一种永磁同步电机机械参数的在线辨识方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于永磁同步电机矢量控制技术领域，更具体地，设及一种永磁同步电机 机械参数的在线辨识方法。
【背景技术】
[0002] 随着电力电子技术、电机控制技术W及稀上永磁材料的发展，使得永磁同步电机 交流伺服系统在航空航天、数控技术、机器人、纺织行业等领域得到了广泛的应用。永磁同 步电机的机械参数包括电机本体的转动惯量、负载转动惯量、辨识时刻转速下的电机粘滞 摩擦系数和负载转矩等四个参数。一般情况下，交流伺服系统的应用场合为负载转动惯量、 负载转矩和电机转速时变的运动控制场合，若伺服电机及其负载的转动惯量或者负载转矩 发生大范围的变化，对系统的精度、稳定性和动静态性能都会造成明显的影响。转动惯量和 负载转矩辨识功能在高性能交流伺服系统中的研究非常重要且需求紧迫。若能对电机运行 的复杂环境有及时精确地"了解"，特别是对系统转动惯量（包括电机本体的转动惯量和负 载转动惯量）、电机粘滞摩擦系数和负载转矩等电机机械参数进行智能化辨识，对于伺服系 统的精准控制具有很实际的意义。
[0003] 现有的转动惯量辨识方法可分为两大类，第一类为离线转动惯量辨识方法，主要 有直接计算法和加减速法；另一类为在线转动惯量辨识方法，主要有最小二乘法、卡尔曼滤 波法、离散模型参考自适应等方法。第一类方法是离线方法，使用范围窄，而且需要电机按 指定轨迹运转，不应用于在线辨识。第二类方法计算量大，所需要的计算时间长，实时性差。 而且，上述方法均忽略了电机粘滞摩擦系数对系统的影响。现有的负载转矩辨识方法主要 是基于电机模型建立的负载转矩观测器。由于负载转矩观测器忽略了电机粘滞摩擦系数， 而电机粘滞摩擦系数是与电机转速、负载转矩和负载转动惯量相关的，在参数辨识时，必须 予W考虑，因而现有的负载转矩辨识方法会在建立辨识模型时引起误差。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术的W上缺陷或改进需求，本发明提供了一种永磁同步电机机械参数 的在线辨识方法，在建立辨识模型时充分考虑电机粘滞摩擦系数，通过数据密度分析算法 在线同时辨识出永磁同步电机的机械参数。算法的计算量小，计算时间短，因而实现了对 永磁同步电机机械参数的实时准确的在线辨识，能为电机控制提供更为准确可靠的机械参 数。
[0005] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种永磁同步电机机械参数的 在线辨识方法，其特征在于，所述永磁同步电机带有负载转矩时，所述方法包括如下步骤：
[0006] (1)连续采集N组电机运行数据Di~Dw，其中，第k组电机运行数据Dk= (a k，《k，Iqk)，a巧第k组电机转子角加速度，I a J《a max, a max为电机转子角加速度的 额定值，为第k组电机转子角速度，I ? J《为电机转子角速度的额定值，Igk 为第k组反馈电流，I Iqkl《Iqm。,，1。"为反馈电流的额定值，k = 1，2, . . .，N ;
[0007] (2)根据N组电机运行数据Di~D w，计算得到s组机械参数Ti~T s，其中，第i组 机械参数Ti= (J。B。TJ，Ji为第i组系统转动惯量，0 < J Jm"，JmJ%系统转动惯量 额定值，Bi为第i组电机粘滞摩擦系数，0 < B Bm"，BmJ%电机粘滞摩擦系数额定值，T di 为第i组负载转矩，0 < T dm。,，为负载转矩额定值，i = 1，2,. . .，S，S为计算得到 的机械参数的总组数；
[000引 （3)将步骤（2)得到的各组机械参数投影到=维直角坐标系中，每组机械参数对 应=维直角坐标系中的一个特征点，其中，各特征点的坐标由其对应的系统转动惯量、电机 粘滞摩擦系数和负载转矩表示；
[0009] (4)将S维直角坐标系中的所有特征点包含在立方体内，该立方体的棱边与S维 直角坐标系的坐标轴平行或垂直，分别对该立方体的长、宽和高进行M等分，得到M 3个子立 方体，比较该些子立方体内包含的特征点数，将包含最多特征点的子立方体作为目标立方 体；
[0010] (5)分别对目标立方体内所有特征点对应的系统转动惯量、电机粘滞摩擦系数和 负载转矩求平均，得到系统转动惯量、电机粘滞摩擦系数和负载转矩的辨识值，完成电机机 械参数的辨识。
[0011] 优选地，所述步骤（2)进一步包括如下步骤：
[0012] (2-1)令 k = 2, i = 1 ;
[001引 （2-2)判断a k a k- a a &_1>声0是否成立，是则跳至步骤（2-4);否则顺序执行 步骤（2-如；
[0014] (2-：3)判断k是否等于N-1，是则过程结束杏则k = k+l，返回步骤（2-。；
[00巧](2-4)计算第i组机械参数Ti= (L，Bi，Tj，其中，
[0016]
【主权项】
1. 一种永磁同步电机机械参数的在线辨识方法，其特征在于，所述永磁同步电机带有 负载转矩时，所述方法包括如下步骤： ⑴连续采集N组电机运行数据01~01<，其中，第k组电机运行数据Dk= (a k，《k，Iqk)， ak为第k组电机转子角加速度，I a k| < α_，α_为电机转子角加速度的额定值，ω 第k组电机转子角速度，I ω」< ω_，《_为电机转子角速度的额定值，I qk为第k组反馈 电流，I ItlkI彡I-，I-为反馈电流的额定值，k = 1，2,. . .，N ; (2) 根据N组电机运行数据D1~D N，计算得到S组机械参数I\~T s，其中，第i组机械 参数Ti= (J i，Bi, Tdi)，Ji为第i组系统转动惯量，O < J i彡Jmax，Jmax为系统转动惯量额定 值，Bi为第i组电机粘滞摩擦系数，O < B Bmax3_为电机粘滞摩擦系数额定值，T di为第 i组负载转矩，O < TdiS T _，Tdmax为负载转矩额定值，i = 1，2, ...，S，S为计算得到的机 械参数的总组数； (3) 将步骤（2)得到的各组机械参数投影到三维直角坐标系中，每组机械参数对应三 维直角坐标系中的一个特征点，其中，各特征点的坐标由其对应的系统转动惯量、电机粘滞 摩擦系数和负载转矩表示； (4) 将三维直角坐标系中的所有特征点包含在立方体内，该立方体的棱边与三维直 角坐标系的坐标轴平行或垂直，分别对该立方体的长、宽和高进行M等分，得到M 3个子立 方体，比较这些子立方体内包含的特征点数，将包含最多特征点的子立方体作为目标立方 体； (5) 分别对目标立方体内所有特征点对应的系统转动惯量、电机粘滞摩擦系数和负载 转矩求平均，得到系统转动惯量、电机粘滞摩擦系数和负载转矩的辨识值，完成电机机械参 数的辨识。
2. 如权利要求1所述的永磁同步电机机械参数的在线辨识方法，其特征在于，所述步 骤（2)进一步包括如下步骤： (2-1)令 k = 2，i = 1 ; (2-2)判断a ka k-a (k+1) α O是否成立，是则跳至步骤（2-4);否则顺序执行步骤 (2-3)； (2-3)判断k是否等于Ν-1，是则过程结束；否则k = k+Ι，返回步骤（2-2); (2-4)计算第i组机械参数Ti = (J i，Bi, Tdi)，其中，
M1= a k〇 (k+1)-a (k+1) M2= α (k+i) ω (k-i)_ α (k-i) ω (k+l)， M3= α (k-i) ω k_ α kω (k-l)， Tdt为第k组电磁转矩； (2-5)判断Λ、BJP T di是否同时满足如下条件：0 < J # J max，O < Bi彡B max且O < K Tdmax，是则顺序执行步骤（2-6)，否则舍弃该组机械参数，跳至步骤（2-7); (2-6)判断k是否等于N-1，是则过程结束；否则i = i+1，k = k+Ι，返回步骤（2-2); (2-7)判断k是否等于N-1，是则过程结束；否则k = k+Ι，返回步骤（2-2)。
3. -种永磁同步电机机械参数的在线辨识方法，其特征在于，所述永磁同步电机处于 空载运行状态时，所述方法包括如下步骤： (1) 连续采集N组电机运行数据01~01<，其中，第k组电机运行数据Dk= (a k，《k，Iqk)， ak为第k组电机转子角加速度，I a k| < α_，α_为电机转子角加速度的额定值，ω 第k组电机转子角速度，I ω」< ω_，《_为电机转子角速度的额定值，I qk为第k组反馈 电流，I ItlkI彡I-，I-为反馈电流的额定值，k = 1，2,. . .，N ; (2) 根据N组电机运行数据D1~D N，计算得到S组机械参数I\~T s，其中，第i组机械 参数Ti = (J i，Bi)，Ji为第i组系统转动惯量，0 < J i彡J _，Jmax为系统转动惯量额定值，B i 为第i组电机粘滞摩擦系数，0 CBiSBmax, BmaxS电机粘滞摩擦系数额定值，i = 1，2, ...，S， S为计算得到的机械参数的总组数； (3) 将步骤（2)得到的各组机械参数投影到二维直角坐标系中，每组机械参数对应二 维直角坐标系中的一个特征点，其中，各特征点的坐标由其对应的系统转动惯量和电机粘 滞摩擦系数表示； (4) 将二维直角坐标系中的所有特征点包含在矩形内，该矩形的边与二维直角坐标系 的坐标轴平行或垂直，分别对该矩形的长和宽进行M等分，得到M 2个子矩形，比较这些子矩 形内包含的特征点数，将包含最多特征点的子矩形作为目标矩形； (5) 分别对目标矩形内所有特征点对应的系统转动惯量和电机粘滞摩擦系数求平均， 得到系统转动惯量和电机粘滞摩擦系数的辨识值，完成电机机械参数的辨识。
4. 如权利要求3所述的永磁同步电机机械参数的在线辨识方法，其特征在于，所述步 骤（2)进一步包括如下步骤： (2-1)令 k = 1，i = 1 ; (2-2)判断ak?(k+1)-a (k+1)?k辛〇是否成立，是则跳至步骤（2-4);否则顺序执行步骤 (2-3)； (2-3)判断k是否等于N-1，是则过程结束；否则k = k+Ι，返回步骤（2-2); (2-4)计算第i组机械参数Ti= (J i，Bi)，其中，
^其中，Td5为第k组电磁转矩； (2-5)判断1和B肩否同时满足如下条件：0< J i彡Jmax且0 < B i彡Bmax，是则顺序 执行步骤（2-6)，否则舍弃该组机械参数，跳至步骤（2-7); (2-6)判断k是否等于N-1，是则过程结束；否则i = i+1，k = k+Ι，返回步骤（2-2); (2-7)判断k是否等于N-1，是则过程结束；否则k = k+Ι，返回步骤（2-2)。
【专利摘要】本发明公开了一种永磁同步电机机械参数的在线辨识方法。基于电机运动方程，首先通过获取的电机加速度信号、速度信号和实际输出的电流信号，求解电机运动方程；随后将求解得出的辨识参数投影到三维坐标系中，并将坐标等分成小区域，比较得出坐标系中的数据分布密度最大的区域；最后将该区域内的解求平均值，从而辨识电机本体的转动惯量、负载转动惯量、辨识时刻转速下的电机粘滞摩擦系数和负载转矩等电机的机械参数。算法的计算量小，计算时间短，因而实现了对永磁同步电机机械参数的实时准确的在线辨识，能为电机控制提供更为准确可靠的机械参数。
【IPC分类】H02P21-14
【公开号】CN104639004
【申请号】CN201510065322
【发明人】艾武, 陈科, 陈冰, 刘毅, 贾彤起
【申请人】华中科技大学
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2015年2月9日