比：

1、无需注入d轴电流或额外增加辅助设备，能够实现对电机电感、电阻和磁链参数的在线辨识；

2、利用零阶保持器离散化的电压方程实现了对电机电阻的辨识，可以保证辨识方程满秩运行，提高辨识结果的准确性；

3、针对在数字控制系统中，由于延时的存在导致控制器输出的给定电压和定子端电压不相等的问题，因而在辨识模型中补偿了数字延时的影响，实现利用控制器输出参考电压等信息去辨识电机参数，无需测量电机定子端电压，提高了多参数辨识的准确度。

本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。