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颍器上实现永磁同步司机的矢量控制.对于通用变频器而言.变频等所带的电机是未知的，不同的电机有不同的电机参数。由图23可知，要想使得永磁同步电机矢量控制系统有较好的稳态运行特性及动态响应特性，就需要电机参数利确可知.血机带鱼载时的转动惯盘与转速调节器的PI参数都定湃切相关.而电流调节器P】参数的确定需要电机的电枢电阻、交直轴电幡，永磁体磁链等参数,国外学者很早就开始研究永磁同步电机参数辨iJIM方沱，弁且在系统”始运行之前，系统可以白动通过特定的算法对永磁同步电机参数进行辨识.然后对驱动器泊各控制参数进行自整定，从而不需要工程人员针对不同的电机而忖骄动器相

2、关参数进行手动泡整，大大增强驱动器的通用性.本芾节主要介绍水域同步电机电枢电阻R$,dq轴电感、永磁体磁&C即反电势系数）的离线辨识（。伍lineAutoTuning）方法，4.1电机参数的辨识原理4.L1电枢电阻的辨识原理定义电枢电阻触为定子每相的电阳.采用流测试对电根电阻进行参数辫识.从永磁同步电机的基本结构可以看出，当通过逆变器向电机施加一个方向固定、帖值不受的电压矢量时，电机的三相电流将会艰快达到一个稳定值且电机静止“由r输入的是直流电流，定子绕组的电抗值为本.定子统组相当于个纯电阻.下图为电枢电阳繇识实验的等效图。假设电流表读数为况电压表读数为Ud,则儿三力.=-0.514,

3、于是得到用阻的计算表达式如下:r2以氏二（41）J'dM2交直轴电感的辨识原理在进行电枢电阻辨识时，当定子电流达到稳定值后,永被同步电机的转子N极将会转到与施加的定子电压矢量相同的位置。这时所施加空间电玉矢量的位置即为d轴位置。这时根据水磁同步电机在两相旋转坐标系F的数学模型，当电机转速为专时，式（2.10）可化。得到下式:对于电压阶跃渝入时的电流响立为:(43)其中产=a/A,为稔志时的电沆值，/为电机的电枢电阻，a为待辨识的d轴电感。通过记录。的上升过程可计算出当物电感。由第2章的介绍可知，对于表贴式永磁同步电机而言，交直轴电感基本是相等的，所以只需辨识其中一个即可。4.13反电势

4、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，律位V/Krpm.其计界公式为：=E/n（4.4）其中，£为空载反电势，单位V；为对应的转速，单位Krpnu反电势系数其实就是转子永磁谜链，只是单位不同。永磁磁链的单位是Wb,其计算公式为W/=E/。，E空载反电势，单位V,3为转子旋转机械角速度，单位是rad/so永磁磁链与反电势系数间的换算关系如下：(“1000*(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谢识方法，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（单位：Krpm）的转速）旋转，然后测得电机的UV端的输出电压（假设是

5、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精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需要增加的外国设备太多（需要另外一台速度可精确控制的电机，以及电压测员装置等），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，此公式是根据安川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)产八生2Zvx（v其中，外为电机额定功率(单位：W),尸为极对数，八为额定频率(单位：Hz),G为额定电流(单位：A),K为修正系数，®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

6、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差基木维持在±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用小1。4.2电机参数的辨识方案上节中阐述的永恩同步电机参数的辨识原理均在理论上成立，似在实际系统中，有许多不利因素限制了上述算法的直接使用，并严重影响疥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方式产生的电流纹波：(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

7、的辨识作详细说明。4.2.1 电枢电阻的辨识方案根据PMSM在两相静止坐标系下的电压方程式(2.5)可知，%=4七+和出,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“Wa/df=O。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可计算得到电阻值，凡二先儿。系统艳图：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词节器给出需要的电压值，再经过SVPWM的运算，通过逆变器向永磁同步电机注入相应的直流电压。为了消除部分死区效应的影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

8、注入两段方向相同、幅值不同的直流电流j(这里取/aEdi=/N，0=03%)，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，利用差分克法就能计克出电枢电阻值。电枢电阻计算公式如下:(4.7)2=媪-4/-/arralarca/2其中，加、却同为第一次注入直流电压时的给定电压、反馈电流值，42、farta/2为第二次注入直流电压时的给定电压、反饿电流值，为可手动调节的电枢电阻辨识结果的修正系数，此差分兑法贸然可以去除部分死区和开关器件产生的电压损失的影响。但是仍存在误差，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，输入电压的损失并不是完全固定不交的，由此引入

9、了一定的电压计算误差；（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，必然含有载波频率的谐波分员（效波须率的倍数的谐波可忽略）。而我波频率的谐波分灵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，即使以差分的方式计算Rs,仍需要对最终的辨识值进行修正。在软件中实现时要注意以下几曲：（I）对电流做PI控制输出电压时，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，后段使用较小的系数，加强电流波形的稳定性：（2）电压给定值和电流构测值均需做大滤波处理，使用同样的潴波系数，以相互抵消低通滤波算法造成的衰减及精度损失

10、；（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计算。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：在电根电阻辨识完成时，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，直轴电流将随之变化，根据式（4.3）所示，只要记录此时的电流随时间的变化规律，并结合给定电压倒以及上一步参数评识出来的电瓶电阻值就能计算出d轴电感值，但是，由于指数函数的实现不易,这里可取某些特殊点来计算直轴电感，由式4.3可知,电流上升至稳态值的0.632（l-e*）倍时，电感和电阻的

11、关系可写成：Ld=Z0,632-Rs（4.8）式中2632为电流上升至稔态值的0632倍时所需要的时间.而直轴电感辨识的主要目标就集中于，0.632的获取。根据以上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:图4.3真轴电感的辨识框图图中，为辨识电阻时，目标电流为额定电流时，PI调节器计筐出的对应的电压值。软件实现时，需注意以下几点：(1)由于低通滤波必然来带相位滞后和幅值的衰减，所测得的时间，0而2误差较大，所以用此种方法测电感不可以加低通沙波(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*Rs

12、)mH,这里可取10K毂波频率：(3)直轴电感的辨识紧接着电枢电阻的辨识之后，所以辨识之前无需进行转子定位，但是对直轴电感的辨识，所施加的电压方向必须与辨识电阻的电压方向同向，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柏重合，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)实际的采样电流值是离散的，采得的电流值不一定刚好有0.632产，软件算法需要实现目标就是获得0.632尸这个电流值附近的点，首先设黄一个绝对偏差量£,当|0.632产-时，记录下此电流4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

13、太小，则有可能一个点都采不到；若设置太大就会采得好几个点。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因为在辨识电枢电阻及d轴电感时，向电机输入的有流电压欠旱的方向都是U相,所以UVW三相电流应满足4,-0.5/，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，第一段以打出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.在第一段和第二段电流平稳阶段，每隔5ms取一次电压和电流值，共取20个点，然后对这20个点的电

14、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，由于定子绕组的电感作用，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|<£时，记下此时的采样时间点，该时间就是辨识的d轴电感需要的S632,然后依据式（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的技术参数如下表:表4.1永磁同步电机技术参数参数名称参数值电机型号：GK6064MAC61额定转速：2000rpm额定电压：380V额定电流：I.8A额定功