基于最小二乘法的模块化多绕组永磁电机参数辨识方法及系统

本发明涉及模块化多绕组永磁电机的控制技术，具体涉及一种基于最小二乘法的模块化多绕组永磁电机参数辨识方法及系统。

背景技术：

永磁同步电机具有运行可靠、体积小、质量轻、损耗小、效率高等诸多优点，我国具有丰富的稀土资源，在永磁同步电机的研究制造上具有得天独厚的优势。新型模块化永磁同步电机在三相永磁同步电机的设计基础上，将电机分成了多个模块，通过在电机不同模块之间实现物理隔离和电磁隔离，使得各模块可以进行独立控制，控制策略简便且有效提升了永磁电机的容错性和可靠性。因此，在航空航天、军事工程装备、新能源轨道交通等对安全性和可靠性有极高要求的领域中，新型模块化永磁电机的本体设计得到了广泛的关注和深入的研究，但关于新型模块化永磁电机的高效控制却很少有文献报道。在电机控制领域中，电机参数辨识的准确性直接影响整个系统控制性能的品质。当新型模块化永磁电机参数辨识不准确时，会导致控制器中使用的电机参数与实际电机参数不失配，致使整个电机系统效率降低，严重情况下甚至失控。目前研究学者对传统三相永磁同步电机的在线参数辨识方法进行了有效而深入的探索但关于新型模块化永磁电机的参数辨识方法很少有学者研究与文献报道，导致该类型电机控制性能与控制效果不理想，制约了其在我国重大工程装备中的应用。因此，突破模块化多绕组永磁电机系统参数辨识方法，对实现模块化多绕组永磁电机系统的高效高品质控制、加快模块化多绕组永磁电机系统的实用化进程具有重大意义。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种基于最小二乘法的模块化多绕组永磁电机参数辨识方法及系统，本发明解决了新型模块化多绕组永磁电机多参数实时在线辨识难题，并有效结合模块化电机的固有特性，消除了注入高频信号对于模块化多绕组永磁电机转矩和转速的影响，实现了新型模块化多绕组永磁电机多参数准确、高效辨识，为新型模块化多绕组永磁电机的高效高品质控制提供了新视角新途径。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于最小二乘法的模块化多绕组永磁电机参数辨识方法，包括：

1）将速度控制环产生的指令电流i^ref平均分配给模块化多绕组永磁电机的各个模块的电流控制环，并给各个模块的电流控制环的转矩控制角注入高频谐波分量；通过各个模块的电流控制环根据输入计算得到对应的电压指令值，并分别通过独立的svpwm环节产生开关状态量以控制对应的驱动单元；

2）采集模块化多绕组永磁电机的各个模块的测量电压电流；

3）基于各个模块的测量电压电流建立注入高频谐波分量后的电压方程，将各个模块的测量电压经加减运算得到加减组合电压方程，针对加减组合电压方程对正弦和余弦信号进行处理并滤波后得到新的电压方程组，将新的电压方程组利用最小二乘法求解，得到电机参数观测值。

可选地，步骤1）中给各个模块的电流控制环的转矩控制角注入高频谐波分量时，模块一注入的高频谐波分量δβ1和模块二注入的高频谐波分量δβ2之间的相位相差π，且模块一注入的高频谐波分量δβ1和模块二注入的高频谐波分量δβ2的函数表达式如下式所示：

上式中，a是高频谐波分量的幅值，ω为高频谐波分量的频率，t为时间。

可选地，步骤1）中通过各个模块的电流控制环根据输入计算得到对应的电压指令值是指采用pid控制根据输入计算得到对应的电压指令值。

可选地，步骤2）包括：采集模块化多绕组永磁电机的各个模块的三相电压电流，并通过坐标变换得到模块一的测量电流的dq轴分量id1,iq1、测量电压的dq轴分量ud1,uq1，模块二的测量电流的dq轴分量id2,iq2、测量电压的dq轴分量ud2,uq2。

可选地，步骤3）中基于各个模块的测量电压电流建立注入高频谐波分量后的电压方程的函数表达式如下式所示：

上式中，ud1,uq1分别为模块一的测量电压的dq轴分量，ud2,uq2分别为模块二的测量电压的dq轴分量，r为电机电阻，ids,iqs分别为dq轴电流直流量，a为高频谐波分量的幅值，ω为高频谐波分量的频率，t为时间，ld,lq为电机电感的dq轴分量，ωe为电机电转速，ψf为电机转子磁链。

可选地，步骤3）中将各个模块的测量电压经加减运算得到的加减组合电压方程的函数表达式如下式所示：

上式中，ud1,uq1分别为模块一的测量电压的dq轴分量，ud2,uq2分别为模块二的测量电压的dq轴分量，r为电机电阻，ids,iqs分别为dq轴电流直流量，a为高频谐波分量的幅值，ω为高频谐波分量的频率，t为时间，ld,lq为电机电感的dq轴分量，ωe为电机电转速，ψf为电机转子磁链。

可选地，步骤3）中针对加减组合电压方程对正弦和余弦信号进行处理并滤波后得到的新的电压方程组的函数表达式如下式所示：

且新的电压方程组的写成矩阵的形式的函数表达式如下式所示：

其中，ud1,uq1分别为模块一的测量电压的dq轴分量，ud2,uq2分别为模块二的测量电压的dq轴分量，r为电机电阻，ids,iqs分别为dq轴电流直流量，a为高频谐波分量的幅值，ω为高频谐波分量的频率，ld,lq为电机电感的dq轴分量，ωe为电机电转速，ψf为电机转子磁链，lpf为低通滤波器，x1~x6为六个新的电压方程。

可选地，步骤3）中将新的电压方程组利用最小二乘法求解得到电机参数观测值的函数表达式如下式所示：

上式中，θ(k)为当前时刻的电机参数矩阵θ，θ(k-1)为上一时刻的电机参数矩阵θ，k(k)为当前时刻的校正增益矩阵二，ε(k)为当前时刻的错误估计矩阵，y(k)为当前时刻的输出矩阵，为当前时刻的反馈矩阵，θest(k-1)为当前时刻的电机参数矩阵θ，p(k-1)为上一时刻的校正增益矩阵一，id为单位矩阵，p(k)为当前时刻的校正增益矩阵一，分别为电机电感dq轴分量的观测值，为电机电阻的观测值，为电机转子磁链的观测值。

此外，本发明还提供一种基于最小二乘法的模块化多绕组永磁电机参数辨识系统，包括相互连接的微处理器和存储器，所述微处理器被编程或配置以执行所述基于最小二乘法的模块化多绕组永磁电机参数辨识方法的步骤。

此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有被编程或配置以执行所述基于最小二乘法的模块化多绕组永磁电机参数辨识方法的计算机程序。

和现有技术相比，本发明主要具有下述优点：本发明基于最小二乘法的模块化多绕组永磁电机参数辨识方法通过对于转矩角的高频信号注入，基于各个模块的测量电压电流建立注入高频谐波分量后的电压方程，将各个模块的测量电压经加减运算得到加减组合电压方程，针对加减组合电压方程对正弦和余弦信号进行处理并滤波后得到新的电压方程组，将新的电压方程组利用最小二乘法求解，得到电机参数观测值，解决了新型模块化多绕组永磁电机多参数实时在线辨识难题，并有效结合模块化电机的固有特性，消除了注入高频信号对于模块化多绕组永磁电机转矩和转速的影响，实现了新型模块化多绕组永磁电机多参数准确、高效辨识，为新型模块化多绕组永磁电机的高效高品质控制提供了新视角新途径。

附图说明

图1为本发明实施例方法的控制结构框图。

图2为本发明实施例方法的控制过程流程图。

图3为本发明实施例中模块化多绕组永磁电机参数辨识结果图。

图4为本发明实施例中模块化多绕组永磁电机注入高频谐波前的转矩总谐波失真结果图。

图5为本发明实施例中模块化多绕组永磁电机注入高频谐波后的转矩总谐波失真结果图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例基于最小二乘法的模块化多绕组永磁电机参数辨识方法包括：

1）将速度控制环产生的指令电流i^ref平均分配给模块化多绕组永磁电机的各个模块的电流控制环，并给各个模块的电流控制环的转矩控制角注入高频谐波分量；通过各个模块的电流控制环根据输入计算得到对应的电压指令值，并分别通过独立的svpwm环节产生开关状态量以控制对应的驱动单元；

2）采集模块化多绕组永磁电机的各个模块的测量电压电流；

3）基于各个模块的测量电压电流建立注入高频谐波分量后的电压方程，将各个模块的测量电压经加减运算得到加减组合电压方程，针对加减组合电压方程对正弦和余弦信号进行处理并滤波后得到新的电压方程组，将新的电压方程组利用最小二乘法求解，得到电机参数观测值。

本实施例中，模块化多绕组永磁电机具体为两个电机模块（简称模块一和模块二），步骤1）中将速度控制环产生的指令电流i^ref平均分配给模块化多绕组永磁电机的各个模块的电流控制环，每一个模块的电流控制环输入的指令电流为i^ref/2。

参见图1，本实施例步骤1）中给各个模块的电流控制环的转矩控制角注入高频谐波分量时，模块一注入的高频谐波分量δβ1和模块二注入的高频谐波分量δβ2之间的相位相差π，且模块一注入的高频谐波分量δβ1和模块二注入的高频谐波分量δβ2的函数表达式如下式所示：

上式中，a是高频谐波分量的幅值，ω为高频谐波分量的频率，t为时间。

本实施例中，步骤1）中通过各个模块的电流控制环根据输入计算得到对应的电压指令值是指采用pid控制根据输入计算得到对应的电压指令值，此外也可以根据需要采用其他闭环控制算法，在此不再展开说明。

本实施例中，步骤1）中通过各个模块的电流控制环根据输入计算得到对应的电压指令值的函数表达式为：

上式中，u^refα12,u^refβ12分别为模块一或模块二的电压指令值的αβ轴分量，u^refq12,u^refq12分别为模块一或模块二的电压指令值的dq轴分量，θe是电机位置角。

本实施例中，步骤2）包括：采集模块化多绕组永磁电机的各个模块的三相电压电流，并通过坐标变换得到模块一的测量电流的dq轴分量id1,iq1、测量电压的dq轴分量ud1,uq1，模块二的测量电流的dq轴分量id2,iq2、测量电压的dq轴分量ud2,uq2。其中，坐标变换的函数表达式如下：

上式中，θe是电机位置角，ia12,ib12,ic12分别为模块一或模块二的三相电流，ua12,ub12,uc12分别为模块一或模块二的三相电电压。

本实施例中，步骤3）中基于各个模块的测量电压电流建立注入高频谐波分量后的电压方程的函数表达式如下式所示：

上式中，ud1,uq1分别为模块一的测量电压的dq轴分量，ud2,uq2分别为模块二的测量电压的dq轴分量，r为电机电阻，ids,iqs分别为dq轴电流直流量，a为高频谐波分量的幅值，ω为高频谐波分量的频率，t为时间，ld,lq为电机电感的dq轴分量，ωe为电机电转速，ψf为电机转子磁链。

本实施例中，步骤3）中将各个模块的测量电压经加减运算得到的加减组合电压方程的函数表达式如下式所示：

上式中，ud1,uq1分别为模块一的测量电压的dq轴分量，ud2,uq2分别为模块二的测量电压的dq轴分量，r为电机电阻，ids,iqs分别为dq轴电流直流量，a为高频谐波分量的幅值，ω为高频谐波分量的频率，t为时间，ld,lq为电机电感的dq轴分量，ωe为电机电转速，ψf为电机转子磁链。

本实施例中，步骤3）中针对加减组合电压方程对正弦和余弦信号进行处理并滤波后得到的新的电压方程组的函数表达式如下式所示：

且新的电压方程组的写成矩阵的形式的函数表达式如下式所示：

其中，ud1,uq1分别为模块一的测量电压的dq轴分量，ud2,uq2分别为模块二的测量电压的dq轴分量，r为电机电阻，ids,iqs分别为dq轴电流直流量，a为高频谐波分量的幅值，ω为高频谐波分量的频率，ld,lq为电机电感的dq轴分量，ωe为电机电转速，ψf为电机转子磁链，lpf为低通滤波器，x1~x6为六个新的电压方程。

本实施例中，步骤3）中将新的电压方程组利用最小二乘法求解得到电机参数观测值的函数表达式如下式所示：

上式中，θ(k)为当前时刻的电机参数矩阵θ，θ(k-1)为上一时刻的电机参数矩阵θ，k(k)为当前时刻的校正增益矩阵二，ε(k)为当前时刻的错误估计矩阵，y(k)为当前时刻的输出矩阵，为当前时刻的反馈矩阵，θest(k-1)为当前时刻的电机参数矩阵θ，p(k-1)为上一时刻的校正增益矩阵一，id为单位矩阵，p(k)为当前时刻的校正增益矩阵一，分别为电机电感dq轴分量的观测值，为电机电阻的观测值，为电机转子磁链的观测值。

最终，本实施例基于最小二乘法的模块化多绕组永磁电机参数辨识方法得到模块化多绕组永磁电机各参数观测结果如图3所示，模块化多绕组永磁电机在转矩角高频信号注入前后的转矩总谐波失真结果图4和图5所示。结合图3、图4和图5可知，本实施例基于最小二乘法的模块化多绕组永磁电机参数辨识方法的参数辨识结果可以快速收敛，并且与真实值之间的误差均在可接受范围之内，而采用本实施例基于最小二乘法的模块化多绕组永磁电机参数辨识方法的模块化多绕组永磁电机在转矩角高频信号注入后，转矩总谐波失真并没有发生明显变化。综上所述，本实施例公开了一种基于最小二乘法的模块化多绕组永磁电机参数辨识方法，所述模块化多绕组永磁电机系统采用级联pi控制器，速度控制环产生的电流指令平均分给两个电机模块的电流控制环，在两个电机模块电流速度环的转矩角之中分别注入相位不同的高频正弦信号，产生的电压指令经过两个独立的svpwm环节对模块化电机进行控制。通过对于高频信号的提取，得到新的方程并利用最小二乘法计算得出了模块化多绕组永磁电机系统参数。对比传统永磁同步电机参数辨识方法，本实施例所述方法满足了新型模块化多绕组永磁电机系统的参数辨识需求，减小了因高频正弦信号注入所导致的转矩脉动，消除了电机控制过程中谐波电流分量对于参数辨识造成的误差。

此外，本实施例还提供一种基于最小二乘法的模块化多绕组永磁电机参数辨识系统，包括相互连接的微处理器和存储器，所述微处理器被编程或配置以执行前述基于最小二乘法的模块化多绕组永磁电机参数辨识方法的步骤。

此外，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有被编程或配置以执行前述基于最小二乘法的模块化多绕组永磁电机参数辨识方法的计算机程序。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可读存储介质（包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。