永磁同步電機(jī)的參數(shù)辨識

1、永磁同步電機(jī)的參數(shù)辨識本文主要是在通用變頻器上蟲現(xiàn)永毬同步氓機(jī)的矢星控制.對于通川變頻器而言.變頻常所帶的電機(jī)是未知的.不同的電機(jī)有不同的電機(jī)參數(shù)。由團(tuán)23可知，蹩想便得永磁同步電機(jī)欠量控制系統(tǒng)有較好的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行暮性及動態(tài)響應(yīng)特性，就需要電札參數(shù)糾確可知"巾機(jī)帶負(fù)載時的轉(zhuǎn)動慣盤與轉(zhuǎn)諫調(diào)節(jié)屣的円參數(shù)桔定密切相關(guān).而電流調(diào)節(jié)器卩】參教的確定需要電機(jī)的電樞電阻、交直牠電感、永磁件磁鏈等參數(shù)。國外學(xué)者復(fù)卑就開始硏究永磁同步電機(jī)參數(shù)辨U啲方法，幷且直系統(tǒng)丿F始運(yùn)行之前，系統(tǒng)可以白動通過特定的算池對永醯阿步電機(jī)勢數(shù)進(jìn)廳辨識*然后對斃動豳的各控制參數(shù)進(jìn)行自整定，從而軍需產(chǎn)丁程人員護(hù)對不同的電機(jī)而對飆

2、動器相黃參數(shù)崗仃手動週薊大大増鎖廣驅(qū)動器的通用性本章節(jié)主零介紹氷磁同步毘機(jī)電枇電Rs,dq軸電豚、永題體磁鏈（即反電勢1系數(shù)）的離線辨識tOff-lineAutoTuning）方法*4.1電機(jī)參數(shù)的辨識原理4.L1電樞肉阻的辨識原理定義電樞電阻層為定子每相的電陽釆用貞漁懣試對電楸電阻進(jìn)行參數(shù)野識。從永磁同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)訂以看出，當(dāng)通過逆變器向電機(jī)施加-個方向國定、幅值不燮的電壓矢最時，電機(jī)的三相電流將會氓快達(dá)到一個穩(wěn)定值且電機(jī)掙止。由f輪入的是豆流電流，定于繞組的電抗值為零，定子統(tǒng)組相當(dāng)于個純電凰。下圖為電楸電陽拜識實(shí)驗(yàn)的等效圖.假設(shè)電涼表讀數(shù)為4電壓表讀敷為U十則人厶./廠人=-Of于是得

3、到罔阻的計(jì)算表達(dá)式如下*（4】）4丄2交直軸電感的辨識原理在進(jìn)行甩揪電陰辨識時，當(dāng)覽子電流達(dá)到穩(wěn)定值后.永施同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子N極將會轉(zhuǎn)到與施加的定子電壓矢量相同的位胃。這時所施加空間電壓矢量的位胃即為d軸位置。這時根據(jù)水磁冋步電機(jī)在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系卜的數(shù)學(xué)模型，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為零旳，式（2.10）可化簡得到下武：di,%=R$id+LdW（4.2）對丁電壓階躍諭入時的電流響應(yīng)為:(43)其中計(jì)=5比為穩(wěn)態(tài)時的電沆位，乞?yàn)橥蜋C(jī)的電樞電瞅，為待辨識的d軸電感。通過記錄-的匕升過稈可計(jì)算出直軸電感。由第2章的介紹可知，對于表貼式永磁同步電機(jī)而言，交直軸電感基本足相等的，所以只需辨識其中一個即可。4.13反電

4、勢系數(shù)的辨識原理單位轉(zhuǎn)速下的空載反電勢的電壓值定義為電機(jī)的反電勢系數(shù)，笊位V/Krpm梵計(jì)舁公式為：=E/n（4.4）其中，E為空載反電勢，單位V；n為對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，單位Krpnu反電勢系數(shù)其實(shí)就是轉(zhuǎn)子永磁磁鏈，只是單位不同。永磁磁鏈的單位是Wb,其計(jì)算公式為屮廣EJ3,E空載反電勢，服位V；3為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)機(jī)械角連度，單位是rad/so永磁磁鏈與反電勢系數(shù)間的換算關(guān)系如下：=屮/*Mp*1000*y-(4.5)由反電勢系數(shù)的定義就能很容易想到一種反電勢系數(shù)的辨識方法，即使用另外一臺電機(jī)拖著待辨識的永磁同步電機(jī)以某一恒定轉(zhuǎn)速（假設(shè)是n（單位：Krpm）的轉(zhuǎn)速）旋轉(zhuǎn)，然后測得電機(jī)的UY端的輸出電壓（假

5、設(shè)是E（單位：V）,根據(jù)式4.4就能計(jì)算出反電勢系數(shù)。用這種方法確實(shí)能夠比較粘確的辨識出永磁同步電機(jī)的反電勢系數(shù)，但同時也能發(fā)現(xiàn)這種方法島耍增加的外圍設(shè)備太多（需耍另外一臺速度可粘確控制的電機(jī)，以及電壓測雖裝置等），通用性較差，所以不太適合辨識反電勢系數(shù)。這里給出一個工程上計(jì)算PMSM的反電勢系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式，此公式是根擁安川A1000的變頻器經(jīng)過多臺永磁同步電機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果并總結(jié)規(guī)律所得。(4.6)其中，P為電機(jī)額定功率(單位：W),川尸為極對數(shù)，人為額定頻率(單位：Hz),。為額定電流(單位：A),K為修正系數(shù)，収9.62對多家廠商生產(chǎn)的永磁同步電機(jī)的參數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證，利用式(4.6)計(jì)算出來的

6、反電勢系數(shù)與廠商給定的反電勢系數(shù)的誤基基木維持在±15%以內(nèi)，所以可以用式(4.6)的計(jì)算法代替上文提及的反電勢系數(shù)的辨識方法|44h4.2電機(jī)參數(shù)的辨識方案上節(jié)中闡述的永磁同步電機(jī)參數(shù)的辨識原理均在理論上成立，但在實(shí)際系統(tǒng)中，有許多不利因素限制了上述算法的直接使用，并嚴(yán)重影響辨識結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性.這些不利因素主要有：<1)死區(qū)造成的電壓損失和電流波形畸變；(2) 開關(guān)器件的導(dǎo)通壓降；(3) PWM方式產(chǎn)牛的電流紋波：(4) PWM方式使電機(jī)貼好的影響加??；(5) 電機(jī)參數(shù)在不同的電源頻率和載波頻率時會有變化。以下對如何在永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)電機(jī)參數(shù)的辨識作詳細(xì)說

7、明。電樞電阻的辨識方案根據(jù)PMSM在兩相胖止坐標(biāo)系下的電壓方程式(2.5)可知，ua=Rja+difaIdt,當(dāng)向電機(jī)定子繞組注入直流電壓且電機(jī)靜止時，感應(yīng)電壓為零，即如力=0。所以電壓方程變?yōu)椋簎a=RJa,根據(jù)給定的電壓和實(shí)測的電流值就町計(jì)算得到電阻值，R嚴(yán)I.。系統(tǒng)框圖：圖4.2定子電阻辨識方案圖根據(jù)圖4.2可知，Rs的辨識過程是以電流為目標(biāo)，給定某一個固定的電流值，通過PI調(diào)節(jié)器給出需要的電壓值，再經(jīng)過SVPXVM的運(yùn)算，通過逆變器向永磁同步電機(jī)注入相應(yīng)的直流電壓。為了消除部分死區(qū)效應(yīng)的彩響和開關(guān)器件產(chǎn)生的電壓損耗，可采用差分的算法來辨識電樞電阻.其具體做法是：向電機(jī)注入商段方向相同、

8、幅值不同的直流電流厶初(這里取人“二人，厶“=0.380),通過PI調(diào)節(jié)器分別得到所需要的電壓值.再檢測出實(shí)際電流值，利用差分覓法就能計(jì)第出電楓電亂值C電樞電阻計(jì)算公式如下:(4.7)R嚴(yán)/-/arralarea/2其中，%、為第一次注入直流電壓時的給定電壓、反饋電流值，J、farta/2為第二次注入自流電壓時的給定電壓、反饋電流值，K&為可手動調(diào)節(jié)的電枇電陰辨識結(jié)杲的修正系數(shù)，此差分覽法雖然可以去除部分死區(qū)和開關(guān)器件產(chǎn)生的電壓損失的越響。但是仍存在誤差，而有些誤差的存在是不可避免的，以下一一列出.（1）在不同的電流幅值下，輅入電壓的損失并不是完全固定不變的，由此引入了一定的電壓i十算

9、誤差；（2）逆變器是以PWM方式控制甩流的，電壓和電流并不是理想的直流，必然含有戟波頻率的諧波分雖（戎波頻率的借數(shù)的諧波對忽略）。而我波頻率的諧波分雖首先在直流電流中產(chǎn)生紋波，在同步PWM方式中，會產(chǎn)生電流檢測誤差；（3）諧波分量將使電抗值不再為零，因此，即使以雄分的方式計(jì)算Rs,仍需要對最終的辨識值進(jìn)行修正。住軟件屮實(shí)現(xiàn)旳要汪總、以下幾點(diǎn)：（1）對電流做PI控制輸出電壓吋，前段使用較大的系數(shù)，以加速電流上升速度，減少參數(shù)辨識時間，后段使用較小的系數(shù)，加強(qiáng)電流波形的穩(wěn)定性：（2）電壓給定值和電流椅測值均需做大濾波處理，使用同樣的濾波系數(shù)，以相兀抵消低通濾波算法造成的衰減及精度損失；（3）在電流

10、穩(wěn)定段，記錄多組電壓和電流值，用其均值做最終的Rs計(jì)舜。軸電感的辨識方案根據(jù)章節(jié)闡述的d軸電感辨識原理，可制定出如下d軸電感的辨識方案：在電樞電肌辨識完成時，電機(jī)的轉(zhuǎn)子N極是U相所在的位置，此時緊接著電樞電阻的辨識方案，向電機(jī)施加U相直流電壓矢量，此時電機(jī)轉(zhuǎn)子是不轉(zhuǎn)動的，直軸電流將隨Z變化，根堀犬（4.3）所示，只要記錄此肘的電流隨時間的變化規(guī)律，并結(jié)合給定電壓值以及上-步參數(shù)濟(jì)識出來的電版電殂值就能計(jì)算出d軸電感值.但是，山于指數(shù)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)不易.這甲可取某些特殊點(diǎn)來計(jì)算育軸電感，中式4.3可知.審.流匕升至穩(wěn)態(tài)值的0.632（1-e*）倍時，電感和電阻的關(guān)系可寫成：Ld=Z0.632-RS（

11、4.8）式中0632為電流上升至穩(wěn)態(tài)值的0632%時所需要的時間而直軸電感辨識的上要忖標(biāo)就集中于0.632的獲取。根搖以匕方案可辨識出永磁同步電機(jī)的d軸電感，具體的實(shí)現(xiàn)框圖如圖4.3所示:/：|0.632/*-fa3s/2s圖4.3笆軸電卿的辨識框圖圖中，乞芹為辨識電阻時，目標(biāo)電流為額定電流時，PI調(diào)節(jié)器計(jì)算出的對應(yīng)的電壓值。軟件實(shí)現(xiàn)時，需注意以下幾點(diǎn)：(1) 由于低通濾波必然來帶相位滯后和幅值的衰減，所測得的時間0.612誤差較大，所以用此種方法測電感不可以加低通濾波；(2) 不建議使用太小的載波，否則精度不夠，以4K載波為例，每采差一個點(diǎn)時間就相差0.25ms則電感值的誤差就增加(0.25

12、忸s)mH,這里可取10K載波頻率：(3) 直軸電感的辨識緊接著電樞電阻的辨識Z后，所以辨識之前無需進(jìn)行轉(zhuǎn)子定位，但是対丁直軸電感的辨識，所施加的電壓方向必須與辨識電阻的電壓方向冋向，否則辨識直軸電感時轉(zhuǎn)子亦會轉(zhuǎn)動，辨識結(jié)果不對；(4) 由于辨識直軸電感時，d軸與a軸重合，且電機(jī)睜止不動，所以可以用a軸的電流變化率來計(jì)算d軸電感；(5) 實(shí)際的采樣電流值足離散的，采得的電流值不一定剛好有0.632/*,軟件算法需要實(shí)現(xiàn)冃標(biāo)就是獲得0.632/*這個電流值附近的點(diǎn)，首先設(shè)置一個絕對偏湼量£,當(dāng)|0.632產(chǎn)-時，記錄下此電流J對應(yīng)的時間用于計(jì)算電感，£的大小決定了辨識結(jié)果的精

13、度和成敗，若設(shè)置太小，則有可能一個點(diǎn)都采不到；若設(shè)置太大就會采轉(zhuǎn)好兒個點(diǎn)。對于某個特定的£,采得的點(diǎn)就需要進(jìn)行篩選和處理，這樣才能辨識出比較準(zhǔn)確的直軸電感值.4.3參數(shù)辨識的實(shí)驗(yàn)波形及結(jié)果參數(shù)辨識的實(shí)驗(yàn)波形肉為在辨識電樞電阻及d軸電感時，向電機(jī)輸入的白流電壓欠屋的方向都是U相,所以UVW三相電流應(yīng)滿足Zr=Iw=-0.5/,圖4.4和圖4.5也說明了這點(diǎn)。如圖4.4所示，在辨識電樞電阻時，第-段以打出1倍額定電流為目標(biāo)，第二段以打出0.38倍的額定電流為目標(biāo)，分別經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)，算出給定的電壓值.任第一段和第二段電流平穩(wěn)階段，毎隔5ms取一次電壓和電流值，共取20個點(diǎn)，然后對這

14、20個點(diǎn)的電壓、電流求平均值，然后依據(jù)式（4.7）就能計(jì)算出電樞電阻。如圖4.5所示，在辨識完電樞電阻后，繼續(xù)向電機(jī)注入辨識電樞電阻時，額定電流對應(yīng)的電壓值。當(dāng)注入這個電壓值時，由于定了繞組的電感作用，電流是逐漸上升的，在電流上升的過程中，不斷對電流進(jìn)行采樣（lOOus采樣次），當(dāng)采得的電流值滿足|0.632產(chǎn)1<£時，記下此時的采樣時間點(diǎn)，該時間就足辨識的d軸電感需耍的0632,然肓依據(jù)式（4.8）就能計(jì)算出直軸電感值。本永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)所使用的SPMSM的技術(shù)參數(shù)如下衣:表4.1水磁同步電機(jī)技術(shù)參數(shù)參數(shù)名稱參數(shù)值電機(jī)型號：GK60644AC61額定轉(zhuǎn)速：2000rpm瀬定電壓：380V額定電涼：I.8