永磁同步電機(jī)多參數(shù)在線辨識(shí)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(jī)(PMSM)由于具有運(yùn)行效率高、高起動(dòng)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(dòng)力系統(tǒng)里。而在基于永磁同步電機(jī)的控制系統(tǒng)里,控制器設(shè)計(jì)往往需要精確的電機(jī)參數(shù)值來(lái)輔助設(shè)計(jì),如無(wú)速度傳感器控制、矢量控制最優(yōu)PI值設(shè)計(jì)、電壓源逆變器非線性因素在線辨識(shí)/補(bǔ)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(jī)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(huì)隨之而變化(偏離常溫下設(shè)計(jì)值)。其中,溫度對(duì)永磁電機(jī)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(jiàn)的。對(duì)于定子繞組來(lái)說(shuō),溫度的上升會(huì)導(dǎo)致繞組電阻值變大,而對(duì)于轉(zhuǎn)子永磁來(lái)說(shuō),溫度的上升會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子永磁磁鏈幅值下降。當(dāng)電機(jī)實(shí)際參數(shù)值相對(duì)于常溫下的設(shè)計(jì)參數(shù)值發(fā)生比較大變化時(shí),會(huì)對(duì)所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)性能造成很大影響,甚至?xí)屍錈o(wú)法工作。因此,現(xiàn)在主流的研究趨勢(shì)是通過(guò)系統(tǒng)辨識(shí)理論,利用量測(cè)的電機(jī)終端信號(hào)如定子繞組電流、電壓

3、和轉(zhuǎn)速來(lái)估算定子繞組電阻和轉(zhuǎn)子永磁磁鏈幅值的大小,進(jìn)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(duì)該類技術(shù)進(jìn)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(gè)問(wèn)題”,并在這“兩個(gè)問(wèn)題”的基礎(chǔ)上提出“三個(gè)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(jī)試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了驗(yàn)證。該技術(shù)的兩個(gè)核心問(wèn)題為:
　　 (1)辨識(shí)算法所用參考/可變模型秩數(shù)的問(wèn)題。本文首先分析了永磁同步電機(jī)穩(wěn)念狀態(tài)下的欠秩方程,指出一個(gè)滿秩

4、的參考/可變模型才能確保電機(jī)參數(shù)辨識(shí)算法收斂于實(shí)際值,并用理論和試驗(yàn)分析了現(xiàn)有基于電機(jī)穩(wěn)態(tài)欠秩模型的參數(shù)辨識(shí)方法的利弊?；诂F(xiàn)有電機(jī)穩(wěn)態(tài)欠秩模型參數(shù)辨識(shí)方案,分別設(shè)計(jì)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(jī)在線參數(shù)辨識(shí)器進(jìn)行驗(yàn)證分析。
　　 (2)電機(jī)參數(shù)辨識(shí)算法精度受電壓源逆變器(voltage source inverter,VSI)非線性因素補(bǔ)償影響的問(wèn)題。本文首先通過(guò)理論和試驗(yàn)分析了VS

5、I非線性因素補(bǔ)償對(duì)電機(jī)各種參數(shù)拼識(shí)精度的影響,并證明相對(duì)于定子繞組電阻辨識(shí)和電感辨識(shí),在額定轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子永磁磁鏈幅值辨識(shí)受VSI非線性因素補(bǔ)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(jī)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(gè)可以在線估算id=0控制時(shí)的逆變器非線性因素等效電壓值的方案。
　　 綜合對(duì)“兩個(gè)問(wèn)題”的理論和實(shí)驗(yàn)分析,可以知道永磁同步電機(jī)參數(shù)辨識(shí)技術(shù)的核心問(wèn)

6、題有兩點(diǎn):構(gòu)建一個(gè)滿秩的參考/可變辨識(shí)模型和合理的電壓源逆變器(VSI)非線性因素補(bǔ)償方案。圍繞該兩點(diǎn)問(wèn)題,本文進(jìn)一步提出了三個(gè)參數(shù)辨識(shí)方案。這三個(gè)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(shí)算法正確收斂于電機(jī)實(shí)際參數(shù)值。其次,該三個(gè)方案都考慮了電壓源逆變器非線性因素的影響,并在辨識(shí)器設(shè)計(jì)里綜合了相應(yīng)的補(bǔ)償方案。三個(gè)方案如下:
　　 (1)提出誤差分析法,設(shè)計(jì)了適用于隱極式永磁同步電機(jī)參數(shù)辨識(shí)的簡(jiǎn)化滿秩模型。該方案只需

7、要注入一個(gè)d軸弱磁電流脈沖,就能在線檢測(cè)出永磁同步電機(jī)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(jì)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(shí)器并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　 (2)針對(duì)恒轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩負(fù)載控制,設(shè)計(jì)了滿秩的表面式永磁同步電機(jī)辨識(shí)方案。該方案只需要注入一個(gè)d軸正電流脈沖,就能獲得一個(gè)滿秩的參考/可變模型。該方案不用測(cè)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?yàn)樽⑷雂軸正電

8、流脈沖而導(dǎo)致的變化,因此能夠在線同時(shí)辨識(shí)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(jì)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(shí)器并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　 (3)研究了通過(guò)埋入熱電偶在線監(jiān)測(cè)定子繞組電阻變化,減少永磁同步電機(jī)穩(wěn)態(tài)模型待辨識(shí)參數(shù)數(shù)量的方案。在id=0控制時(shí),該方案能夠構(gòu)建滿秩的參考/可變模型來(lái)在線辨識(shí)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(shí)/補(bǔ)償方案,