永磁同步电机地全参数辨识

1、永磁同步电机的参数辨识本文主要是在通用变频器上宴现永磁同少电机的矢星控制，苛于通用变频器而言， 变频曙所带的电机是术知的，不冋的电机有不同的电机参数。由图2.3可知，要想使得 永磁同步电机欠量拎制系统冇较好的稳杰运行特性及动态响应特性，就需耍电机参数耕 确可知"巾机带负载时的转动惯及与转谏调节髀的PI参敌移定弱切相关.而电涼调节 器P【参数的确定需要电机的旧粮电阻、交宜轴电感、永碰休磁链等参数-国外学者復 甲就开始研究永磁同步电札参数辨识的方法"幷且生东统“始运彳亍之前，系统可以白动 通过特定的算法对永磁冋步电机参歡进厅辨识，然厉对鉴动器的各控制参数迥行口整 定，从而不需妥

2、丁程人员铲对不同的电机而时驱动器相黄参数进厅手劝近廉，大大埒帝 驰动器的通用性本章节主妾介绍永毬同步电机电枢电阻的、如轴电感.A®体磁 链（即反电势系数）的离线辨识（Off-lineAutoTuning）方法*4.1电机参数的辨识原理4.1.1电枢电阻的辨识皈理定义电枢电阻Rs力定子每相的电阴*采用宜洗测试对电楸电阻进行参数辫识。从 永磁同步电机的基木结构可以看出，当通过逆变器旬电机施加一个方向固宦、幅值不变 的电压矢量时，电机的三相电流桜会很快达列一个镜定值且电机前止。由于输入的是亘 流电流，定子绕组的电抗值为零，定子绩组用当于个纯电口仁下图为电枢电阴殊识实验 的等如图.假设电流表

3、读数为5电压表读数为U”则心绪/（=人=-0.5Jrf 于是得到琨 阻的计伴表达式如下I（4 1）4J.2交直轴电感的辨识原理在进行电枢电粗辨识时，当定子电流达到稳定值后，永確同步电机的转子N根将会转到与施加的定子电压矢量相同的位託这时所施加空间电压矢量的位遥即为d轴位 置。这时根振水磁冋步电机在两和旋转坐标系下的数学模型，当电机转速为零时，式（110）可化简得到下式：di,%=RJd+Ld 才（4.2）对于电压阶跃输入时的电流响宜为:(43)其中ZU/R,为稳态时的屯流值，心为屯机的电枢电阴，为待辨识的d轴电 感。通过记录的匕升过稈可计尊出肖.轴电憋。由第2章的介绍可知，对于表贴式永磁 同步

4、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反电势系数的辨识原理单位转速下的空較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：Kv = E/n（4.4）其中，E为空载反电势，单位V： ”为对应的转速，单位Krpm。反电势系数其实就是转子永磁逆链，只是单位不同，永磁磁链卩/的单位是Wb, 其计算公式为屮广Eb, E空我反电势，玳位V； 3为转子碇转机械角速度，单位是 rad/so永磁磁链与反电势系数间的换算关系如下：JT5»10叫(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耕识方法，即使用另外一台 电机拖着待辨识的永磁同步电

5、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糸数，但 同时也能发现这种方法需耍增加的外囤设备太参（需要另外一台速度可辅确控制的电 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，此公式是根据安川 A1000的变频器经过多台永磁同步电机的实验结果幷总结规律所得。(4.6)JC中，耳为电机额定功率(单位：W),勺为极对数，九为额定频率(单位：Hz), 打为额定电流(

6、单位：A), K为修正系数，取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 谋差基木维持在±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W可。4.2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方式使电机贴好的彫响加剧；(

7、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炙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在两相静止坐标系下的电压方程式(2.5)可知，% = RJa +如a/力， 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Ua"a。根据图4.2可知，Rs的辨识过程是以电流为目标，给定某-个固定的电流值，通过 P1调节器给出需要的电压值，再经过SVPWM的运算，通过逆变益向永磁同步电机注 入相应的直流电压.为了消除部分死区

8、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：向电机注入两段方向相同、幅值不同的直 流电流厶“仁(这里取AkwU=°38乙),通过PI调节器分别得到所希耍的电压值.再检测出实际电流值，利用差分算法就能计第出电枢电配值C电枢电阻 计算公式如下：-Iareal area/2(4.7)其中，%、Iaredl为第一次注入宜流电压时的给定电压、反馈电流值，J、larea/2 为第一次注入貞流电压时的给定电压、反馈电流值，K&为可手动调节的电机电阴辨识 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彩响但是仍存在 误

9、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变的，由此引入了 一定的电压计算误差；（2）逆变器是以PWM方式控制电流的，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鼠（较波坝率的倍数的谐波可忽略人而披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，会产生电流检测谋差：（3）谐波分量将使电抗值不再为零，因此，即使以墊分的方式计算Rs,仍需要对 最终的辨识值进行修正。在软件中实现旳妾注帝以下几点：（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，后段使用较小的系数，加强电

10、流波形的稳定杵：（2）电压给定值和电流检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，用其均值做虽终的Rs计算。4.2.2 dq轴电想的辨识方案根嶠4.1.2竜节阐述的d轴电感辨识原理，可制定出如下d轴电感的辨识方案：在电枢电阴辨识完成对，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。根据戎（4.3）所示，只要记尿此吧的电流随时间的变化规律，并结合给 定电压值以及上一步参数梆识出來的电版电阻值就能计算"Id轴电

11、感值.但是，苗于指 数函数的实现不易.这卑可取某些恃殊点来计算貫轴电敬中式4.3可知，电流匕升至 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0.632倍时所需要的时间而直轴电感辨识的上要 忖标就棗中于0.632的获取。根堀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:ia Lit / 0.632广一3s/2s.inr图4.3貢轴电感的辨识框图图中.为辨识申.阻时，目标电流为额定电流时，P1凋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) 由丁低通滤波必

12、然来带相位滞后和幅值的衰减，所测得的时间心&2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*Rs) mH,这里可取10K 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，但是对丁直轴电感的辨识，所施加的电压方向必须与辨识电阻的电压方向冋向，否 则辨识貢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，且电机骄止不动，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

13、散的，采得的电流值不一定刚好有0.632产，软件算 法需要实现冃标就是获得0.632 /*这个电流值附近的点，首先设遗一个绝对偏差量£ , 当|0.632产弋|<£时，记录下此电流心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；若设置太大就会采冯 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43.1参数辨识的实验波形因为在辨识电枢电阻及d轴电感时，向电机输入的白流电压欠彊的力向都是U相, 所以UVW三相电流应满足/卩

14、=Iw = -0.57（；,图4.4和图4.5也说明了这一点。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，尊出给定的电压值.在第 一段和第二段电流平稳阶段，毎隔5ms欣一次电压和电流值，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揪电阻时，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I：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，该时间就足辨识的d轴电感需耍的0632, 然后依据式（4.8）就能计算出直轴电感值。木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参数值电机型号：GK6064-6AC61额定转速：2000rpm额定电压：3