永磁同步電機多參數(shù)在線辨識研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展,永磁同步電機(PMSM)由于具有運行效率高、高起動力矩、高功率/轉(zhuǎn)矩密度等性能,已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于高性能精確伺服、航天航空、風(fēng)力發(fā)電和車載混合動力系統(tǒng)里。而在基于永磁同步電機的控制系統(tǒng)里,控制器設(shè)計往往需要精確的電機參數(shù)值來輔助設(shè)計,如無速度傳感器控制、矢量控制最優(yōu)PI值設(shè)計、電壓源逆變器非線性因素在線辨識/補償?shù)?。但是隨著溫度、負(fù)載和磁飽和程度的變化,永磁同步電機的定子電感、繞組電阻和轉(zhuǎn)子永磁磁鏈幅值等參數(shù)值大

2、小都會隨之而變化(偏離常溫下設(shè)計值)。其中,溫度對永磁電機參數(shù)的影響(尤其是定子繞組電阻和轉(zhuǎn)子永磁磁鏈幅值)是最明顯也是最常見的。對于定子繞組來說,溫度的上升會導(dǎo)致繞組電阻值變大,而對于轉(zhuǎn)子永磁來說,溫度的上升會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子永磁磁鏈幅值下降。當(dāng)電機實際參數(shù)值相對于常溫下的設(shè)計參數(shù)值發(fā)生比較大變化時,會對所設(shè)計的控制系統(tǒng)性能造成很大影響,甚至?xí)屍錈o法工作。因此,現(xiàn)在主流的研究趨勢是通過系統(tǒng)辨識理論,利用量測的電機終端信號如定子繞組電流、電壓

3、和轉(zhuǎn)速來估算定子繞組電阻和轉(zhuǎn)子永磁磁鏈幅值的大小,進而在線調(diào)整控制器參數(shù)和間接估算定子繞組和轉(zhuǎn)子永磁的溫度。本文對該類技術(shù)進行了深入和全面的研究,提出該技術(shù)的核心是要解決“兩個問題”,并在這“兩個問題”的基礎(chǔ)上提出“三個解決方案”,最終在一套基于矢量控制的表面式永磁同步電機試驗平臺上進行了驗證。該技術(shù)的兩個核心問題為:
　　 (1)辨識算法所用參考/可變模型秩數(shù)的問題。本文首先分析了永磁同步電機穩(wěn)念狀態(tài)下的欠秩方程,指出一個滿秩

4、的參考/可變模型才能確保電機參數(shù)辨識算法收斂于實際值,并用理論和試驗分析了現(xiàn)有基于電機穩(wěn)態(tài)欠秩模型的參數(shù)辨識方法的利弊?；诂F(xiàn)有電機穩(wěn)態(tài)欠秩模型參數(shù)辨識方案,分別設(shè)計了基于模型參考自適應(yīng)(MRAs)和Adaline神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的永磁同步電機在線參數(shù)辨識器進行驗證分析。
　　 (2)電機參數(shù)辨識算法精度受電壓源逆變器(voltage source inverter,VSI)非線性因素補償影響的問題。本文首先通過理論和試驗分析了VS

5、I非線性因素補償對電機各種參數(shù)拼識精度的影響,并證明相對于定子繞組電阻辨識和電感辨識,在額定轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子永磁磁鏈幅值辨識受VSI非線性因素補償精度的影響最小。其次,推導(dǎo)了PI調(diào)節(jié)器給定參考電壓和逆變器非線性因素等效電壓在永磁同步電機轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程模型,基于該模型提出了一個可以在線估算id=0控制時的逆變器非線性因素等效電壓值的方案。
　　 綜合對“兩個問題”的理論和實驗分析,可以知道永磁同步電機參數(shù)辨識技術(shù)的核心問

6、題有兩點:構(gòu)建一個滿秩的參考/可變辨識模型和合理的電壓源逆變器(VSI)非線性因素補償方案。圍繞該兩點問題,本文進一步提出了三個參數(shù)辨識方案。這三個方案都考慮了算法所用參考/可變模型的秩數(shù),都能保證辨識算法正確收斂于電機實際參數(shù)值。其次,該三個方案都考慮了電壓源逆變器非線性因素的影響,并在辨識器設(shè)計里綜合了相應(yīng)的補償方案。三個方案如下:
　　 (1)提出誤差分析法,設(shè)計了適用于隱極式永磁同步電機參數(shù)辨識的簡化滿秩模型。該方案只需

7、要注入一個d軸弱磁電流脈沖,就能在線檢測出永磁同步電機的定子電感,繞組電阻和轉(zhuǎn)子永磁磁鏈幅值。利用該方案,設(shè)計了基于Adaline神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和基于免疫克隆算法的在線辨識器并通過試驗進行了驗證。
　　 (2)針對恒轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩負(fù)載控制,設(shè)計了滿秩的表面式永磁同步電機辨識方案。該方案只需要注入一個d軸正電流脈沖,就能獲得一個滿秩的參考/可變模型。該方案不用測量負(fù)載轉(zhuǎn)矩大小,利用恒轉(zhuǎn)矩方程抵消了交直軸電感和轉(zhuǎn)子永磁磁鏈幅值因為注入d軸正電

8、流脈沖而導(dǎo)致的變化,因此能夠在線同時辨識轉(zhuǎn)子永磁磁鏈幅值和定子繞組電阻值。利用該方案,設(shè)計了基于Adaline神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和基于免疫克隆算法的在線辨識器并通過試驗進行了驗證。
　　 (3)研究了通過埋入熱電偶在線監(jiān)測定子繞組電阻變化,減少永磁同步電機穩(wěn)態(tài)模型待辨識參數(shù)數(shù)量的方案。在id=0控制時,該方案能夠構(gòu)建滿秩的參考/可變模型來在線辨識轉(zhuǎn)子永磁磁鏈幅值的變化。利用本文所提適用于id=0控制的電壓源逆變器非線性因素辨識/補償方案,