永磁同步电机的参数辨识

1、永磁同步电机的参数辨识本文主要是在通用变频器上虫现永毬同步氓机的矢星控制.对于通川变频器而言. 变频常所带的电机是未知的.不同的电机有不同的电机参数。由團23可知，蹩想便得 永磁同步电机欠量控制系统有较好的稳态运行暮性及动态响应特性，就需要电札参数糾 确可知"巾机带負载时的转动惯盘与转谏调节屣的円参数桔定密切相关.而电流调节 器卩】参教的确定需要电机的电枢电阻、交直牠电感、永磁件磁链等参数。国外学者復 卑就开始硏究永磁同步电机参数辨U啲方法，幷且直系统丿F始运行之前，系统可以白动 通过特定的算池对永醯阿步电机势数进厅辨识*然后对斃动豳的各控制参數进行自整 定，从而军需產丁程人员护对不

2、同的电机而对飙动器相黃参数岗仃手动週蓟大大増锁 广驱动器的通用性本章节主零介绍氷磁同步毘机电枇电Rs, dq轴电豚、永題体磁 链（即反电势1系数）的离线辨识tOff-line AutoTuning）方法*4.1电机参数的辨识原理4.L1电枢肉阻的辨识原理定义电枢电阻层为定子每相的电阳釆用貞漁懑试对电楸电阻进行参数野识。从 永磁同步电机的基本结构订以看出，当通过逆变器向电机施加-个方向国定、幅值不燮 的电压矢最时，电机的三相电流将会氓快达到一个稳定值且电机挣止。由f轮入的是豆 流电流，定于绕组的电抗值为零，定子统组相当于个纯电凰。下图为电楸电阳拜识实验 的等效图.假设电涼表读数为4电压表读敷为U

3、十则人厶./厂人=-Of 于是得到罔 阻的计算表达式如下*（4】）4丄2交直轴电感的辨识原理在进行甩揪电阴辨识时，当览子电流达到稳定值后.永施同步电机的转子N极将会转到与施加的定子电压矢量相同的位胃。这时所施加空间电压矢量的位胃即为d轴位 置。这时根据水磁冋步电机在两相旋转坐标系卜的数学模型，当电机转速为零旳，式（2.10）可化簡得到下武：di,%=R$id+LdW（4.2）对丁电压阶跃谕入时的电流响应为:(43)其中计=5比为稳态时的电沆位，乞为屯机的电枢电瞅，为待辨识的d轴电 感。通过记录-的匕升过稈可计算出直轴电感。由第2章的介绍可知，对于表贴式永磁 同步电机而言，交直轴电感基本足相等的

4、，所以只需辨识其中一个即可。4.13反电势系数的辨识原理单位转速下的空载反电势的电压值定义为电机的反电势系数，笊位V/Krpm梵计 舁公式为：= E/n（4.4）其中，E为空载反电势，单位V； n为对应的转速，单位Krpnu反电势系数其实就是转子永磁磁链，只是单位不同。永磁磁链的单位是Wb, 其计算公式为屮广EJ3, E空载反电势，服位V； 3为转子旋转机械角連度，单位是 rad/so永磁磁链与反电势系数间的换算关系如下：=屮/ *Mp * 1000*y-(4.5)由反电势系数的定义就能很容易想到一种反电势系数的辨识方法，即使用另外一台 电机拖着待辨识的永磁同步电机以某一恒定转速（假设是n （

5、单位：Krpm）的转速）旋 转，然后测得电机的UY端的输出电压（假设是E （单位：V）,根据式4.4就能计算 出反电势系数。用这种方法确实能够比较粘确的辨识出永磁同步电机的反电势系数，但 同时也能发现这种方法岛耍增加的外围设备太多（需耍另外一台速度可粘确控制的电 机，以及电压测虽装置等），通用性较差，所以不太适合辨识反电势系数。这里给出一个工程上计算PMSM的反电势系数的经验公式，此公式是根拥安川 A1000的变频器经过多台永磁同步电机的实验结果并总结规律所得。(4.6)其中，P为电机额定功率(单位：W),川尸为极对数，人 为额定频率(单位：Hz), 。为额定电流(单位：A), K为修正系数，

6、収9.62对多家厂商生产的永磁同步电机 的参数进行了验证，利用式(4.6)计算出来的反电势系数与厂商给定的反电势系数的 误基基木维持在±15%以内，所以可以用式(4.6)的计算法代替上文提及的反电势系数 的辨识方法|44h4.2电机参数的辨识方案上节中阐述的永磁同步电机参数的辨识原理均在理论上成立，但在实际系统中，有 许多不利因素限制了上述算法的直接使用，并严重影响辨识结果的准确性和稳定性.这 些不利因素主要有：<1)死区造成的电压损失和电流波形畸变；(2) 开关器件的导通压降；(3) PWM方式产牛的电流纹波：(4) PWM方式使电机贴好的影响加剧；(5) 电机参数在不同的电

7、源频率和载波频率时会有变化。以下对如何在永磁同步电机矢量控制系统中实现电机参数的辨识作详细说明。4.2.1电枢电阻的辨识方案根据PMSM在两相胖止坐标系下的电压方程式(2.5)可知，ua = Rja + difaIdt, 当向电机定子绕组注入直流电压且电机静止时，感应电压为零，即如力=0。所以 电压方程变为：ua = RJa ,根据给定的电压和实测的电流值就町计算得到电阻值， R严 I.。系统框图：图4.2定子电阻辨识方案图根据图4.2可知，Rs的辨识过程是以电流为目标，给定某一个固定的电流值，通过 PI调节器给出需要的电压值，再经过SVPXVM的运算，通过逆变器向永磁同步电机注 入相应的直流

8、电压。为了消除部分死区效应的彩响和开关器件产生的电压损耗，可采用 差分的算法来辨识电枢电阻.其具体做法是：向电机注入商段方向相同、幅值不同的直 流电流厶初(这里取人“二人，厶“=0.380),通过PI调节器分别得到所需要的电压值.再检测出实际电流值，利用差分覓法就能计第出电枫电乱值C电枢电阻 计算公式如下:(4.7)R严/ -/arral area/2其中，%、为第一次注入直流电压时的给定电压、反馈电流值，J、farta/2 为第二次注入自流电压时的给定电压、反馈电流值，K&为可手动调节的电枇电阴辨识 结杲的修正系数，此差分览法虽然可以去除部分死区和开关器件产生的电压损失的越响。但是仍

9、存在 误差，而有些误差的存在是不可避免的，以下一一列出.（1）在不同的电流幅值下，辂入电压的损失并不是完全固定不变的，由此引入了 一定的电压i十算误差；（2）逆变器是以PWM方式控制甩流的，电压和电流并不是理想的直流，必然含 有戟波频率的谐波分虽（戎波频率的借数的谐波对忽略）。而我波频率的谐波分虽首先 在直流电流中产生纹波，在同步PWM方式中，会产生电流检测误差；（3）谐波分量将使电抗值不再为零，因此，即使以雄分的方式计算Rs,仍需要对 最终的辨识值进行修正。住软件屮实现旳要汪总、以下几点：（1）对电流做PI控制输出电压吋，前段使用较大的系数，以加速电流上升速度， 减少参数辨识时间，后段使用较

10、小的系数，加强电流波形的稳定性：（2）电压给定值和电流椅测值均需做大滤波处理，使用同样的滤波系数，以相兀 抵消低通滤波算法造成的衰减及精度损失；（3）在电流稳定段，记录多组电压和电流值，用其均值做最终的Rs计舜。4.2.2 dq轴电感的辨识方案根据4.1.2章节阐述的d轴电感辨识原理，可制定出如下d轴电感的辨识方案：在电枢电肌辨识完成时，电机的转子N极是U相所在的位置，此时紧接着电枢电 阻的辨识方案，向电机施加U相直流电压矢量，此时电机转子是不转动的，直轴电流 将随Z变化，根堀犬（4.3）所示，只要记录此肘的电流随时间的变化规律，并结合给 定电压值以及上-步参数濟识出來的电版电殂值就能计算出d

11、轴电感值.但是，山于指 数函数的实现不易.这甲可取某些特殊点來计算育轴电感，中式4.3可知.审.流匕升至 稳态值的0.632 （1-e *）倍时，电感和电阻的关系可写成：Ld = Z0.632 - RS（4.8）式中0632为电流上升至稳态值的0632 %时所需要的时间而直轴电感辨识的上要 忖标就集中于0.632的获取。根摇以匕方案可辨识出永磁同步电机的d轴电感，具体的实现框图如图4.3所示:/ ：| 0.632 /*-fa3s/2s图4.3笆轴电卿的辨识框图图中，乞芹为辨识电阻时，目标电流为额定电流时，PI调节器计算出的对应的电压 值。软件实现时，需注意以下几点：(1) 由于低通滤波必然来带

12、相位滞后和幅值的衰减，所测得的时间0.612误差较大， 所以用此种方法测电感不可以加低通滤波；(2) 不建议使用太小的载波，否则精度不够，以4K载波为例，每采差一个点时间 就相差0.25ms则电感值的误差就增加(0.25忸s) mH,这里可取10K载波频率：(3) 直轴电感的辨识紧接着电枢电阻的辨识Z后，所以辨识之前无需进行转子定 位，但是対丁直轴电感的辨识，所施加的电压方向必须与辨识电阻的电压方向冋向，否 则辨识直轴电感时转子亦会转动，辨识结果不对；(4) 由于辨识直轴电感时，d轴与a轴重合，且电机睁止不动，所以可以用a轴 的电流变化率来计算d轴电感；(5) 实际的采样电流值足离散的，采得的

13、电流值不一定刚好有0.632 /*,软件算 法需要实现冃标就是获得0.632 /*这个电流值附近的点，首先设置一个绝对偏湼量£ , 当|0.632产-时，记录下此电流J对应的时间用于计算电感，£的大小决定了 辨识结果的精度和成败，若设置太小，则有可能一个点都采不到；若设置太大就会采轉 好儿个点。对于某个特定的£,采得的点就需要进行筛选和处理，这样才能辨识出比较 准确的直轴电感值.4.3参数辨识的实验波形及结果4.3.1参数辨识的实验波形肉为在辨识电枢电阻及d轴电感时，向电机输入的白流电压欠屋的方向都是U相, 所以UVW三相电流应满足Zr = Iw = -0.5/

14、,图4.4和图4.5也说明了这点。如图4.4所示，在辨识电枢电阻时，第-段以打出1倍额定电流为目标，第二段以 打出0.38倍的额定电流为目标，分别经过PI调节器的调节，算出给定的电压值.任第 一段和第二段电流平稳阶段，毎隔5ms取一次电压和电流值，共取20个点，然后对这 20个点的电压、电流求平均值，然后依据式（4.7）就能计算出电枢电阻。如图4.5所示，在辨识完电枢电阻后，继续向电机注入辨识电枢电阻时，额定电流 对应的电压值。当注入这个电压值时，由于定了绕组的电感作用，电流是逐渐上升的， 在电流上升的过程中，不断对电流进行采样（lOOus采样次），当采得的电流值满足 |0.632产1<£时，记下此时的采样时间点，该时间就足辨识的d轴电感需耍的0632, 然肓依据式（4.8）就能计算出直轴电感值。本永磁同步电机矢量控制系统所使用的SPMSM的技术参数如下衣:表4.1水磁同步电机技术参数参数名称參数值电机型号：GK60644AC61额定转速：2000rpm瀬定电压：380V额定