永磁同步电机地全参数辨识

永磁同步电机的参数辨识

本文主要是在逋用变频器上实现永磁同步电机的矢星控制，对于通用变频器而言，变频器所带的电机是未知的，不冋的电机有不同的电机参数.由图N3可知，要想使得永磁同步电机矢量挖制系统有较好的稳応运行特性及动态响应特性，就需蔭电机参数耕确可知.电机帯负我时的转动惯宣与转谏调节器的PI参敌幣定密切相关.而电流调书器P【塞数的确运需要电机的电松电阻、交宜轴也感、永碰休磁链尊参数*圉外学者很¥就开始研究永磁同步电机参数辨识的方法*片且生杀统”始运彳亍之挤系统可以白动通过特定的算法対永陋冋步电机慕数进fj辨识，然后对驰动器的各控制参数址行自整定，从而不需要丁程人页铲对不冋的电机而对衆动讎村黃参敎进厅手胡贷協大大増運『驱动器的適用性…本章节主突介绍永破同步电机电枢电阻Rs. dq轴电感、风碣休厳链（即反电势系数）的离线辨识（Off-lineAutoTiming）方法*

4.1电机参数的辨识原理

4.1.1电枢巾阻的辨识原理

定义电枢电阻尬为定子每爬的电阴*采用貞滾测试对电枢电阻进行参数辫识。从水磁同步电杠的基木结构可以看出，当通过逆变器旬电机施加•个方向固定、幅值不变的电压矢量时*电机的三相电流精会恨快达刊-个免定值且电机前止。由于输入的是豆流电流.定子绕组的电抗值为零，定子绩组用当于个纯电粗。下图为电枢电阳辨识实验的等盘图.

债设电流表读数为4电压表读数為U”则心・厶・厶=人=-0.5乙，子是得到琨阻的计谆表达式如下1

（4 1）4J.2交直轴电感的辨识原理

在进行电枇电駅辨讲时，当定子电液达到稳定俏后，永確同步电机的转子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：

K v = 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：

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JT

5»10叫 (4.5)

位：W),勺为极对数，九为额定频率(单位：Hz), 打为额定电流(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；

(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：U a = RJ a,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⑺(这里取A KW U—=°・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：

其中，%、I aredl 为第一次注入宜流电压时的给定电压、反馈电流值，J 、l area/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：

L d = Z 0.632 - R

S <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。-I areal] area/2 (4.7)