一种永磁电机电气参数辨识方法

1.本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种永磁电机电气参数辨识方法。


背景技术：

2.永磁同步电机具备高转矩密度、高效率、调速性能好等优点，在数控机床、电力牵引驱动、航空航天、国防军工等对性能和效率有高要求的场合得到了广泛的应用。典型的永磁同步电机控制系统拓扑由外环转速环和内环电流环组成，转速环根据转速指令和转速反馈值计算出电流内环的电流指令，因此转速环控制性能的好坏直接决定了电机的调速性能。
3.复杂运行工况下，永磁电机驱动系统不可避免参数变化的问题。实际应用中，电机的定子电阻会随温度发生变化，温度升高，电阻增大；而电感又随磁路饱和程度而变化，定子电流增大，磁路饱和程度增加，电感下降。这些电气参数在运行过程中发生的变化将导致控制器性能下降，进而影响电机工作中的稳定性；现有的计算方法中常见的参数辨识方法有最小二乘法、模型参考自适应法、扩展卡尔曼滤波器法、仿射投影法等等，这几类方法普遍存在计算量大，收敛速度不足等问题；且由于逆变器的非线性问题会显著影响系统对上述电气参数的辨识精度，不利于对永磁电机驱动系统的优化。


技术实现要素：

4.本发明提供一种永磁电机电气参数辨识方法，用以解决上述现有技术的缺陷。
5.本发明提供一种永磁电机电气参数辨识方法，包括步骤：
6.s1根据所述永磁电机的电压方程，以电流为状态变量建立以电阻和电感为不准确因素的d、q轴电流状态方程；
7.s2根据所述d、q轴电流状态方程，建立d、q轴集中扰动模型，并建立d、q轴扩张状态观测器，用于获取d、q轴的未知扰动的观测值；获取所述未知扰动的辨识结果；
8.s3获取定子电阻和d、q轴电感的第一辨识方程，获取定子电阻和d轴电感、q轴电感的第一辨识结果；
9.s4基于逆变器非线性特性，对所述第一辨识结果进行补偿，分别获取定子电阻、d轴电感、q轴电感的第二辨识结果；
10.s5对所述第二辨识结果进行滤波。
11.进一步，根据本发明提供的一种永磁电机电气参数辨识方法，所述步骤s1中的d、q轴电流状态方程为：
[0012][0013]
其中，r
s0
、l
d0
、l
q0
分别为电阻、d轴电感、q轴电感的预估值；
[0014]
分别为电阻、d轴电感、q轴电感的预估值与实际值的偏差；
[0015]
id、iq分别为电机的d轴电流和q轴电流；
[0016]
ud、uq分别为电机的d轴电压和q轴电压；
[0017]
ωe、ψf分别为电机的转子转速和永磁体磁链。
[0018]
进一步，根据本发明提供的一种永磁电机电气参数辨识方法，所述步骤s2中，建立d、q轴集中扰动模型，包括：
[0019]
建立d轴集中扰动模型，包括：
[0020][0021]
建立q轴集中扰动模型，包括：
[0022][0023]
其中，f
0d
、f
1d
分别为d轴的已知扰动和未知扰动；
[0024]f0q
、f
1q
分别为q轴的已知扰动和未知扰动；
[0025]
分别为d、q轴电压的控制指令。
[0026]
进一步，根据本发明提供的一种永磁电机电气参数辨识方法，所述步骤s2中，建立d、q轴扩张状态观测器包括：
[0027]
建立d轴扩张状态观测器，包括：
[0028][0029]
建立q轴扩张状态观测器，包括：
[0030][0031]
在所述d轴扩张状态观测器和所述q轴扩张状态观测器收敛后，获取未知扰动的观测值f
1d
、f
1q
；
[0032]
其中，z
1d
、z
1q
分别为d、q轴电流的观测值；
[0033]e1d
、e
1q
分别为d、q轴电流观测误差；
[0034]z2d
、z
2q
分别为未知扰动f
1d
、f
1q
的观测值；
[0035]
β1、β2为观测器增益参数。
[0036]
进一步，根据本发明提供的一种永磁电机电气参数辨识方法，所述步骤s3中，获取定子电阻和d、q轴电感的第一辨识方程，包括：
[0037][0038]
其中，
[0039]
进一步，根据本发明提供的一种永磁电机电气参数辨识方法，基于所述第一辨识方程，获取所述第一辨识结果对应的电压方程：
[0040][0041]
获取实际的电压方程：
[0042][0043]
将所述第一辨识结果对应的电压方程与所述实际电压方程作差，得：
[0044][0045]
对作差后的方程进行求解后，得：
[0046][0047]
其中，δud、δuq为逆变器非线性导致的d、q轴电压误差，即
[0048]
δrs、δld、δlq分别为逆变器非线性导致的电阻、d轴电感、q轴电感辨识误差，即
[0049]
进一步，根据本发明提供的一种永磁电机电气参数辨识方法，由逆变器非线性导致的d、q轴电压误差δud、δuq为：
[0050][0051][0052]
其中，ue为电压误差量的幅值，u
dc
为母线电压；
[0053]
td为死区时间，t
on
为开关管开通延迟，t
off
为开关管关断延迟，ts为开关周期；
[0054]vsat
为开关管的饱和管压降，v
dio
为反并联体二极管导通压降；
[0055]
为定子电流矢量与q轴的夹角，所述电机稳态运行时保持不变；
[0056]
k为表述谐波次数的正整数。
[0057]
进一步，根据本发明提供的一种永磁电机电气参数辨识方法，步骤s4中，对所述第一辨识结果进行补偿，分别获取定子电阻、d轴电感、q轴电感的第二辨识结果，包括：
[0058]
获取对所述第一辨识结果得补偿量，包括：
[0059][0060]
获取定子电阻、d轴电感、q轴电感的第二辨识结果：
[0061][0062]
其中，为补偿后的定子电阻、d轴电感、q轴电感的第二辨识结果。
[0063]
进一步，根据本发明提供的一种永磁电机电气参数辨识方法，步骤s5中，通过低通滤波器对定子电阻、d轴电感、q轴电感的第二辨识结果进行滤波。
[0064]
本发明提供的一种永磁电机电气参数辨识方法，通过对电气参数不准确的问题进行了建模，然后建立了d、q轴扩张状态观测器，推导出了d、q轴电感和定子电阻的辨识方程。由于参数辨识方程存在交叉耦合，无法直接求解。为此，考虑不同电参数动态特性的差异性，将待辨参数分为“快参数”和“慢参数”，通过对辨识方程时分复用，交叉更新，实现方程的求解。同时，由于逆变器非线性问题会显著影响电参数的辨识精度，本发明还对辨识结果作了相应的补偿计算，以提高电气参数的辨识精度。
附图说明
[0065]
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一
些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0066]
图1是本发明实施例提供的永磁电机电气参数辨识方法的流程示意图；
[0067]
图2是本发明实施例提供的电阻和电感辨识的结构示意图；
[0068]
图3是电机运行在300rpm下电气参数的辨识结果；
[0069]
图4是电机运行在1500rpm下电气参数的辨识结果。
具体实施方式
[0070]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0071]
为应对上述挑战，有必要对永磁电机的控制系统中引入参数辨识环节。参数辨识环节通过采集电机的状态信息，如电压、电流、转速等信息，再通过特定的算法对电机进行状态重构，从而获取参数辨识结果。常见的参数辨识方法有最小二乘法、模型参考自适应法、扩展卡尔曼滤波器法、仿射投影法等等，这几类方法普遍存在计算量大，收敛速度不足等问题。
[0072]
起源于自抗扰控制理论的扩张状态观测器作为一种扰动观测工具，天然具备对不确定的模型参数进行估计的潜力。扩张状态观测器具备参数鲁棒性强，收敛速度快，计算量小等优势。因此，发掘扩张状态观测器的优势，利用其结构特性来设计电气参数的辨识方程，是有有必要的。
[0073]
需要说明的是，本发明涉及的术语“第一\第二”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里描述或图示的那些以外的顺序实施。
[0074]
在一个实施例中，如图1所示，本发明提供一种永磁电机电气参数辨识方法包括步骤：
[0075]
s1根据所述永磁电机的电压方程，以电流为状态变量建立以电阻和电感为不准确因素的d、q轴电流状态方程；
[0076]
s2根据所述d、q轴电流状态方程，建立d、q轴集中扰动模型，并建立d、q轴扩张状态观测器，用于获取d、q轴的未知扰动的观测值；获取所述未知扰动的辨识结果；
[0077]
s3获取定子电阻和d、q轴电感的第一辨识方程，获取定子电阻和d轴电感、q轴电感的第一辨识结果；
[0078]
s4基于逆变器非线性特性，对所述第一辨识结果进行补偿，分别获取定子电阻、d轴电感、q轴电感的第二辨识结果；
[0079]
s5对所述第二辨识结果进行滤波。
[0080]
具体的，步骤s1包括：
[0081]
根据永磁电机在同步坐标系下的电压方程，建立以电流为状态变量，且考虑电气参数(电阻、电感)不准确因素的d、q轴电流状态方程。具体的：
[0082]
永磁电机在同步坐标系下的电压方程为：
[0083][0084]
其中，id、iq和ud、uq分别为同步坐标系下的d、q轴电流和电压分量；
[0085]rs
、ld、lq、ψf分别表示定子电阻、d轴电感、q轴电感、永磁体磁链；ωe为转子转速。
[0086]
考虑电阻、电感的不准确因素，有：
[0087][0088]
其中，r
s0
、l
d0
、l
q0
分别为电阻、d轴电感、q轴电感的预估值；
[0089]
分别为电阻、d轴电感、q轴电感的预估值和实际值的偏差；
[0090]
于是，考虑电阻、电感不准确因素的d、q轴电流状态方程可表示为：
[0091][0092]
进一步，在步骤s2中包括：
[0093]
针对s1中的d、q轴电流状态方程，建立d、q轴集中扰动模型，设计对应的扩张状态观测器，对d、q轴的未知扰动进行观测。具体地，包括：
[0094]
(1)分别建立d、q轴集中扰动模型，集中扰动由已知扰动和未知扰动构成，即：
[0095]
建立d轴集中扰动模型：
[0096][0097]
建立q轴集中扰动模型，包括：
[0098][0099]
其中，f
0d
、f
1d
分别为d轴的已知扰动和未知扰动；
[0100]f0q
、f
1q
分别为q轴的已知扰动和未知扰动；
[0101]
分别为d、q轴电压的控制指令。
[0102]
(2)将未知扰动f
1d
、f
1q
扩张为新的状态，设计d、q轴扩张状态观测器：
[0103]
建立d轴扩张状态观测器，包括：
[0104][0105]
建立q轴扩张状态观测器，包括：
[0106][0107]
其中，z
1d
、z
1q
分别为d、q轴电流的观测值；
[0108]e1d
、e
1q
分别为d、q轴电流观测误差；
[0109]z2d
、z
2q
分别为未知扰动f
1d
、f
1q
的观测值；
[0110]
β1、β2为观测器增益参数。
[0111]
在所述d轴扩张状态观测器和所述q轴扩张状态观测器收敛后，获取未知扰动的观测值f
1d
、f
1q
；
[0112]
进一步，由于f
1d
、f
1q
包含了电气参数不准确的信息，因此，可从中提取电气参数误差信息，从而实现对电机参数的辨识。
[0113]
在步骤s3中包括：
[0114]
根据未知扰动的辨识结果，推导定子电阻和d、q轴电感的第一辨识方程。具体地：
[0115]
需要说明的是，未知扰动f
1d
、f
1q
的表达式包含三个未知量。辨识过程中，为克服电阻和电感辨识方程的交叉依赖，可构造两个不同时间尺度的辨识模块，分别对“慢参数”(即电阻)和“快参数”(即电感)进行辨识，在对一类参数辨识期间，另一类参数视为常数，二者结果交替更新，保证辨识结果收敛，电感辨识和电阻辨识的执行周期如图2所示。
[0116]
考虑到电阻和电感动态特性差异，电感辨识环节的执行周期应当远小于电阻辨识环节的执行周期。因此，将电感辨识周期保持和控制器中断服务函数的执行周期一致，而电阻辨识周期为中断周期的十倍，如图3所示，即：
[0117][0118]
其中，ts、t1、t2分别为中断服务函数的执行周期、电感辨识环节的执行周期、电阻辨识环节的执行周期。
[0119]
电感辨识环节执行期间，将电阻视为已知量。忽略给定电压和实际电压的差异，则d、q轴未知扰动的估计值z
2d
、z
2q
可写为：
[0120][0121]
电机稳态运行下，id、iq的微分为零，从而，解得：
[0122][0123]
于是，d、q轴电感的第一辨识结果为：
[0124][0125]
需要说明的是，当永磁电机运行于轻载工况时，id、iq较小，此时的计算结果受电流噪声的影响大；由此，应当避免在轻载工况下进行电感辨识。事实上，电机的电感和磁路饱和程度有关，一般只在重载工况下才会出现明显变化，而此时电流幅值大，利于电感辨识。
[0126]
在实际应用中，应当根据永磁电机当前的负载水平按需激活电感辨识模块。
[0127]
另一方面，电阻辨识环节执行期间，将电感视为已知量，稳态运行下，可解得：
[0128][0129]
于是，电阻的第一辨识结果为：
[0130][0131]
需要说明的是，和电感辨识类似，永磁电机的轻载工况也不利于电阻辨识；通常，电机自身散热能力足够应对轻载工况，长时间运行绕组温升不大，电阻变化小，无需辨识；而中等负载或重载工况下长时间运行，温升显著，电阻变化明显，但此时电流幅值足够大，利于电阻辨识；由此，实际应用中，电阻辨识模块也应当根据当前负载水平按需激活。
[0132]
进一步，步骤s4包括：
[0133]
考虑逆变器非线性特性的影响，对定子电阻和d、q轴电感的第一辨识结果进行补偿，得到补偿后的电气参数辨识结果，具体包括：
[0134]
受逆变器死区效应影响，控制器给定电压和逆变器实际输出电压不等，该差异会被纳入未知扰动，影响电参数辨识结果。系统稳态运行下，电参数辨识结果收敛。在步骤s3中，参数辨识算法使用给定电压，于是，基于当前辨识结果的电压方程可表示为：
[0135][0136]
实际电压方程应当为：
[0137][0138]
将所述第一辨识结果对应的电压方程与所述实际电压方程作差，得：
[0139][0140]
对作差后的方程进行求解后，得：
[0141][0142]
其中，δud、δuq为逆变器非线性导致的d、q轴电压误差，即
[0143]
δrs、δld、δlq分别为逆变器非线性导致的电阻、d轴电感、q轴电感辨识误差，即
[0144]
另一方面，由逆变器非线性导致的d、q轴电压误差δud、δuq可表示为：
[0145]
由逆变器非线性导致的d、q轴电压误差δud、δuq为：
[0146][0147][0148]
其中，ue为电压误差量的幅值，u
dc
为母线电压；
[0149]
td为死区时间，t
on
为开关管开通延迟，t
off
为开关管关断延迟，ts为开关周期；
[0150]vsat
为开关管的饱和管压降，v
dio
为反并联体二极管导通压降；
[0151]
为定子电流矢量与q轴的夹角，所述电机稳态运行时保持不变；
[0152]
k为表述谐波次数的正整数。
[0153]
由上式可见，d、q轴电压误差δud、δuq包含直流分量和谐波分量，从而δrs、δld、δlq也包含谐波，引起辨识结果脉动，但该脉动的平均值为零，容易通过低通滤波器进行抑制。相比而言，δud、δuq的直流分量会对辨识结果的稳态精度造成显著影响，该影响可用如下公式描述：
[0154]
获取对所述第一辨识结果得补偿量，包括：
[0155][0156]
需要说明的是，为保障辨识精度，应当对辨识结果作出补偿，上式反映了和ue对稳态辨识误差的影响；显然，ue越大，稳态辨识误差越大，需要对辨识结果做的补偿量也就越大；
[0157]
进一步，基于上述的补偿量，获取定子电阻、d轴电感、q轴电感的第二辨识结果：
[0158][0159]
其中，为补偿后的定子电阻、d轴电感、q轴电感辨识结果，即定子电阻、d轴电感、q轴电感的第二辨识结果。
[0160]
进一步，步骤s5包括：
[0161]
对补偿后的电气参数辨识结果进行滤波，确保辨识结果平滑。具体地：
[0162]
根据步骤s4可知，δud、δuq的谐波分量会导致电气参数的辨识结果也包含谐波分量，从而引起辨识值出现脉动。为此，利用低通滤波器对辨识结果进行平滑滤波，如图3所示。
[0163]
本发明所提方法的有效性通过实验进行了验证。实验过程中，电机分别运行于高低两种转速下(1500rpm和300rpm)，并通过测功机施加不同负载转矩(0～6n
·
m)，以此检验所提方法在不同运行点的效果。实验中，电机的电阻、d轴电感、q轴电感分比为0.75ω、3.5mh、9.8mh；电感辨识模块的执行周期和中断周期一致，电阻辨识模块的执行周期则为中断周期的10倍；电阻和电感辨识结果通过低通滤波器作处理，截止频率分别选为2hz和20hz。
[0164]
在一个具体的实施例中，图3为永磁电机在300rpm运行下的实验结果；实验过程中，负载转矩从空载逐渐增加至6n
·
m：
[0165]
由图3可见，空载运行时，辨识结果完全不准确，这是因为id、iq均接近零，＝，辨识结果将对电流噪声极为敏感，可信度差；
[0166]
增加负载转矩至2n
·
m后，参数辨识结果均能收敛至真实值附近，但由于电阻辨识模块的执行周期是电感辨识的10倍，故电阻收敛速度显著慢于d、q轴电感；
[0167]
进一步增加负载转矩的，在负载突变的瞬间，辨识结果存在明显波动，但最终仍能稳定在真实值附近。
[0168]
在一个具体的实施例中，图4给出了电机运行于1500rpm的实验结果；实验过程中，负载转矩从空载逐渐增加至6n
·
m：
[0169]
由图4可见，在永磁电机从空载转矩增加到2n
·
m后，定子电阻、d轴电感、q轴电感的辨识结果快速收敛，从而能快速获取精确的定子电阻、d轴电感、q轴电感的辨识结果；在
该转速下，本发明实施例提供的方法仍能表现出极高的辨识精度。
[0170]
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0171]
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
[0172]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。