JOURNALOFBEIJINGJIAOTONGUNIVERSITY
北 京 交 通 大 学 学 报Vol.42No.5Oct.2018
()文章编号:1673-0291201805-0077-09:/DOI10.11860i.ssn.1673-0291.2018.05.011j
无位置传感器内置式永磁同步电机
参数的在线辨识方法
()北京交通大学电气工程学院,北京1中车唐山机车车辆有限公司,河北唐山01.00044;2.099
张立伟1,佘 超1,李志军2,孙铭壑1
摘 要:在传统永磁同步电机无位置传感器控制中,电机参数决定了转子位置的估计精度,而电机参数又很容易受到外部环境的变化,导致控制性能的下降.提出了一种基于内置式永磁同步电机电流状态方程的电机参数的在线辨识方法,该方法采用仿射投影算法对参数进行估计,可以准确估计定子电阻、转子磁链、直轴电感和交轴电感.由于定子电阻和转子磁链与定子电感随外界环境的变化率不同,所以采用两种不同的中断周期分别对定子电阻、交轴电感、直轴电感和转子磁链进行辨识.可以在保证辨识精度的情况下大大减少不必要的计算,提高了该算法在实际应用中的效率.针对传统的模型参考自适应算法速度估算的收敛速度较慢的缺点,提出了改进的基于电流自适应状态观测器的转子位置和速度估计方法,提高了速度辨识的收敛速度,减小了稳态误差.实验结果表明:电机参数的在线辨识方法能够对电机参数进行准确辨识,具有稳定性好和良好的动态性能.关键词:在线辨识;无位置传感器;内置式永磁同步电机;仿射投影算法中图分类号:TM301.2 文献标志码:A
OnlineparametersidentificationforsensorlesscontrolofIPMSM
(,,;1.SchoolofElectricalEnineerinBeiiniaotonniversitBeiin00044,ChinaggjgJgUyjg1
,,)2.CRRCTanshanCo.Ltd.TanshanHebei0099,Chinagg
111
,,ZHANGLiweiSHEChaoLIZhiun2,SUNMinhejg,tersareeasilhanedbheexternalenvironmentresultininthedecreaseofthecontrolper-ycgytg
,formance.Inthispaeranon-lineidentificationmethodofmotorparametersbasedonInteriorpstraihtshaftinductanceandcross-axisinductance.Asthevariationrateofstatorresistanceandg
,rotorfluxandstatorinductancevarieswiththeexternalenvironmenttwodifferentinterrutc-py,clesareusedtoidentiftatorresistanceandrotorfluxandstatorinductancewhichcangreatlysy
:,AbstractInthesensorlesscontrolofthetraditionalpermanentmanetsnchronousmotorthegy
,motorparametersdeterminetheaccuracftherotorpositionestimationandthemotorparame-yo
,PermanentManetSnchronousMotor(IPMSM)ispresentedandtheparametersareestimatedgy
,,bffineproectionalorithm,whichcanaccuratelstimatethestatorresistancerotorfluxyajgye
reduceunnecessaralculationandimrovetheefficiencfthealorithminpracticalalication.ycpyogppAimintthedisadvantaeoftheslowconverenceseedestimationofthetraditionalmodelref-gaggp
收稿日期:2018-01-17
)基金项目:国家重点研发计划(2016YFB1200601-B22
()Foundationitem:NationalKelan2016YFB1200601-B22yR&DP
,男,河北保定人,:第一作者:张立伟(副教授,博士.研究方向为电机控制和电动汽车驱动系统.1977—)emaillwzhan@btu.edu.cn.gj
],():引用格式:张立伟,佘超,李志军,等.无位置传感器内置式永磁同步电机参数的在线辨识方法[北京交通大学学报,J.201842577-85.,,]ZHANGLiweiSHEChaoLIZhiun,etal.OnlineparametersidentificationforsensorlesscontrolofIPMSM[J.JournalofBei-j,():()iniaotonniversit2018,42577-85.inChinesejgJgUy78
北 京 交 通 大 学 学 报 第42卷
erenceadativealorithm,animrovedrotorpositionandvelocitstimationmethodbasedonpgpye
,thecurrentadativestateobserverisproosedwhichimrovestheseedidentificationconver-ppppoodstabilitnddnamicperformance.gyay
:;;Kewordsonlinestatorparametersidentificationsensorlessseedcontrolinteriorpermanentpy;manetsnchronousmotoraffineproectionalorithmsgyjg 永磁同步电机(PermanentManetSnchron-gy,具有结构相对简单、功率密度较ousMotorPMSM)enceseedandreducesthesteadtateerror.Theexerimentalresultsshowthattheon-linei-gpysp
,dentificationmethodofmotorparameterscanaccurateldentifhemotorparametersandhasyiyt
目前电机参数辨识主要分为电机参数离线辨识和在线辨识.离线辨识可以在特定时刻对电机参数高、运行可靠和低维护成本等显著特点,广泛应用于工业控制、家用空调和电动汽车等领域,相关的控制
技术也成为了研究的热点[1-2]
矩的有效控制,特别是在采用.
为了实现对速度和转(空间矢量控制策略
转子位置和速度信息的观测精确是必不可少Sp
aceVectorControl,SVC)的电机调速系统,因此中,需要增加编码器或旋转变压器等位置传感器来获取位置和速度信息,这就导致了电机系统的尺寸增大、成本增加及对噪声的敏感性增加等控制精度要求不高的领域,如风机和泵类等系统中.所以在一些对
,
无位置传感器控制成为一种很好的选择[3-4]传统的模型参考自适应算法在进行角度和转速
.
辨识时,该算法是在理想条件下进行的,并没有考虑内置式永磁同步电机(部环境因素变化引起的电机参数的变化IPMSM)
在运行过[5-6程]中在传统因外的观测器建立过程中,是以定子电阻、交轴((d轴)电感、转子磁链等电机参数恒定不变q.
轴)电感、直轴为前提条件,当IPMSM在运行时,外部条件的变化使得电机参数发生改变,但这时的观测器仍然采用初始设定的电机参数,这样观测到的角度和速度会产生误差,导致速度和位置角度估计精度的降低;同(时由于Rs、LPdM、SLM调速系统控制器中常用的电机参数
q、ψf电机厂家得到的数据又不具有通用性),通过电机铭牌上不易获得,而且通过普,从通的电机试验方法很难获得以上全部参数,这同样
导致了电机参数的不确定性[7-9]IPMSM的定子电阻和永磁磁链的变化主要是
.
由电机的温度变化影响,而定子的电感的变化主要是由电机的磁场饱和引起的q轴电感和[1d轴0-11]在电机运行过程中,电机运行温度的变化、电机磁场.
的饱和及电流波动等因素的出现使得电机实际参数值与电机标定参数值之间存在差异,这就大大影响了观测器对速度辨识的准确度,造成了电机系统的
不稳定[12]确的电机参数越来越重要.为了得到高性能的.
IPMSM控制,
获得准进行测量,但实现过程需要查表法或插值函数的确定,造成了控制系统的复杂性,同时离线辨识也并没有解决电机温升、磁路饱和等问题展卡尔曼滤波器、模型参考自适应.在线辨识采用扩、神经网络和最小
二乘法等方法对电机参数进行更新,这些算法主要是基于IPMSM旋转坐标系下建立的电流方
程[13-15]
的电机参数的个数,但由于存在电机方程矩阵的秩小于待辨识,有可能会产生辨识结果的发散,造成辨识结果的不准确器转子角度和速度观测器是采用电流自适应状态观
.本文所采用的无位置传感测器,是基于模型参考自适应算法的改进,
本文作者提出了一种基于内置式永磁同步电机电流状态方程,建立模型在线辨识定子参数的方法,该方法采用仿射投影算法对参数进行估计,可以准确的估计定子电阻和d轴电感与q轴电感.由于定子电阻与定子电感随外界环境的变化率不同,所以采用两种不同的中断周期分别对定子电阻和定子电感进行辨识,同时以一个中断周期的辨识参数值作为另一个辨识周期辨识算法中的标定值,可以在保证辨识精度的情况下大大减少不必要的计算,确保电机参数辨识结果的收敛,提高了该算法在实际应用中的效率 .
内置式永磁同步电机数学模型
为了简化分析,建立内置式永磁同步电机在坐标系下的数学模型,
假设三相内置式永磁同d步-
电机为理想电机,并且满足以下条件:心中的磁滞损耗和涡流损耗,这时的电机磁路以线1)忽略电机铁性计算;弦分布;2
3))忽略气隙磁场的高次谐波电机的直轴和交轴气隙不,气隙磁场为正绕组为空间对称的三相绕组相等;4)定子将lark变换IPM及SM在三相静止坐标系下的数学模型经
.
Park变换后,可得到IPMSM在坐标系下的数学模型,电压方程与磁链方程分别为
d-q
1qC第5期 张立伟等:无位置传感器内置式永磁同步电机参数的在线辨识方法
79
dìïusid=Rssd+d-ωeqψsψs
ïdtí
dï
usisedq=Rsq+q+ωïψsψs
dtî
()1()2
()4
^^xy=C可以看出,电流自适应状态观测器具有y和u两个观测器不同,ReferenceAdationSstem,MRAS)py增加了可以将Δ通过设置合理的x的G,y反馈到^反馈矩阵G,使电流自适应状态观测器具有合适的
·
{
^^x=Ax+Bu+G(y-^y)
·
式中:ususiid,sd,sq分别为定子直轴和交轴电压;q分别为定子直轴和交轴电流;d,q分别为定子直ψsψs轴和交轴磁链;Ld,Lq分别为定f为永磁体磁链;ψ子直轴和交轴电感;ωe为电机转子电角速度;Rs为{
Ldid=sd+ψfψs
Lqisq=qψs
输入变量,与传统的模型参考自适应系统(Model
极点,这样能够实现观测器快速收敛达到稳定状态,从而提高观测器的动态性能.Δx快速趋近于零,
定子电阻;电机电磁转矩方程为Te=32P(ψsdisq-ψsq
isd)(3
)式中:P为电机极对数 .
自适应状态观测器设计
.1 电流自适应状态观测器的基本原理
状态观测器是根据永磁同步电机的数学模型建立的对电机状态变量的一种观测.永磁同步电机的电流状态观测器是在电机模型可观测的前提下,建立一个与被观测电机模型完全相同的电流状态模型,并且其观测器中的状态变量为电流1所示.
.电流自适应状态观测器的原理结构如图图Fi1g 电流自适应状态观测器的原理结构图.1 Princilebl为了实现对电机状态的准确估计adap
ptivesotcakdteoiabg
srearvmoerfcurrent,本文提出了一种应用反馈控制原理来进行状态估计校正的方
法:利用输入误差Δy=^y-y,将ΔyΔx作为输出负反馈=^x-x导致的输出变量误差,
这个校正项相当于误差补偿器,构成含有闭环状态反馈的状态估
计,将根据图Δ从而使1y快速调整为零,可以得出该观测器的表达式为
Δx快速趋近于零..2 IPMSM位置和速度观测器的设计
式(1
)变换为电流状态方程可得éddtiéêêidúùiéëqúû=Aêdúùêëiq
úû+êê1êLd0ùúúéudùéê0ùúêêë
01úêúêúëuqú
û+êêë-ωψLfúqúû(5) 根据式(=[^i5)构L造qúû电流自适应状态观测器,选择d^iq的电流观测器为
]T
作为状态观测量,构造成式(4)形式ddéti^êê^dùúiéêiëqúúû
=Aêêidúùëqúû+éêê1é
êêL0ù
údúuùéêê0ùú^éê01ú
úêêëudúêëLqúû
+qúû
ë
-^ωψLfú+Giêêdêq
úû^i-idùúëq-iqúúû(6)其中
é
êé
êRA=ê-RsωLqúù
êLdLê-êêLs^LqùdωLúdúêLRdúú, ^A=ë-ωLdêq-Ls
úqúû
êë-^ωLLdRs
ú.
úq-Lqúû
式中:状态矩阵^A为经过输出反馈估算的电机参数;A为理论的电机参数,
基于电流自适应状态观测器的转速自适应系统本质上是参考模型自适应算法,这同样是一种基于稳定性理论设计的参数辨识方法.在本文中参考模型选择电机本身,可调模型选择为电流自适应状态观测器,由于基于该观测器的转速自适应系统是一个非线性系统,根据前面的分析可知,转速计算的自适应律的推导应该采用非线性系统的稳定性理论,这样才能达到整个自适应系统的稳定,这里采用波波夫(理来判断系统的稳定性与传统的MRAS系统相比.
POPOV)超稳定性原,
电流自适应状态观测器增加了校正反馈增益环节,为了增益矩阵G满
222^x80
北 京 交 通 大 学 学 报 第42卷
T
)))ìk+1k+1σ(k+1=X(ïY(
ï^^ï)σ(k+1σ(k)=+()11í
Tï^))Y(k+1k+1σ(k)-X(()ïXk1+μï))îI+XT(k+1X(k+1η式中:X为系统输入矩阵;Y为系统输出矩阵;σ和^可以证明为保证σ为待辨识向量;μ为收敛因子,
足稳定性条件,这里可以设反馈增益矩阵为
()G=(k-1)A,k≥17
同时转速辨识系统 根据波波夫超稳定性理论,如下
响应更快,这里同样采用比例积分形式的自适应律,
kæiö^ω=çkp+÷×søè
应使0<μ<2.在实际应用中,APA算法的收敛,
[id
·
^iq
·LLqLd
+
Lq2d
ψ^ifq-iq·^id·LLdψf
q-Lqiq+(LLd
-
Lq)
·^(^(
LdLq)
ψf
^]
() qLdid·iq)+Lq
-LdLdiq
8电流自适应状态观测系统增加了校正环节,
可调模型增加了反馈增益,以此达到辨识参数的收敛,相比于传统模型参考自适应算法具有更快的收敛速度 .
基于仿射投影算法的参数辨识
.1 内置式永磁同步电机离散化数学模型
根据式(通过变换可以得到电机状态空间函数如下
1)和式(2),选择定子电流为状态变量,ìïïdisdRsiLq1í
ïdt=-Lsd+ωeisqusdïRdLd+
Ld
(9)î
disq dt=-Lsqisq-LLdqωeisd+L1qusq-ψLfqωe根据前向欧拉离散法,
以电流为状态变量可得永磁同步电机定子电流离散化模型为
ìïïisd(k+1)=isd(k)-RsTsisdï
L(
k)+ïLdïqTsωeTsí
Ld(k)isq(k)+Lusd(k)ï
ïiïsq(k+1)=isq(k)-RLTd
ssq
isq(k)-ïïLîLdTsq
ωe(k)isd(k)+TLsqusq(k)-ψLfqωe(k)式中:T.2 s为离散化采样周期;k为离散化标号仿射投影算法
.
(10
)仿射投影算法(是能量归一化最小均方误差PA)是由K.OzekiA和ffiT.nePUmrojectionAlgorithm,(eda于1984年提出,
法,对数据进行分块处理,其运算量要比最小二乘法NLMS)算法的推广算小,收敛速度介于最小均方算法和最小二乘法之间,
在输入信号具有相关性的情况下,可重复利用过去的数据信号,以提高参数辨识算法的收敛速度采用仿射投影算法来进行电机参数的估计,AP.本文A算法的离散形式如下
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