:……E 2 4 研 …………………………………………………………… .■ ¨:. …………一。- --:- : - :…一 微掳电棚 2012年第40卷第6期 永磁同步电机在线多参数辨识方法研究 刘 亢,刘忠途,李乐荣,宗志坚 (中山大学,广东广州510006) 摘要:在永磁同步电机伺服控制系统中,精确的参数辨识对于电机控制与运行状态监视具有重要意义。基于 永永磁同步电机在d-q轴的动态方程,在矢量控制的基础上,运用带遗忘因子的多新息最小二乘法,精确地完成了电 机的在线多参数辨识。辨识过程仅需采集电机输出的电压、电流和转速信号,简单方便。仿真结果表明该方法具 有较好的收敛性与鲁棒性。 关键词:永磁同步电动机;矢量控制;多参数辨识;多新息最小二乘法 中图分类号:TM351 文献标识码:A 文章编号:1004-7018(2012)06-0004-04 Online Multi-Parameter Identification Method for Permanent Magnet Synchronous Motor LIU Kang,LlU Zhong-tu。LI Le-rong,zONG zhi-jian (Sun Yat-Sen University,Guangzhou 5 10006,China) Abstract:In the permanent magnet synchronous motor servo System,accurate parameter identiifcation is very important to motor control and operation state monitoring.Based on the dynamicM equations of d-q axis currents,the multiple innova- tion least squares method was used to do real time muhi-parameter identification accurately on vector control platform.The stator voltage,stator current and rotor speed were collected in the process.The simulation results show that this method is of better convergence and robustness. Key words:permanent magnet synchronous motor;vector control;muhi-parameter identiifcation;muhiple innovation least squares method 0引 言 目前针对永磁同步电动机伺服系统调速控制较 为成熟的方法主要有两种…:矢量控制和直接转矩 识多个电机参数的方法,对于电机控制精度的提高 与电机运行状态的准确监视具有重大意义。国内外 诸多学者对电机多参数辨识策略进行了研究。文献 [5]运用EKF(扩展卡尔曼滤波)法完成了内埋式永 磁同步电动机永磁磁链的在线辨识,但其假定系统 控制。矢量控制策略中电流环响应速度远大于转速 环,电流环控制器参数的设定直接左右整个控制系 统的性能,而电机定子参数(定子电阻与电感)对电 流环控制器设计影响最大,速度环控制器参数的整 定也受到电流环控制器参数设计的影响,同样离不 开定子参数的辨识;直接转矩控制策略中将电磁转 噪声及测量噪声已知且算法较为复杂。文献[6]借 助POPOV超稳定理论建立了永磁同步电动机的参 数辨识模型,保证了系统稳定性与参数收敛性,参考 模型、电压模型中包含有纯积分环节,影响辨识结 果,算法较EKF更为复杂。文献[7]将带遗忘因子 矩与定子磁链矢量作为控制变量,对定子磁链矢量 的准确估计十分关键,而定子磁链矢量估计是否正 最小二乘方法应用于定子电阻、定子绕组电感与永 磁体磁链的在线辨识,但是辨识过程中需周期性阶 跃改变q轴电流,实用价值不高。文献[8]把多新 息最小二乘法引入到感应电机参数辨识中来,但其 未加入遗忘因子对协方差矩阵进行更新,跟踪精度 不高。 确取决于永磁电机参数的精确辨识。对于现代永磁 同步电动机控制的其它方法,如弱磁控制、最小损耗 控制、自适应控制等也依赖于电机参数的精确辨 识 。一 。 由于永磁同步电动机系统多变量、非线性、强耦 合的特点,在实际应用中往往需要同时用到多个参 数,如果能够找到一种算法简单且能够快速同时辨 本文采用带遗忘因子的多新息最小二乘法,对 面装式永磁同步电动机进行在线参数辨识,该方法 仅利用定子电压、电流信号和转速信号,减少了其 它因素干扰;多新息方法可以抑制坏数据对参数辨 识的影响,具有较强的鲁棒性,而合理选择遗忘因子 对协方差矩阵可进行更新,可以加速辨识参数的收 收稿日期:2011一O1—15 改稿日期:2012—03—23 4 基金项目:广东省高新区引导项目(2010A011300001) 敛。仿真结果表明辨识具有较好收敛性、鲁棒性与 …一堕整熏 ….2.0.1.2..兰兰-40壹墅塑……………………………….…………… … 较高精度。 l,( ) l,(t一1) 1多新息最小二乘法 最小二乘法又称最小平方法,通过最小化误差 的平方和来寻找模型的最佳函数匹配。目前,最小 ∈R (6) V(t—P 4-1) 此时可以得到系统的多新息辨识模型: r(p,t)= (P,t)0(t)+V(p,t) (7) 二乘法在系统辨识领域应用广泛,在许多方法失效 的情况下,最小二乘法依然能够简单有效的解决问 题。但同时最小二乘法有一些缺陷:最小二乘估计 结果保持无偏性、一致性的前提是系统干扰为均匀 引入遗忘因子对协方差矩阵进行更新,估算系 统多新息模型参数向量0(t)的最小二乘法表示如 下: 白噪声,但很多情况下系统干扰充满随机性;运算过 程中伴随数据量的增长,算法易出现数据饱和现象。 针对这些缺陷,中外学者提出了一些改进算法 ], 如递推最小二乘法、相关分析最小二乘法、增加辅助 变量法、增广矩阵法等。本文将多新息辨识方法 0_ 同最小二乘法相结合,通过新息矩阵与遗忘因子来 修正最小二乘法。 考虑下列时变系统: Y(t)= ( )0+V(t) (1) 式中:0为系统的时变参数向量,Y(t)∈R 为系统 输出,U(t)∈R 为系统输入,p(t)E R“是由系统输 入输出数据(Y(t一1), (t一1),Y( 一2),“( 一2),…) 构成的新息向量,l,(t)∈R 为系统受到的噪声向 量。 估计参数0的最小二乘算法可表示: 0(t)=0(t一1)+L(t)e(t) (2) 式中: (f)=Y(t)一 (t)0(t一1)为标量新息;L(k) ∈R 为增益向量。e(t)作为标量新息代表迭代过 程中单步的新息,称为单新息(single—innovation)。 将单新息e(t)加以推广,发展成为多新息辨识方 法 ,它是通过新息向量E(P,t)∈ ,即多新息 (multi—innovation)来进行参数辨识。多新息E(P, t)包括了迭代过程中P步的新息,同样将输出向量 Y( )扩展为累积输出向量r(p,t),将新息向量 (t) 扩展为累积新息矩阵 (P,t),将噪声向量l,(t)扩 展为噪声矩阵 (P,t)。定义如下: ∈Rp (3) Y(p,t)= ∈Rp (4) (p,t)= ∈Rp (5) 0(t)=0(t一1)+P(t) (p,t)E(p,t) (8) E(p,t)=r(p,t)一p (P,t)0(t一1) (9) P一 (t)=A[P一 (t一1)+ (p,f) (p,t)] (10) (p,t)=[ ( ) (t一1)… (t—P+1)] (11) r(p,t)=[Y(t)Y(t一1)…Y(t—P+1)] (12) P( )为协方差矩阵。 在跟踪时变参数时,多新息最小二乘法也一样 存在数据饱和的问题。选择合适的遗忘因子A,用 于更新协方差矩阵P( ),以降低过去测量值的比 重,增加当前测量值的比重,以减小数据饱和问题对 辨识系统的影响。 当多新息P=1时,该算法就退化为递推最小二 乘辨识算法(RLS),所以说多新息最小二乘法是 RLS的一种推广,通过多新息的引用,能够抑制坏数 据的影响,提高参数估计精度并具有较强鲁棒性。 2永磁同步电动机动态模型 永磁同步电动机采用永磁体转子进行励磁,不 加入励磁绕组及直流励磁电源,省去励磁损耗,提高 了电机效率与功率密度;取消了容易出问题的电刷 与集电环,使结构更为简单,运行更为可靠。正弦波 永磁同步电动机于d—q坐标系建立数学模型,不仅 可以分析电机的稳态运行性能,也可用于分析电机 的瞬态性能。 在建立永磁同步电动机d—q轴数学模型之前 对电机本体及外界影响做出一些假设_l ,永磁同步 电动机的电压方程式: Ud=R d+Ldpid—to Lgiq ] , ,,、 } lj =qR iq+Lqpiq+∞ Ldid+ f J 机械运动方程式: To=TL+BtO +JptO (14) 方程中各量均为瞬态值。 “。为定子绕组的 d,q轴电压;i 、i。为定子绕组的d,q轴电流;tO 为电 5 永研 :…… …………………………………………………………… 议持电棚 2012 aT -第40卷第6期 !!… ::… 一 .! . … . .气角速度;p为极对数; 为机械角速度 ̄OJm= ; 综上可知,仅需要检测定子电压、电流、转速信 号即可估算出定子电阻、电感与转子永磁体磁链,易 于工程实现。 永L L 为定子绕组的d,q轴电感; 为定子相电阻; 为永磁体产生的磁链;l,为转动惯量(包括转子转 动惯量与负载折算的转动惯量);To为电机电磁转 矩; 为负载转矩;B为运动阻尼系数;p为微分算子。 4辨识系统仿真分析 在MATLAB/Simulink中建立仿真系统如图1 所示。控制系统采取速度、电流双闭环控制;控制策 3永磁同步电动机多参数辨识 为了应用多新息最小二乘法(MILS),需要对永 磁同步电动机转子坐标系下电压方程式(13)进行 离散化。由于本文选择R、L、 为辨识对象,因此仅 需对q轴电压方程进行离散。对于面装式永磁同步 电动机L = 。= ,取足够小的采样时间 ,那么: . 略选用经典的i =0策略。模型中永磁同步电机参 数:额定功率PN=1.2 kW,额定转速n =3 000 r/ min,额定转矩TN=4 N・in,定子电阻R =1.05 n, 电感L=3.28 mH,转子永磁体磁链 =0.133 Wb, 极对数P=4,转子惯量J:0.54×10~kg・ITI ,转矩 系数KT=0.8 N・m/A。给定转速n f=300 r/min, 电机负载为恒扭矩TL:1 N・In。 pt i (k)一i ( 一1) ——— —一 ,. 、 13 = L 一 ( ) 三 : (16) 一 一 L ( 一1)i ( 一1)一 (17) 由式(16)、式(17)即可得永磁同步电动机离散 动态方程: 图1矢量控制系统框图 iq( )=ai (k一1)+b[Uq( )+ (k一1)]+ C[∞ (k)id( )+ ( 一1)id(k一1)]+ d[ ( )+(o ( 一1)] (18) ,通过S-Function建立MILS辨识模块,通过对 电机电压、电流、转速信号的采样,经离散化后进行 多新息最小二乘法迭代,仿真步长 =1×10~s,仿 口= 丽-OfT ̄。丽s,c= -LT+真系统运行1 s,多新息长度分别取P=1(相当于 RLS)、P=3以作比较,遗忘因子A=0.999 5。图2 至图4显示了各参数在不同多新息长度下的收敛过 程。 d= 则: D s 1一a 电感真实值L=3.28 mH,辨识结果如图2所 示。 :一旦 b d (19). —一 .—— r] —lI —_1 r 一 (a)电机电感RLS辨识 (b)电机电感MILS辨识 从而可以利用多新息最小二乘法对R 、 、 进 行在线辨识,对应于算法模型: 图3所示。 图2电感辨识 永磁体磁链真实值 =0.133 Wb,辨识结果如 0.2 r 0(t)=[a(t)b(t)c(t)d(t)] (20) (£)=[iq(t一1)“ (f)+Uq(z一1) ( )id( )+ ∞ (t一1)id(t一1) (t)+∞ (t一1)] (21) 0 I.厂二0・2 O一 s 0_6 O・8 1 r————一. { 1 0 0.2 0.4 0.6 tls 0.8 Y(p, )=[iq( )iq(t一1)… (t—P+1)] 6 (a)永磁体磁链RLS辨识 (b)永磁体磁链MILS辨识 图3磁链辨识 (22) 电机定子电阻R =1.05 Q,辨识结果如图4所示。 …一堕 熏 … I2. 苎-4 壹墅塑…………………………………………… … 矩阵进行更新,避免了因数据饱和造成的一系列问 题;辨识结果更为准确,适用于永磁同步电动机自适 0 O.2 O.4 0.6 0.8 tls 1 应控制、实时状态监测的高精度场合,具有重要意义。 (b)定子电阻MILS辨识 (a)定子电阻RLS辨识 参考文献 [1]吴卫安.永磁同步电机调速系统研究[M].武汉:华中科技大 学,2007. 图4定子电阻辨识 从图2一图4可以看出,多新息最小二乘法的 实验结果较好地收敛于电机参数的真实值。与传统 [2] 李高林.基于电动车的永磁同步电机的弱磁控制[J].电力电 子技术,2010(6):88—89. 的RLS辨识方法相比,MILS辨识响应更快,波动更 小,精度更高。 [3] Rongmin C.Low—speed performance research for permanent mag— net synchronous linear motor based on nonparametric model learn- 为验证算法的鲁棒性,以磁链辨识为例。设定 电机负载阶跃变化,初始TL=1 N・m,加载TL=4 N ・m,辨识结果如图5所示。 ing adaptive control[C]//201 1 International Conference on Elec— trical Machines and Systems.201 1:1—5. 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[11] 常亮.基于加权多新息方法的系统辨识[D].哈尔滨:哈尔滨 工业大学,2010. 本文介绍了一种永磁同步电动机的在线多参数 辨识方法,根据易于采集的定子电压、电流、转速信 号,利用多新息最小二乘法(MILS)下的辨识模型估 算出电机的定子电阻、电感与永磁体磁链。 仿真结果表明:通过多新息的引入,提高了辨识 收敛性、削弱了辨识的波动;加入遗忘因子对协方差 (上接第3页) [2]Lim K C,Woo J K,Kang G H,et a1.Detent force minimization [12]张侨.永磁同步电机参数辨识的研究[D].武汉:华中科技大 学,2010. 作者简介:刘亢(1989一),男,硕士研究生,研究方向为电驱动测 控系统。 永nent motors[J].IEEE Transactions on Magnetics,2001,37(1 1): 2806—2809. techniques in permanent magnet linear synchronous motors[J]. IEEE Transactions on Magnetics,2002,38(2):1157—1160. [7]Yu Wu Zhu,Dae Hyun Koo,Yun Hyun Cho.Detent force minimi- zation of permanent magnet linear synchronous motor by means of [3]Tao Sun,Ji Min Kim,Geun Ho Lee,et a1.Effect of pole and slot combination on noise and vibration in permanent magnet synehro— two different methods[J].IEEE Transactions on Magnetics,2008, 44(11):4345—4348. nous motor[J].IEEE Transactions on Magnetics,20011,47(5): 1038—1041. 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