一种永磁同步电机参数辨识的方法
【专利摘要】本发明公开了一种永磁同步电机参数辨识的方法，包括如下步骤：步骤A:根据逆变器非线性曲线的近似数学模型，将传统逆变器非线性曲线的低电流段等效为线性变化的曲线；通过线性回归的方法，辨识出所述线性变化的曲线的低电流区线性变化段的等效电阻Req和高电流区线性变化段的定子电阻Rs；步骤B:根据注入信号的频率，利用DFT求出高频电流幅值，根据高频电压和所述高频电流的幅值求出高频阻抗ZRL，利用步骤A辨识出所述电阻Req和所述高频阻抗ZRL，求出永磁同步电机d轴和q轴电感值。本方法简单实用，在获取更好的辨识精度的同时提高方法的通用性和实用性。
【专利说明】
一种永磁同步电机参数辨识的方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及高性能永磁同步电机调速控制领域，特别是指一种永磁同步电机参数 辨识的方法。
【背景技术】
[0002] 永磁同步电机的参数对于高性能电机控制系统的设计非常重要，不仅如此，电机 参数对于无速度传感器也是尤为重要。所以永磁同步电机的离线参数辨识近些年吸引了国 内外大量学者对其在电力传动领域的应用进行了研究。但是传统方案基于时域响应的辨识 精度不够，但是基于频率响应的辨识需要额外的辅助设备。上述两种传统的辨识方案都有 改进的方案，但是他们并不能保证只用电压源逆变器VSI，同时保证较高的辨识精度。究其 原因主要是这些方法并没有考虑到的或者解决逆变器非线性效应导致的辨识精度下降。实 际应用中逆变器的死区等导致的非线性特性是不可避免的，故而解决逆变器的非线性问题 成为电机离线参数辨识的主要难点。
[0003] 为解决逆变器非线性导致参数辨识精度下降的问题，有学者提出了一些解决方 法，但这些方法大都比较复杂，鲁棒性差，实际工程应用价值不高。如文献《Self-Commissioning of Permanent Magnet Synchronous Machine Drives at Standstill Considering Inverter Nonlinearities》考虑到逆变器的非线性，并且对辨识出的电感值 进行修正，但是需要IGBT模块的参数，通用性不强，鲁棒性差。而且随着转子的初始位置变 化，辨识结果误差变化很大。另外，为消除逆变器非线性对注入的高频信号影响，一些方法 试图对逆变器的非线性进行补偿，如文献《Offline Inductance Identification of PMSM with Adaptive Inverter Nonlinearity Compensation》，但是众所周知，逆变器非线性的 补偿是很不容易的，如果电流的极性判断不准，会导致补偿起到相反的效果。另有一些方法 通过电机运行在一定的速度下，大大减弱了逆变器非线性的影响，如文献《Identification of Machine Parameters of a Synchronous Motor》，电机在运行状态下进行辨识，这在有 些应用场合是不允许的，比如负载不能断开的情况下。这些方法的实用性不强，鲁棒性差。 目前尚没有较好的方法能够同时满足:1)电机在静止状态下;2)不需要额外的辅助设备，只 利用逆变器;3)对逆变器的非线性的敏感性很低;4)电机处于任意位置并且不影响辨识精 度。因此，需要开发出一种简单实用的方法，在获取更好的辨识精度的同时提高方法的通用 性和实用性。
【发明内容】
[0004] 有鉴于此，本发明的目的在于提出一种简单实用的永磁同步电机参数辨识的方 法，在获取更好的辨识精度的同时提高方法的通用性和实用性。
[0005] 基于上述目的本发明提供的一种永磁同步电机参数辨识的方法，包括如下步骤：
[0006] 步骤A:根据逆变器非线性曲线的近似数学模型，将传统逆变器非线性曲线的低电 流段等效为线性变化的曲线;通过线性回归的方法，辨识出所述线性变化的曲线的低电流 区线性变化段的等效电阻Req和高电流区线性变化段的定子电阻Rs;
[0007]步骤B:根据注入信号的频率，利用DFT求出高频电流幅值，根据高频电压和所述高 频电流的幅值求出高频阻抗Ζι利用步骤A辨识出所述电阻Req和所述高频阻抗ZRL，求出永 磁同步电机d轴和q轴电感值。
[0008]进一步的，所述步骤A具体包括：
[0009]根据逆变器非线性特性的近似数学模型，利用线性回归的方法求出等效电阻Req和 电阻Rs，所述电阻Req和所述电阻Rs的表达式如下：
[0012]进一步的，所述步骤B具体包括：
[0013] 在辨识永磁同步电机d轴的电感Ld和q轴的电感时注入高频脉振电压Uh，注入所述 高频脉振电压Uh的频率，利用DFT提取出相应的高频电流Ih;
[0014] 根据高频电压，电流，阻抗的关系估计出d轴和q轴电感值，公式如下：
[0018] 其中，N为采样点数，k为对应数字频率谐波的次数，Ui，Ii为相电压和电流。
[0019] 从上面所述可以看出，本发明提供的一种永磁同步电机参数辨识的方法，包括如 下步骤:步骤A:根据逆变器非线性曲线的近似数学模型，将传统逆变器非线性曲线的低电 流段等效为线性变化的曲线;通过线性回归的方法，辨识出所述线性变化的曲线的低电流 区线性变化段的等效电阻R eq和高电流区线性变化段的定子电阻Rs;步骤B:根据注入信号的 频率，利用DFT求出高频电流幅值，根据高频电压和所述高频电流的幅值求出高频阻抗Z RL， 利用步骤A辨识出所述电阻Req和所述高频阻抗ZRL，求出永磁同步电机d轴和q轴电感值。本 方法简单实用，在获取更好的辨识精度的同时提高方法的通用性和实用性。
【附图说明】
[0020] 图1为本发明永磁同步电机参数辨识的方法的一个实施例的流程图；
[0021] 图2为本发明实施例的硬件电路结构图；
[0022] 图3为本发明实施例的控制原理框图；
[0023] 图4是在静止条件下，任意位置，基于逆变器非线性电阻补偿的永磁同步电机d轴 电感离线参数辨识的实验结果；
[0024] 图5是在静止条件下，任意位置，基于逆变器非线性电阻补偿的永磁同步电机q轴 电感离线参数辨识的实验结果；
[0025] 图6是逆变器非线性曲线辨识结果；
[0026]图7a和图7b是ABB变频器在旋转条件下的d，q轴电感辨识结果。
【具体实施方式】
[0027] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。
[0028] 作为本发明一种永磁同步电机参数辨识的方法的一个实施例，如图1所不，为本发 明永磁同步电机参数辨识的方法的一个实施例的流程图包括步骤A和步骤B，
[0029] 其中步骤A包括：
[0030] 步骤101:根据逆变器非线性曲线的近似数学模型，将传统逆变器非线性曲线的低 电流段等效为线性变化的曲线。
[0031] 步骤102:通过线性回归的方法，辨识出所述线性变化的曲线的低电流区线性变化 段的等效电阻Req和高电流区线性变化段的定子电阻R s。
[0032] 步骤B包括：
[0033]步骤103:根据注入信号的频率，利用DFT求出高频电流幅值。
[0034]步骤104:根据高频电压和所述高频电流的幅值求出高频阻抗ZRL。
[0035 ] 步骤10 5 :利用步骤A辨识出所述电阻Req和所述高频阻抗Zrl，求出永磁同步电机d 轴和q轴电感值。
[0036] 本方法简单实用，在获取更好的辨识精度的同时提高方法的通用性和实用性。能 够同时满足：1)电机在静止状态下；2)不需要额外的辅助设备，只利用逆变器;3)对逆变器 的非线性的敏感性很低;4)电机处于任意位置并且不影响辨识精度。
[0037] 作为本发明的另一个实施例，在上述实施例的基础上，还包括:所述步骤A具体为：
[0038] 根据逆变器非线性特性的近似数学模型，利用线性回归的方法求出等效电阻Req和 电阻Rs，所述电阻R eq和所述电阻Rs的表达式如下：
[0041]所述步骤B具体为：
[0042]在辨识永磁同步电机d轴的电感Ld和q轴的电感时注入高频脉振电压Uh，注入所述 高频脉振电压Uh的频率，利用DFT提取出相应的高频电流Ih;
[0043]根据高频电压，电流，阻抗的关系估计出d轴和q轴电感值，公式如下：
[0047]其中，N为采样点数，k为对应数字频率谐波的次数，Ui，Ii为相电压和电流。
[0048]如图2所示，为本发明实施例的硬件电路结构图，包括:三相电压源、永磁同步电 机、三相二极管整流桥、直流侧电容、电压电流采样电路、DSP控制器和驱动电路。电压电流 采样电路利用电压霍尔传感器和电流霍尔传感器分别采集直流侧电压以及永磁同步电机 a、b相电流，采样信号经过信号调理电路后进入DSP控制器转换为数字信号。DSP控制器完成 本发明所提出方法的运算，输出六路开关脉冲，然后经过驱动电路后得到逆变器的六个开 关管的最终驱动信号。
[0049]如图3所示，为本发明实施例的控制原理框图。控制方法在图2的DSP控制器上按照 如下步骤依次实现：
[0050]步骤201:利用高频信号注入，辨识出电机的初始位置及具体表示为： . 。
[0053]其中，是沿着估计d轴注入高频电压而得到的q轴电流估计值，式中kdPh分别 为PI调节器中的比例增益和积分增益， "
[0054]步骤202:由于高频信号注入初步辨识出的位置可能会有180°的角度差，因此要根 据步骤201获取的初始位置4·基于d轴电感饱和效应的原则来判断电机的极性即0 还 1， r 飄=Θα π '
[0055] Id+ = Idc++Idh+
[0056] Id-= Idc-+Idh-
[0057] 其中，"+"表示初步估计的d轴方向，表示估计d轴相反的方向。Idc+，I'表示正 负方向直流电流分量，1'，1<^分别表示正反方向的高频电流分量如果，若Idh+>IdhHlJ表明 估计的d轴方向就是实际的方向，反之实际方向是估计的反方向。
[0058]步骤203:根据步骤202中正确的初始位置ΘΓ，沿着实际的d轴方向注入线性增加的 直流电流，并且根据ΘΓ所在的扇区选择出abc三相中的某一相作为非线性曲线辨识相，得到 电压-电流曲线ν χ-ιχ。
[0059] 步骤204:根据步骤204中获取的Vx-Ix曲线计算出定子电阻Rs和低电流线性变化段 的等效电阻Req。
[0060] 步骤205:分别向d，q轴注入高频电压信号Uh，利用DFT求出相应的高频电流幅值Ih。 [00611 步骤206:根据步骤205中计算出等效电阻Req，Uh和Ih最终求得d，q轴电感Ld，Lq。
[0062] 作为本发明的另一个实施例，所述永磁同步电机参数辨识的方法包括以下步骤：
[0063] 步骤301:利用高频信号注入，辨识出电机的初步初始位置6>,注意由于高频信号 〇 注入初步辨识出的位置可能会有180°的角度差。
[0064] 步骤302:根据步骤301得到初始位置即估计的》轴方向，并且沿着^轴正反方 向注入叠加了直流的高频交流电压信号Udh;
[0065] 步骤303:根据步骤302得到激励电压Udh产生的响应电流Idh，利用DFT提取出正反 方向的高频电流幅值，并根据高频电流幅值的大小判断电机初始位置的极性。
[0066]步骤304:根据步骤303中正确的初始位置ΘΓ，沿着实际的d轴方向注入线性增加的 直流电流，并且根据ΘΓ所在的扇区选择出abc三相中的一相作为非线性曲线辨识相，得到电 压-电流曲线V x-Ix。
[0067] 步骤305:根据步骤4中获取的Vx-Ix曲线计算出定子电阻匕和低电流线性变化段的 等效电阻Req。
[0068] 步骤306:分别向d，q轴注入高频电压信号Uh，利用DFT求出相应的高频电流幅值Ih， 根据步骤5中计算出等效电阻R eq，Uh和Ih最终求得d，q轴电感Ld，Lq。
[0069] 本实施例的方法，相对传统方法，在辨识逆变器的非线性曲线的基础上进行参数 辨识，对逆变器的非线性的敏感性很低;相对传统方案，无需计算复杂的补偿表达式，算法 简单实用。另外，在补偿公式中由于只包含高频等效电阻，对电机参数变化具有良好的鲁棒 性。由于低电流高频等效电阻并不随着电机位置变化而变化，所以电机可以处于任意位置 并且不影响辨识精度。由于采用高频信号注入的方法，辨识过程电机可以完全处于静止状 ??τ 〇
[0070] 图4是在静止条件下，任意位置，基于逆变器非线性电阻补偿的永磁同步电机d轴 电感离线参数辨识的实验结果。图5是在静止条件下，任意位置，基于逆变器非线性电阻补 偿的永磁同步电机q轴电感离线参数辨识的实验结果。
[0071] 图6是逆变器非线性曲线辨识结果。图7是ABB变频器在旋转条件下的d，q轴电感辨 识结果。
[0072] 图3、4中，蓝色代表实际测量的电感值，红色表示电机处于不同位置时的辨识电感 值。从图3、图4和图6的对比中可以发现，尽管实施本发明方法时电机处于静止条件下，但却 实现了更高的辨识精度。图5为逆变器非线性曲线辨识的实验结果，在进行非线性曲线辨识 之前还要进行电机初始位置辨识。从图3、图4、图5和图6中可以看出在整个辨识过程中，本 发明中所述的方法能够实现电机在静止条件下，任意位置，而且相比现有的成熟商业变频 器辨识更加精确。
[0073]需要说明的是，本发明实施例中所有使用"第一"和"第二"的表述均是为了区分两 个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见"第一" "第二"仅为了表述的方便，不应 理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。
[0074]所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非 旨在暗示本公开的范围（包括权利要求)被限于这些例子;在本发明的思路下，以上实施例 或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如 上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
[0075] 另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明难以理解，在所提供的附图中可 以示出或可以不示出与集成电路（1C)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以 以框图的形式示出装置，以便避免使本发明难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这 些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明的平台的（即，这些细节应当 完全处于本领域技术人员的理解范围内）。在阐述了具体细节(例如，电路）以描述本发明的 示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节 的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此，这些描述应被认为是说明 性的而不是限制性的。
[0076] 尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描 述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例 如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。
[0077] 本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、 修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进 等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种永磁同步电机参数辨识的方法，其特征在于，包括如下步骤： 步骤A:根据逆变器非线性曲线的近似数学模型，将传统逆变器非线性曲线的低电流段 等效为线性变化的曲线;通过线性回归的方法，辨识出所述线性变化的曲线的低电流区线 性变化段的等效电阻Req和高电流区线性变化段的定子电阻R s; 步骤B:根据注入信号的频率，利用DFT求出高频电流幅值，根据高频电压和所述高频电 流的幅值求出高频阻抗ZRL，利用步骤A辨识出所述电阻Re3q和所述高频阻抗Zru求出永磁同 步电机d轴和q轴电感值。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A具体包括： 根据逆变器非线性特性的近似数学模型，利用线性回归的方法求出等效电阻Req和电阻 Rs，所述电阻Req和所述电阻Rs的表达式如下：3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤B具体包括： 在辨识永磁同步电机d轴的电感Ld和q轴的电感时注入高频脉振电压Uh，注入所述高频 脉振电压Uh的频率，利用DFT提取出相应的高频电流Ih; 根据高频电压，电流，阻抗的关系估计出d轴和q轴电感值，公式如下：其中，N为采样点数，k为对应数字频率谐波的次数，Ui，I i为相电压和电流。
【文档编号】H02P21/14GK106026825SQ201610609661
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月28日
【发明人】张永昌, 刘家利
【申请人】北方工业大学