一种永磁同步电机转动惯量在线辨识方法技术

本发明专利技术涉及一种永磁同步电机转动惯量在线辨识方法，包括：永磁同步电机采用矢量控制方法，从电流环获取同一时刻的q轴电流和电机转子位置；将q轴电流和电机转子位置分别输入设计好的离散跟踪微分器数学模型进行计算，输出q轴电流跟踪信号、转子转速信号；将q轴电流跟踪信号、转子转速信号输入设计好的模型参考自适应系统进行计算，输出转动惯量，得到相对精确的惯量辨识结果。本发明专利技术解决了在线辨识方法中普遍存在的转速和电流采样的不同步问题，大大减小了采样数据的噪声干扰，显著提高的同步电机转动惯量在线辨识结果的准确度。

【技术实现步骤摘要】
一种永磁同步电机转动惯量在线辨识方法
本专利技术属于永磁同步电机转动惯量辨识领域，具体的说是涉及一种永磁同步电机转动惯量在线辨识方法。
技术介绍
随着永磁交流伺服系统的应用更加广泛，以高精度、高速度为特点的高性能伺服驱动系统的研究引起控制界广泛关注。在工程应用中，电机转动惯量是控制系统中变化相对频繁的重要参数,当电机负载转动惯量变化时,会明显影响伺服系统的控制性能。为达到伺服系统高性能这一目标，需要对转动惯量进行辨识。伺服控制系统在运行时，电机转动惯量很难直接测量，通常采用基于模型参考自适应的在线辨识方法获得。仿真实验中，该法能获得比较好的辨识效果，但是应用到工程实践并不能获得理想的结果。主要的原因有两点：一是模型参考自适应的两个输入参数可能存在偏移，即两个参数并不是同一时刻的采样值；二是输入参数存在着噪声干扰，需要进滤波。针对前者，要保证反馈速度和反馈转矩采样的同时性，但实际工程中反馈速度通常是通过记录电机转子在一个采样周期内的转角偏移量计算得来。相比之下，反馈速度表示的是前一个周期的平均速度，而反馈转矩是当前时刻的转矩，微小的采样时间偏差会导致不准确的辨识结果。反馈转矩通过反馈电流计算得到，反馈电流和反馈速度因受到噪声干扰，也会导致辨识效果不理想。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述不足，本专利技术要解决的技术问题是在实现基于模型参考自适应的在线辨识方法的基础上，提供以跟踪微分器实现输入参数同步的技术，以提高在线辨识转动惯量的准确度。本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案是：一种永磁同步电机转动惯量在线辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：永磁同步电机采用矢量控制方法从电流环获取同一时刻的q轴电流和电机转子位置；步骤2：将q轴电流和电机转子位置分别输入离散跟踪微分器进行计算，输出q轴电流跟踪信号、转子转速信号；步骤3：将q轴电流跟踪信号、转子转速信号输入模型参考自适应系统进行计算，输出转动惯量。所述q轴电流为A/D转换器采样获得的交流电信号经过Clark和Park变换后得到的两相旋转绕组中垂直坐标上的电流。所述步骤2具体为：设二阶离散系统方程：其中：T为采样周期；为系统第kT时刻状态；令u＝+R，根据目标点x1(k)＝0，x2(k)＝0，得到该系统经过k步状态转移能达到原点的系统初始状态，进而得到这些点所在抛物线a的方程：x22-TRx2-2Rx1＝0(2)将得到的初始点作为目标点，令u＝-R，得到经过N步状态转移达到目标点的初始点集，进而得到这些点所在抛物线b的方程：x22-(4N+1)TRx2-2Rx1+2N2T2R2＝0(3)令u＝-R，得到经过k步状态转移能达到原点的系统初始状态，进而得到这些点所在抛物线c的方程：x22+TRx2+2Rx1＝0(4)将得到的初始点作为目标点，令u＝+R，得到经过N步状态转移达到目标点的初始点集，进而得到这些点所在抛物线d的方程：x22+(4N+1)TRx2+2Rx1+2N2T2R2＝0(5)经计算可知抛物线a与d相切、b与c相切；令y＝(N+1)Tx2+2x2，s＝sgn(y)，将抛物线a与d合并为：将抛物线b与c合并为：令设控制函数：u＝-R×sat(f(x1,x2,R,T,N),NTR)(8)其中：根据式(8)，设计离散跟踪微分器数学模型：其中，式(9)中：y(k)＝(N+1)Tx2(k)+2x1(k)-2v(k)；s＝sgn(y(k))；v(k)为采样值，且每个v(k)分别对应2个输出x1和x2，x1为跟踪信号和x2为微分信号；R为快速因子；N为线性区域宽度调节因子；按照公式(9)，当输入q轴电流和电机转子位置时，输出为4项：q轴电流跟踪信号、q轴电流微分信号、电机转子位置跟踪信号、电机转子位置微分信号；但只取2项输出：q轴电流跟踪信号、转子位置微分信号，所述转子位置微分信号为转子转速信号。所述步骤3具体为：根据永磁同步电机的机械方程：式(10)中，ωm为永磁同步电机实际转速，J为转动惯量辨识值，Te为电机输出转矩，Tl为负载转矩，B为电机的风载摩擦系数，对式(10)两端乘以转速微分量后再积分，从而消除风载摩擦系数这一项；设T为系统采样周期，将永磁同步电机的机械方程离散化处理得到：设负载转矩保持不变：Tl(k-1)-Tl(k-2)＝0(12)对式(11)上下两式作差得到参考模型方程式：ωm(k)＝2ωm(k-1)-ωm(k-2)+b△Te(k-1)(13)其中：△Te(k-1)＝Te(k-1)-Te(k-2)；根据参考模型设计出对应的可调模型方程式：ωg(k)＝2ωm(k-1)-ωm(k-2)+bg(k-1)△Te(k-1)(14)其中：ωg(k)为k时刻对实际电机转速的估计值；bg(k-1)为自适应率的输出量；设自适应的增益因子为β，根据Popov超稳定理论，结合式(14)得到转动惯量的模型参考自适应率公式：其中：速度估计误差ε(k)＝ωm(k)-ωg(k)；ωm(k)为步骤2输出的转子转速信号；ωg(k)可按照公式(14)计算得到；Te按照转矩与q轴电流跟踪信号的关系计算得到；在得到bg(k)后，根据计算式J＝T/bg(k)计算得到转动惯量J。本专利技术具有以下优点及有益效果：1.本专利技术对永磁同步电机编码器类型要求不高，增量式编码器电机依然能获得比较精确的惯量辨识结果，相对一般辨识方法需要采用高精度的电机而言，生产成本低、控制更加灵活。2.本专利技术相比转动惯量的离线辨识方法，弥补了电机运行过程中负载变化导致惯量不能辨识的不足，同时也减少了复杂的加减速控制以及人为估算带来的误差。3.本专利技术相比常规在线辨识方法，辨识精度更高、辨识结果更稳定，由于转速信号直接经由转子微分计算得到，使得该方法不依赖于矢量控制系统反馈的转速信号，进一步提高了稳定性。4.本专利技术所使用的跟踪微分器相比其他同步技术而言，同步信号的同时对该信号进行了等程度的滤波，不需要额外添加滤波模块，使得控制结构更为简洁，控制更加高效。附图说明图1为本专利技术中跟踪微分器及模型参考自适应系统和矢量控制系统的结构关系图；图2为本专利技术中离散跟踪微分器实现的流程图；图3为本专利技术中模型参考自适应系统的原理图。具体实施方式下面结合附图及实施例对本专利技术做进一步的详细说明。本专利技术的总体结构如图1所示，整套专利技术中离散跟踪微分器和参考自适应模型都在矢量控制的电流环内。永磁同步电机采用矢量控制方法，从电流环获取同一时刻的q轴电流和电机转子位置；将q轴电流和电机转子位置分别输入设计好的离散跟踪微分器数学模型进行计算，输出q轴电流跟踪信号、转子转速信号；将q轴电流跟踪信号、转子转速信号输入设计好的模型参考自适应系统进行计算，输出转动惯量。(矢量控制参考文献：王春民,孙淑琴,安海忠,周游.基于DSP永磁同步电动机矢量控制系统的设计.吉林大学学报(信息科学版),2008,26(4):343-346)。具体实施过程如下：图2为本专利技术中离散跟踪微分器实现的流程图。因为工程应用伺服驱动系统属于大采样的离散系统，所以需要设计跟踪微分器的离散形式(DiscreteFormofTracingDifferentiator，DFTD)。(跟踪微分器参考文献：程怡然，孙秀霞，彭建亮.一种简洁的离散快速无震荡跟踪-微分本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种永磁同步电机转动惯量在线辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：永磁同步电机采用矢量控制方法从电流环获取同一时刻的q轴电流和电机转子位置；步骤2：将q轴电流和电机转子位置分别输入离散跟踪微分器进行计算，输出q轴电流跟踪信号、转子转速信号；步骤3：将q轴电流跟踪信号、转子转速信号输入模型参考自适应系统进行计算，输出转动惯量。

【技术特征摘要】
1.一种永磁同步电机转动惯量在线辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：永磁同步电机采用矢量控制方法从电流环获取同一时刻的q轴电流和电机转子位置；步骤2：将q轴电流和电机转子位置分别输入离散跟踪微分器进行计算，输出q轴电流跟踪信号、转子转速信号；步骤3：将q轴电流跟踪信号、转子转速信号输入模型参考自适应系统进行计算，输出转动惯量。2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机转动惯量在线辨识方法，其特征在于，所述q轴电流为A/D转换器采样获得的交流电信号经过Clark和Park变换后得到的两相旋转绕组中垂直坐标上的电流。3.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机转动惯量在线辨识方法，其特征在于，所述步骤2具体为：设二阶离散系统方程：其中：T为采样周期；为系统第kT时刻状态；令u＝+R，根据目标点x1(k)＝0，x2(k)＝0，得到该系统经过k步状态转移能达到原点的系统初始状态，进而得到这些点所在抛物线a的方程：x22-TRx2-2Rx1＝0(2)将得到的初始点作为目标点，令u＝-R，得到经过N步状态转移达到目标点的初始点集，进而得到这些点所在抛物线b的方程：x22-(4N+1)TRx2-2Rx1+2N2T2R2＝0(3)令u＝-R，得到经过k步状态转移能达到原点的系统初始状态，进而得到这些点所在抛物线c的方程：x22+TRx2+2Rx1＝0(4)将得到的初始点作为目标点，令u＝+R，得到经过N步状态转移达到目标点的初始点集，进而得到这些点所在抛物线d的方程：x22+(4N+1)TRx2+2Rx1+2N2T2R2＝0(5)经计算可知抛物线a与d相切、b与c相切；令y＝(N+1)Tx2+2x2，s＝sgn(y)，将抛物线a与d合并为：将抛物线b与c合并为：令设控制函数：u＝-R×sat(f(x1,x2,R,T,N),NTR)(8)其中：根据式(8)，设计离散跟踪微分器数学模型：

【专利技术属性】
技术研发人员：王志成，刘辉，杜桂红，王泽鹏，魏鹏涛，
申请(专利权)人：沈阳高精数控智能技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁,21