一种永磁同步电机位置参数实时辨识方法、系统及介质

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，具体涉及一种永磁同步电机位置参数实时辨识方法、系统及介质。

背景技术

随着电机技术和应用的进步，交流电机正在取代传统的直流电机成为工业驱动应用中的主角。交流电机中，内置式永磁同步电机因其结构简单，体积小，重量轻，且具有高效率、高功率密度等特点，在工业和家用电器领域中得到广泛应用。

内置式永磁同步电机系统高性能控制要求实时获取电机的转子位置信息，通常由机械式位置传感器来提供，但机械式位置传感器的安装使用会导致电机系统体积增大、密封性下降、可靠性降低，并且对使用环境有比较严格的要求。永磁同步电机位置参数实时辨识技术摒弃了机械式位置传感器，利用电压、电流信号获取转子位置和速度信息，从而解决了机械式位置传感器带来的一系列问题，提高了系统运行性能。

根据运行速度，永磁同步电机位置参数实时辨识技术方法目前可以分为两大类：第一类是适用于零低速的高频注入法，该方法利用电机的凸极特性获取电机转子位置信息；第二类是适用于中高速的模型法。模型法可分为开环估算法和闭环估算法两个部分，开环估算法包括直接计算法和开环磁链法等，闭环估算法包括滑模观测器、扰动观测器、状态观测器、模型参考自适应法和扩展卡尔曼滤波器等。其中滑模观测器因对扰动变化具有高鲁棒性、对参数变化的低敏感性和良好的动态性能，得到了广泛的研究。然而，由于逆变器非线性和磁场空间谐波的影响，辨识的反电动势中存在大量谐波，从而导致辨识的转子位置角出现谐波脉动，降低了辨识精度。因此，提出了永磁同步电机位置参数实时辨识方法十分必要。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种永磁同步电机位置参数实时辨识方法、系统及介质，本发明能够准确实时辨识电机位置参数，改善内置式永磁同步电机无位置传感器运行的动态性能，有效增强无位置传感器控制系统的可靠性。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种永磁同步电机位置参数实时辨识方法，包括：

S101，通过滑模观测器观测永磁同步电机的电压和电流以获得扩展反电动势信号；

S102，利用自适应滤波器滤除扩展反电动势信号的谐波成分，得到扩展反电动势信号的基波信号；

S103，将扩展反电动势信号的基波信号通过正交锁相环获取永磁同步电机的电机转速和转子位置角以用于生成永磁同步电机的控制信号。

可选地，步骤S101中滑模观测器的函数表达式为：

上式中，

上式中，

上式中，u

上式中，λ

可选地，步骤S102中的自适应滤波器包括：

α轴自适应滤波单元，用于对输入的α轴的扩展反电动势信号

β轴自适应滤波单元，用于对输入的β轴的扩展反电动势信号

所述α轴自适应滤波单元和β轴自适应滤波单元结构相同，且均包括：

五次谐波观测器，用于观测误差信号获得五次谐波反电动势；

七次谐波观测器，用于观测误差信号获得七次谐波反电动势，且五次谐波反电动势、七次谐波反电动势以及输出的扩展反电动势信号的基波信号三者之和与输入扩展反电动势信号之间的差构成误差信号；

基频观测器，用于观测误差信号和转子频率得到输出的扩展反电动势信号的基波信号。

可选地，所述五次谐波观测器、七次谐波观测器以及基频观测器三者结构相同，且均包括滤波模块和基于梯度下降法的系数调整模块，所述滤波模块的传递函数为：

上式中，G

可选地，所述基于梯度下降法的系数调整模块对输入信号的处理包括：

S201，将滤波模块的输出正弦信号x

S202，将放大后的信号和通过梯度下降法在线更新的系数W

S203，将求和结果通过开环模块得到的输出与滤波模块的输出正弦信号x

可选地，步骤S202中通过梯度下降法在线更新的系数W

W

上式中，W

可选地，步骤S203中开环模块的传递函数的函数表达式为：

上式中，μ为学习率参数，C为滤波模块的输出正弦信号x

可选地，步骤S103包括：

S301,正交锁相环根据下式计算转子位置角的误差：

上式中，

S302,正交锁相环根据下式实时辨识转子位置角：

上式中，

S303,将转子位置角的辨识值进行微分得到电机转速。

此外，本发明还提供一种永磁同步电机位置参数实时辨识系统，包括相互连接的微处理器和存储器，所述微处理器被编程或配置以执行所述永磁同步电机位置参数实时辨识方法。

此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序用于被微处理器编程或配置以执行所述永磁同步电机位置参数实时辨识方法。

和现有技术相比，本发明主要具有下述优点：

1、本发明将基于自适应滤波的滑模观测器应用于永磁同步电机驱动系统中，首先本发明通过在滑模观测器输入坐标下的电压和电流获得扩展反电动势信号；利用基于梯度下降法的自适应滤波器滤除反电动势中的谐波成分，输出扩展反电动势的基波信息；通过正交锁相环实时辨识电机转速和转子位置角；转速辨识值应用至速度环、滑模观测器与自适应滤波器，转子位置角辨识值反馈至坐标变换模块，本发明能够准确实时辨识电机位置参数，改善内置式永磁同步电机无位置传感器运行的动态性能，有效增强无位置传感器控制系统的可靠性。

2、本发明包括利用基于梯度下降法的自适应滤波器滤除反电动势中的谐波成分，明显降低了谐波误差对转子位置角和转速辨识的影响，提高了辨识精度。

附图说明

图1为本发明实施例方法的控制原理框图。

图2为本发明实施例中滑模观测器及正交锁相环的控制原理框图。

图3为本发明实施例中自适应滤波器的控制原理框图。

图4为本发明实施例中梯度下降法在线更新系数的原理图。

图5为本发明实施例中不同学习率下的自适应滤波器伯德图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例永磁同步电机位置参数实时辨识方法包括：

S101，通过滑模观测器观测永磁同步电机的电压和电流以获得扩展反电动势信号；

S102，利用自适应滤波器滤除扩展反电动势信号的谐波成分，得到扩展反电动势信号的基波信号；

S103，将扩展反电动势信号的基波信号通过正交锁相环获取永磁同步电机的电机转速和转子位置角以用于生成永磁同步电机的控制信号。参见图1可知，将电机转速与电机转速参考值求差后通过PI控制得到q轴电流参值，将q轴电流参值和q轴实际电流之差经过PI控制得到q轴电压参考值，将d轴电流参值和d轴实际电流之差经过PI控制得到d轴电压参考值，q轴电压参考值、d轴电压参考值两者通过坐标转换后得到α,β坐标系下的电压，然后通过SVPWM调制后输入控制永磁同步电机的变流器以控制永磁同步电机的工作中黄台。

本实施例中，步骤S101中滑模观测器的函数表达式为：

上式中，

上式中，

上式中，u

上式中，λ

将滑模观测器输出的α,β坐标系下的扩展反电动势输入到自适应滤波器中，获得反电动势辨识值的基波信号。如图3所示，本实施例步骤S102中的自适应滤波器包括：

α轴自适应滤波单元，用于对输入的α轴的扩展反电动势信号

β轴自适应滤波单元，用于对输入的β轴的扩展反电动势信号

本实施例中α轴自适应滤波单元和β轴自适应滤波单元结构相同，且均包括：

五次谐波观测器，用于观测误差信号获得五次谐波反电动势；

七次谐波观测器，用于观测误差信号获得七次谐波反电动势，且五次谐波反电动势、七次谐波反电动势以及输出的扩展反电动势信号的基波信号三者之和与输入扩展反电动势信号之间的差构成误差信号；

基频观测器，用于观测误差信号和转子频率得到输出的扩展反电动势信号的基波信号。

根据上述记载可知，α轴自适应滤波单元和β轴自适应滤波单元结构具有递归结构，可根据输入信号的变化在线调整系数，且不依赖于参数变化，提高了内置式永磁同步电机无位置传感控制系统的性能和鲁棒性。

以α轴为例，自适应滤波器为三层结构，分别对应基频，五次谐波和七次谐波，将反电动势

上式中，H

上式中，G

本实施例中，基于梯度下降法的系数调整模块对输入信号的处理包括：

S201，将滤波模块的输出正弦信号x

S202，将放大后的信号和通过梯度下降法在线更新的系数W

S203，将求和结果通过开环模块得到的输出与滤波模块的输出正弦信号x

以α轴的基频为例，α轴的基频对应的滤波模块的传递函数G

上式中，C和φ为该正弦序列在频率

上式中，w

本实施例中构造价值函数J(n)为：

其中，ε

X

W

上式中，x

上式中，

W

上式中，W

本实施例步骤S203中开环模块的传递函数的函数表达式为：

上式中，μ为学习率参数，C为滤波模块的输出正弦信号x

上式中，H

如图2所示，本实施例步骤S103包括：

S301,正交锁相环根据下式计算转子位置角的误差：

上式中，

S302,正交锁相环根据下式实时辨识转子位置角：

上式中，

S303,将转子位置角的辨识值进行微分得到电机转速。通过正交锁相环实时辨识出转速

图4为采用本实施例中梯度下降法的基本原理图，从图4可以看出价值函数J(n)和系数矢量W

此外，本发明还提供一种永磁同步电机位置参数实时辨识系统，包括相互连接的微处理器和存储器，所述微处理器被编程或配置以执行所述永磁同步电机位置参数实时辨识方法。

此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序用于被微处理器编程或配置以执行所述永磁同步电机位置参数实时辨识方法。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可读存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。