基于RLS的永磁同步电机参数辨识技术研究

DOI院10.19557/j.cnki.1001-9944.2019.09.017

基于RLS的永磁同步电机参数辨识技术研究罗小军1袁陈天航2袁朱思明2袁宋宝1

渊1.广东拓斯达科技股份有限公司研究院袁东莞523822;2.华中科技大学机械科学与工程学院袁武汉430074冤摘要院为了利用电机模型参数提升交流伺服系统的控制性能袁针对表贴式交流永磁同步电机袁通过施加阶跃直流电压激励信号袁采用递推最小二乘渊RLS冤法实现了对电机定子电阻和电感参数的辨识遥阐述了在电机参数辨识过程中激励电压信号幅值的确定方法袁对死区以及功率压降导致的输出电压差进行了分析和补偿遥通过仿真和试验验证了所提出的电机参数辨识算法的正确性和实用性遥关键词院递推最小二乘法;参数辨识;电机参数;交流永磁同步电机;死区补偿中图分类号院TM301.3;TM341

文献标志码院A

文章编号院员园园员鄄怨怨源源渊圆园19冤09鄄园园7员鄄园4

ResearchonParameterIdentificationTechnologyofPermanentMagnetSyn鄄chronousMotorBasedonRLSLUOXiao鄄jun1袁CHENTian鄄hang2袁ZHUSi鄄ming2袁SONGBao1渊1.ResearchInstitute袁GuangdongTopstarTechnologyCo.袁Ltd.袁Dongguan523822袁China曰2.SchoolofMechanicalScience&Engineering袁HuazhongUniversityofScienceandTechnology袁Wuhan430074袁China冤Abstract院InordertoimprovethecontrolperformanceofACservosystembyusingmotormodelparameters袁arecur鄄siveleastsquares渊RLS冤methodisusedtoidentifythestatorresistanceandinductanceparametersofsurfacemountedzoneandtheoutputvoltagedifferencecausedbypowervoltagedropareanalyzedandcompensated.Thecorrectnessandpracticabilityoftheproposedmotorparameteridentificationalgorithmareverifiedbysimulationandexperiment.chronousmotor渊PMSM冤曰dead鄄timecompensationKeywords院recursiveleastsquare渊RLS冤method曰parameteridentification曰motorparameter曰ACpermanentmagnetsyn鄄permanentmagnetsynchronousmotorbyapplyingstepDCvoltageexcitationsignal.Intheprocessofmotorparame鄄teridentification袁themethodofdeterminingtheamplitudeoftheexcitationvoltagesignalisexpounded袁andthedead随着电力电子技术尧微电子技术尧永磁体材料技术的飞速发展袁以及控制理论研究的不断深入袁交流永磁同步电机伺服控制系统得到了迅速的发展[1]袁在高科技领域得到了广泛的应用[2]袁高质量的制造需求对伺服系统的控制性能也提出了更高的要求遥利用永磁同步电机的参数能快速地实现伺服系统的控制器参数自整定[3]袁提升伺服系统的响应

收稿日期院2019-06-06曰修订日期院2019-08-12基金项目院东莞市创新团队项目渊201536002100026冤

因此永磁同步电机参数辨识技术的研究对伺服系统的性能提升影响重大遥

目前袁常见的电机电气参数辨识算法有频率响算法以及最小二乘法等[5]袁每一种辨识算法各有优应法尧模型参考自适应算法尧卡尔曼滤波算法尧遗传

性能袁还能实现弱磁控制袁拓宽调速范围等功能[4]遥

缺点遥其中袁递推最小二乘法算法简单袁易于实现袁

作者简介院罗小军渊1985要冤袁男袁硕士袁研究方向为机器人控制及其应用等遥圆园19,34穴9雪

71仪表与自动化装置

辨识过程中不需要存储所有数据袁一组输入输出数据值即可进行一次计算袁计算量小袁实时性高[6]服驱动器的计算过程实时性要求高袁递推最小二遥乘伺

法非常适合在伺服驱动器中实现电机参数辨识遥故在此以表贴式永磁同步电机为研究对象袁采用阶跃直流电压为激励信号袁分析并补偿了死区和功率器件压降所导致的输出电压差曰基于递推最小二乘法实现了对永磁同步电机定子电阻和电感参数的辨识遥1参数辨识整体方案永磁同步电机的参数辨识原理如图1所示袁辨

识部分位于虚线框中遥

U琢为常数输出U茁=0逆变器

IGBT死区

压降

++PMSM电流

激励

递推最小压降补偿

信号二乘辨识模型转换电机参数辨识算法

LR图1永磁同步电机参数辨识原理框图Fig.1Principleblockdiagramofparameteridentificationforpermanentmagnetsynchronousmotor利用输入激励信号电压值和输出电流采样值袁基于递推最小二乘法可以得到电机的定子电阻和电感遥由于死区和功率器件压降会导致实际施加到电机线圈上的电压小于理论给定值袁影响电机参数辨识的精度袁因此需要对输出电压差值进行分析和补偿遥

2激励信号及递推最小二乘算法采用阶跃输入电压作为电机参数辨识的激励

信号袁简单易于实现袁输入和输出数据能充分反映系统在各频段的特性遥在实际应用中袁可以采用电机定子电流近似达到电机额定电流时的电压值作为激励信号的幅值遥

电机定子线圈的传递函数模型可近似为一阶

惯性环节[7]断周期为步遥长伺服的离系散统系实统际袁则上离是一散域个的以主控电机模型芯片为

中

G渊z冤=z+ab渊1冤电机定子输入电压与k输-1出冤电流+bu渊的k-1差冤

分为

Iout渊k冤越-aIout渊渊2冤

72式中院I电压值out遥渊对应k冤为于k电时机刻电的气电流值参数辨曰识u的渊k输冤为入k输时出刻矢的

量h渊k冤和待辨嗓识参数矢量兹分别为

h渊k冤越T兹越T渊3冤

采用以下递蓘a袁b蓘-I推公式蓡out渊k-1冤袁u渊k-1冤蓡进行迭代计算袁即可得到电机电阻和电感参数院

Km+1越PmhT渊m+1冤蓘1+h渊m+1冤PmhT渊m+1冤蓡-1Pm+1越Pm-PmhT渊m+1-1渊4冤h冤渊蓘1m++1h渊冤mP+1冤窑PmhT渊m+1冤蓡m兹赞渊m+1越兹赞m+Km+1式中院兹

赞蓘z渊m+1冤-h渊m+1冤兹

赞m蓡渊56冤冤

m+1辨识第m+1次参数的最优估计曰Km+1为第m+1次的修正矩阵在递推公式中袁兹

赞曰Pm+1为第m+1次协方差矩阵遥

保证递推结果收敛渊0冤袁和一般P渊有0冤院

的初值需要确定[8]袁为了兹

赞P渊渊00冤冤==琢着I

渊渊78冤

冤

渊式10中院I为同维度琢为足够大的正实数

4耀106冤曰着为零的矢单位量遥

矩阵曰3死区及功率器件压降补偿在伺服驱动器控制中袁由于无法直接产生恒定的直流电压袁实际上是通过SVPWM调制产生PWM波袁施加在逆变器上产生脉冲电压袁进而在电机定子上获得等效的直流电压遥

为了简化辨识过程袁如图1所示袁令U茁为阶跃电压值袁经逆变器输出袁电机U相的电=0压袁U琢值即为U琢向不变袁遥则电由于机电定机的子产三生相电流均的磁场方向为直固流定袁且袁电电流机转方

子会锁定在固定位置遥待转子锁定稳定之后袁等效电路如图2所示遥

UUa

iu

NVW图2电机参数辨识等效电路Fig.2Equivalentcircuitformotorparameteridentification粤怎贼燥皂葬贼蚤燥灶驭陨灶泽贼则怎皂藻灶贼葬贼蚤燥灶

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由于电机的定子电阻值较小袁给定的输入电压U琢较小袁非线性因素带来的电压差值不能忽视袁对输出电压进行准确的补偿至关重要遥在伺服系统中袁逆变器的开关死区和IGBT的导通压降是影响输出电压的2个主要因素遥

电机参数辨识输入电压激励信号对应三相上

桥臂的PWM波形如图3所示袁Sa+个上桥臂的PWM驱动信号袁袁Sb+各袁PWMSc+分别为逆变器3波的占空比不变遥

DS圆TD圆TUa+VSb+WSc

+T1

T2

T3

T4

T5

图3电机参数辨识激励输入电压的三相PWM波Fig.3Three鄄phasePWMwaveofmotorparameteridentificationexcitinginputvoltage逆变器中死区的存在会导致实际施加到电机定子线圈上的电压偏小袁对U琢指令值进行调整可以

实现对死区输出电压差的补偿[9]驻V=4T遥电压U琢补偿量为式中院U在d为母线电压曰T1个开关周期内d为死3d区TUd渊9冤

时间曰T为PWM周期遥

袁在T2和T4时间段内袁电压

矢量不为零袁电流流经U相上桥臂的三极管和V相及W相的下桥臂的零袁此时电流流T三极管袁该时间段内产生的压降为2Vsat曰在1袁T3和T经一个5时间段内袁电压输出矢量为续流二极管和一个三极管袁

IGBT该段时压间降内产产生生的的输压出降电为压V差sat为

+Vd遥则输入电压由于

V式中院Vf=2VsatD+渊Vsatsat为三极管压降曰Vd+为Vd冤渊续1-流D二冤

极管导通渊10压冤

降曰D为有效电压矢量的占空比曰V电压损失遥由于激励输入电压值很f为IGBT导致的小袁有效电压的占空比也很小袁则输出电压误差可以近似简化为一

个常量袁即院

V忽略死区导致的f输越V出sat电+V压d差袁则电机电枢渊上11的冤电压应满足院

Uu=IuR+V式中院U电压曰Ifu为电枢U相的u为电枢U相的电流渊12冤

曰R为电枢电阻遥U琢给定不同的激励输入电压值U琢1袁

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仪表与自动化装置

U渊11琢2分冤计别算出测量电稳枢定电后阻的值电流和IGBTIu1袁压Iu2袁降则可值袁得

以通过式为了保证不同输U嗓U琢1=Iu1R+VUf琢2入=激Iu2R+Vf渊13冤

励电压下的Vf大小近似袁

琢1出电流差值袁U琢2差值不应过大袁也不能过小袁否则会导致输

过小袁电流采样值无法区分遥为了消除随机误差袁可多次测试并计算在该输入电压值附近电压下的IGBT压降值遥在利用递推最小二乘法进行计算时袁采用输入电压值减去IGBT压降值作为输入电压值参与迭代计算遥

4仿真试验IGBT电的导通机参数压辨降识设置仿真为模型1V袁如续流图二4极所管示的遥压其中降为

袁

1电V机的袁PWM初始的电死角区度时为间设置0遥

为2.5滋s袁频率为10kHz袁激励信号

SVPWM模块

UalfaUalfaUbeta

0IUUbeta

pluse

ContinuousIVPowerGUI

数据采集

SVPWM_DT_BC

IW

0gATmBAC

BNUniversalSm

逆变器

Bridge

C

PMSM

图4电机参数辨识算法的仿真模型Fig.4Simulationmodelofmotorparameteridentificationalgorithms为了简化仿真过程袁在仿真中未进行激励输入电压幅值搜索的过程袁直接采用幅值合理的阶跃电压输入袁对应U相稳态电流约为额定电流的1.25倍袁对电机U相电流进行采样袁并将激励信号一起MatLab通过图4中数据采集模块进行存储袁然后通过

实现对电中的机参M数文的件辨袁识离遥

线地利用递推最小二乘法M02030LM1DD仿真试验所用型电表机贴参式数三为相华交大流电永机磁厂同步130ST电机

鄄参数袁相关参数见表1遥

为了模拟实际使用时伺服驱动器电流的采样噪声袁在电流输出值上结合伺服驱动器的电流样噪声的特点叠加了高斯白噪声遥

73仪表与自动化装置

表1仿真电机参数Tab.1Simulationmotorparameters参数数值

参数数值额定电流/A额定转速/渊r窑min-1额定转矩/渊N窑m冤

冤20006.5相电相电阻/赘6.4

极感/mH1.880.6对数

4

由辨识计算过程得到的电机相电流尧电阻和电感参数波形如图5所示遥

201000.6赘a501.9mHb105100c5000.0050.01dt/s0.0150.020.025a.电机电枢电阻R图曰b.5电枢电机电感参数L曰c.辨U相电流识波形曰d.阶跃输入电压

Fig.5Motorparameteridentificationwaveform由图可见袁在0.001s时施加阶跃电压袁电流约在0.015s达到稳态袁在阶跃响应的过程中电阻和电感的辨识参数如图5a袁b所示袁经过约2ms的波动袁递推算法开始收敛袁电阻和电感的数值逐渐趋向于0.6稳赘定电遥感由的图的收敛局值部约放为大1.9可见mH袁电遥阻对的比收敛该电值机约实为电感和电阻参数可以发现袁辨识得到的电感尧电阻际值与实际值基本一致遥由此从理论上验证了电机参数辨识算法的有效性遥

5试验研究为了验证电机参数辨识方法袁搭建了电机参数

辨识试验平台袁伺服驱动器为实验室自研产品袁型号为TSVB鄄PAL050A袁驱动器以STM32F407为主控器袁FPGA为协处理器袁采用SVPWM的调制方式控制三相电压型逆变器的输出遥所用伺服驱动器的相关参数见表2遥

为了验证电机电气参数辨识算法的普遍适用性袁选用了功率不同的3种电机袁试验电机均为华大电机厂的表贴式交流永磁同步电机袁电机型号分别为80ST鄄M01330LF1B袁130ST鄄M10015LFB袁130ST鄄

74表2TSVB鄄PAL050A伺服驱动器参数Tab.2TSVB鄄PAL050Aservodriverparameters指标数值

输入电压/V单/三相AC220

额定电流/A21峰值电流/A56

控制方式PWM正弦波矢量控制

载波频率/kHz

10

M02030LM1DD表袁3电试验机的测相关试电机参参数数见表3遥

Tab.3Testmotorparameters电机型号额/定渊kW功率冤额80ST鄄M01330LF1B/渊定N1.3窑转m矩冤额/渊r窑定3000min转速-1冤电流额定/A0.4130ST130ST鄄M02030LM1DD鄄M10015LFB

1.51.010.06.41500

2.620006.0

6.5以130ST鄄M02030LM1DD电机的辨识试验对

辨识过程进行说明遥

电机参数辨识U相电流波形如图6所示遥辨识

过程包括激励电压幅值搜索尧IGBT压降计算尧电机参数辨识3个步骤遥淤在电压幅值搜索的过程中袁U80%相电流逐渐袁90%以及缓100%慢增大袁为袁直了避至免分电流别达过大损到额定坏电流电机的

电压幅值缓慢增加电流上升速度较慢袁搜索过程时

袁间较长曰于在IGBT压降计算过程中袁分别再次施加激励通过平均值滤波的方式计算各电压下的稳态电流袁并计算得到IGBT压降和电阻值曰盂再次分别施加电压信号采用递推最小二乘法实现电机参数辨识遥

电压幅值搜索IGBT压降计算电机参数辩识

25002000额90定电流150080豫豫额额定定电流

电流1000500-500005101520时25间/s3035404550图6电机参数辨识U相电流波形Fig.6IdentificationofUphasecurrentwaveformbymotorparameters图6显示了130ST鄄M02030LM1DD电机在整个辨识过程中电机U相电流的变化过程遥在辨识算法迭代过程中电机的参数变化曲线如图7所示袁图中电机的电阻尧电感值分别收敛于渊下转第83页冤

粤怎贼燥皂葬贼蚤燥灶驭陨灶泽贼则怎皂藻灶贼葬贼蚤燥灶

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现场总线与控制网络

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姻

opensourceRTOSforautomotivesystemstoenSilicaseSi鄄

渊上接第74页冤0.56赘和1.7mH遥电机的实际参数为电阻0.6赘袁电感1.88mH袁辨识的误差分别为6%和9.5%遥另外2台电机的辨识结果见表4遥

2.52.01.51.00.5016.770.56赘16.7816.7916.8时间/s16.8116.8216.83定电流小的电机由于U相电流的采样误差过大其参数辨识结果会更差遥

总而言之袁经过试验验证袁所提出的电机参数辨识方法在实际应用中是有效的遥

6结语针对表贴式交流永磁同步电机袁研究了参数辨识技术袁阐述了激励信号幅值的确定方法袁分析了死区和功率器件压降对电机参数辨识的影响曰提出了补偿方法袁基于递推最小二乘法实现了对电机电阻和电感的辨识袁计算量小袁收敛速度快曰通过仿真和试验验证了辨识算法的正确性遥

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渊a冤电阻

2.01.51.00.5016.771.7mH16.7816.79图7电机电阻尧电感参数的变化曲线Fig.7Variationcurveofresistanceandinductanceparametersofmotor表4电机参数的辨识结果及误差Tab.4Identificationresultsanderrorsofmotorparameters辨识实际电阻辨辨识实际电感辨

电机型号电阻电阻识误差电感电感识误差

/渊%冤/渊mH冤/渊mH冤/渊%冤/赘/赘130ST鄄M02030LM1DD0.560.661.71.8.580ST鄄M01330LF1B2.21.915101216.7130ST鄄M10015LFB0.91103.236.7渊b冤电感

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VeselyI袁VeselyL袁BradacZ.MRASidentificationofpermanent

由表可知袁参数辨识结果存在一定误差袁主要原因在于输出电压误差未能完全补偿且电流采样存在较大的噪声遥另外袁额定电流大的电机参数辨识的精度更高袁实际上由于试验使用的伺服驱动器功率较大袁电流采样电阻值小袁采样精度比较低袁额

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姻

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