高精度无差拍磁链观测器设计
电励磁同步电机两种综合磁链模型观测器
电励磁同步电机两种综合磁链模型观测器戴鹏;付凤超;符晓;伍小杰;周二磊【摘要】针对电流模型存在对电机参数较敏感,电压模型存在积分初始值偏差和直流偏置问题,结合二者各自优点,提出了两种综合磁链模型.切换模型综合基于锁相环的电压模型和电流模型的优点,磁链幅值和角度分别利用加权方法过渡;混合模型使纯积分环节处于反馈环内,并且电压模型输入结果经高通滤波器,电流模型输入结果经低通滤波器,二者自然过渡.使系统在低速度段使用电流模型,高中速度段使用电压模型,并使两种模型平滑过渡,使之形成适合于全速范围内的磁链观测模型.通过理论分析和仿真研究,两种综合磁链模型均能达到预期效果.%Current model is sensitive to the motor parameters, and there is initial value of the integral deviation and DC bias in voltage model. Two methods of complex flux mode were presented which with the advantages of current model and voltage model. Switching model takes good advantage of both the voltage PLL-based and current model, the flux amplitude and angle, respectively, change from one state to the other using the weighted method)the pure integrator is in the feedback loop in the hybrid model,its outcomes export through a high-pass filter,the results of the current model export through the low-pass filter. Current model works alone in low-speed, while the voltage model working in medium and high speed,and the transition between there two models is smooth. Making the flux observer is suitable for full-speed segment. Both of complex flux models can achieve the desired results through theoretical analysis and simulation.【期刊名称】《电气传动》【年(卷),期】2011(041)010【总页数】4页(P12-14,20)【关键词】电励磁同步电机;切换模型;混合模型;Matlab/Simulink【作者】戴鹏;付凤超;符晓;伍小杰;周二磊【作者单位】中国矿业大学信电学院,江苏,徐州,221008;中国矿业大学信电学院,江苏,徐州,221008;中国矿业大学信电学院,江苏,徐州,221008;中国矿业大学信电学院,江苏,徐州,221008;中国矿业大学信电学院,江苏,徐州,221008【正文语种】中文【中图分类】TM912.2如何准确获取电励磁同步电机气隙磁链是对其矢量控制及直接转矩控制的基础。
基于电压电流混合模型的新型磁链观测器
基于电压电流混合模型的新型磁链观测器时维国; 桑尧尧【期刊名称】《《电机与控制应用》》【年(卷),期】2019(046)007【总页数】6页(P14-19)【关键词】永磁同步电机; 磁链观测器; 混合模型; 直接转矩控制【作者】时维国; 桑尧尧【作者单位】大连交通大学电气信息工程学院辽宁大连116028【正文语种】中文【中图分类】TM3510 引言永磁同步电机(PMSM)具有多变量非线性强耦合等特点。
为了应用于生活中，需要更加快速且稳定地控制电机。
直接转矩控制(DTC)是利用逆变器输出电压矢量直接控制电机定子磁链和电磁转矩的控制方法。
在DTC中，直接控制定子磁链和电磁转矩，定子磁链和电磁转矩的估计精度影响整个控制系统的性能；同时，电磁转矩的计算需要PMSM定子磁链，即PMSM电磁转矩的控制精度取决于对电机定子磁链观测的准确度[1-2]。
因此，对定子磁链的观测是直接转矩系统中非常重要的一环。
文献[3]采用低通滤波器来代替传统电压模型观测方法，导致了观测定子磁链的幅值和相位出现误差。
文献[4]提出对定子磁链进行限幅，然后加入高通滤波器来对磁链幅值进行补偿，但无法解决相位偏移问题。
文献[5]采用新型纯积分方法在线辨识磁链，方法简单，易于实现，但在低速区性能较差。
文献[6]提出采用锁相环的改进电压模型磁链观测器，基本上解决了直流偏置和积分初始值偏差问题，但在低速阶段，电机定子电动势受电阻压降影响大，测量误差较大，改进电压模型不能准确测量定子磁链。
基于精确的电机数学模型、采用降阶状态观测器取代传统电压模型观测定子磁链[7]，或用于异步电机的基于扩展卡尔曼滤波的定子磁链观测器观测定子磁链[8]，或采用模型参考自适应方法辨识定子磁链[9]，均取得了较好的观测效果，但是上述方法中的观测器结构复杂。
文献[10]引入一阶低通滤波器与一阶高通滤波器的串联结构，来消除电压模型磁链观测器的直流偏置和积分初值设置问题，并通过补偿环节补偿滤波器引入的幅值和相位误差。
基于新型磁链观测器的无速度传感器感应电机控制技术研究
基于新型磁链观测器的无速度传感器感应电机控制技术研究现代工业中，传感器已经成为了一种非常重要的设备，经常被用来感知各种物理量，例如电流、温度、压力等等。
其中，无速度传感器是一种非常实用的传感器种类，其可以直接测量电机的输出角度，因此被广泛应用于电机控制领域。
本文将基于新型磁链观测器来研究无速度传感器感应电机控制技术，探讨其优点及存在的问题。
无速度传感器感应电机控制技术是一种直接根据电机输出的转子位置角度来推算电机输出转速的技术。
在实际应用中，为了确保电机的精准空间控制，需要通过测量转子的位置角度，将这些数据发送至控制器，以帮助控制器预测电机的输出转速。
而无速度传感器技术则可以避免使用复杂的转速传感器，从而降低了制造成本，减少了整个系统的体积，提高了器件的可靠性。
新型磁链观测器则是用来观测电磁场的变化，从而精确推算出电机的位置和速度。
它被广泛应用于无刷直流电机的转速控制系统中，可用于传感器监控死区、空载、过载和超速等状况。
该技术的具体实现步骤如下：首先，用数字信号处理器（DSP）采集各磁极施加的电压和角度测量电路测量得到的转子角度信息。
然后，通过对这些数据进行处理和分析，可以利用数学模型计算出电机的位置和速度。
最后，将这些数据反馈给电机控制器，使电机控制器可以根据这些数据进行调整，调整电机的输出力矩和输出角度，以达到最佳的效果。
使用新型磁链观测器的无速度传感器技术具有以下优点：首先，该技术不需要反馈很高的分辨率和动态范围，因此，对于一些特殊应用场合，可以采用价格较低的模块，节约成本；其次，使用无速度传感器技术可以避免由于控制误差产生的振荡问题，提高了系统的稳定性和可靠性；最后，该技术具有更好的机械耐用性和抗外干扰能力，适用广泛。
然而，在实际应用中，新型磁链观测器的无速度传感器技术也存在着一些问题。
首先，与传统的转速传感器相比，其灵敏度较低，不同的电机可能需要不同的传感器参数。
其次，无速度传感器技术会造成一定的误差，尤其是在高负载和超速的情况下，误差可能会较大。
基于有效磁链滑模观测器的IPMSM直接转矩控制
江苏省自然科学基金（BK20161549）
作者简介：
张兴华（1963-），
男，
博士，教授，
Email: zxhnjut@
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7
电气传动 2017 年 第 47 卷 第 7 期
有效磁链矢量 Ψa 和定子磁链矢量 Ψ s 、
转子磁链矢量 Ψ f 在静止坐标系 (α - β) 和转子磁
链旋转坐标系（d-q）中的关系如图 1 所示。
张兴华,等：基于有效磁链滑模观测器的 IPMSM 直接转矩控制
该方法在电机低速运行区甚至零速时有很好的
1.2
定义有效磁链（active flux）Ψa 为乘以 1.5 Pi qs
估计性能，其主要缺点是需额外增加高频信号源
和设计合适的滤波器，系统实现的硬件和软件结
构复杂。此外，注入的高频信号还会产生谐波转
于电机模型进行设计，其估计性能受电机模型参
代末，
才被用于永磁同步电机驱动控制
数变化的影响大；高频信号注入法是将高频旋转
。
［3-4］
近年来，无速度传感器控制技术受到人们的
广泛关注。由于省略了在电机转轴上安装速度
或脉冲电压信号注入定子绕组，利用转子磁极凸
性，从高频电流响应信号中提取转子位置信息。
基金项目：
speed sensor-less；
direct torque control
自 20 世纪 80 年代德国学者 Depenbrock 和日
本学者 Takahashi 提出直接转矩控制方法以来
，
［1-2］
传感器，不仅降低了驱动系统实现成本，而且能
PMSM DTC控制系统中定子磁链观测器的研究
的磁链矢量ϕ 的值就会减小并向逆时针旋转，直到重新与反电势正交。当 γ 角小于 90°时分
析方法相似。因此自适应积分器可以自动调整补偿磁链的幅值来达到消除直流偏移量的目 的。
-3-
β emf α
γ
ϕ2 ϕ2'
γ
PMSM DTC 控制系统中定子磁链观测器的研究
李钊，杨贵杰，李铁才，徐振刚
哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，黑龙江哈尔滨 (150001)
E-mail：stephenlz@
摘 要：针对直接转矩控制系统定子磁链观测器中积分环节对直流偏移量的积累误差问题， 以及在低速情况下观测结果受定子电阻变化影响较大的问题，提出了一种新型的基于改进型 积分器法并对定子电阻进行补偿的定子磁链观测器，该方法结构简单，易于工程实现。 Matlab/Simulink 仿真和实验表明，采用此方法的直接转矩系统能够在较宽的速度内运行，对 直流偏移量有很好的抑制效果，并且对定子电阻的变化具有较强的鲁棒性。 关键词：直接转矩控制；定子磁链观测；改进型积分器；定子电阻补偿 中图分类号：TM351
-2-
由于电机的机电时间常数远大于电磁时间常数，使得定子磁链瞬时转速变得比转子磁链 转速大，造成定转子磁链之间夹角瞬时增加，转矩迅速增大，反之亦然。这说明了磁链运行 状态是时进时退的，这样在磁链基波信号上必然会叠加上高频信号。另外，直接转矩控制中 反电势是通过定子绕组外加电压减去电阻压降求得的，定子绕组外加电压为六个电压矢量组 成的跳变信号，而电机中由于电感的作用电流为连续值，所以它们的差反电势为非连续的跳 变信号。
ϕ1
ϕ
ϕ'
基于参数在线辨识的高速永磁电机无差拍电流预测控制
第27卷㊀第9期2023年9月㊀电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报Electri c ㊀Machines ㊀and ㊀Control㊀Vol.27No.9Sep.2023㊀㊀㊀㊀㊀㊀基于参数在线辨识的高速永磁电机无差拍电流预测控制刘刚1,㊀张婧1,2,㊀郑世强1,2,㊀毛琨1,2(1.北京航空航天大学惯性技术重点实验室,北京100191;2.北京航空航天大学宁波创新研究院,浙江宁波315800)摘㊀要:针对无传感器表贴式永磁同步电机高速运行过程中电气参数摄动影响电流环性能和转子位置估计精度的问题,提出一种基于参数辨识的无传感器高速永磁电机无差拍电流预测控制方法㊂首先,为了提升电流环控制器的动态性能,结合永磁电机控制系统的特点,采用无差拍电流预测控制并进行模型参数敏感性分析㊂其次,针对多参数在线辨识存在的欠秩问题,提出在3种不同时间尺度下,采用基于神经元迭代求解的总体最小二乘法在线分步辨识电机定子电感㊁电阻和永磁体磁链㊂最后将辨识结果用于更新无差拍电流预测控制器及滑模观测器参数㊂实验结果表明,基于参数辨识的无传感器高速永磁电机无差拍电流预测控制方法能有效提高电流环控制器稳态性能及转子位置估计精度㊂关键词:高速永磁同步电机;无差拍电流预测控制;无传感器控制;多参数在线辨识;总体最小二乘算法;神经元DOI :10.15938/j.emc.2023.09.011中图分类号:TM341文献标志码:A文章编号:1007-449X(2023)09-0098-11㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀收稿日期:2022-02-13基金项目:国家自然科学基金(61822302)作者简介:刘㊀刚(1970 ),男,博士,教授,博士生导师,研究方向为航天器惯性执行机构技术㊁磁悬浮高速永磁电机技术;张㊀婧(1997 ),女,博士研究生,研究方向为高速永磁同步电机控制㊁原子磁强计控制;郑世强(1981 ),男,博士,教授,博士生导师,研究方向为航天器惯性执行机构技术㊁磁悬浮高速永磁电机技术;毛㊀琨(1988 ),男,博士,助理研究员,研究方向为电机控制㊂通信作者:毛㊀琨Deadbeat predictive current control of high speed permanent magnet motor based on online parameter identificationLIU Gang 1,㊀ZHANG Jing 1,2,㊀ZHENG Shiqiang 1,2,㊀MAO Kun 1,2(1.Science and Technology on Inertial Laboratory,Beihang University,Beijing 100191,China;2.Ningbo Innovation Research Institute,Beihang University,Ningbo 315800,China)Abstract :During the high-speed operation of sensorless surface-mounted permanent magnet synchronous motor (SPMSM),the perturbation of electrical parameters affects the performance of current loop and the accuracy of rotor position estimation.Therefore,a deadbeat predictive current control (DPCC)method for sensorless high speed permanent magnet motor based on parameter identification was proposed.First-ly,combined with the characteristics of permanent magnet motor control system,DPCC was adopted to improve the dynamic performance of the current loop controller.Besides,the parameter sensitivity of DPCC was analyzed.Secondly,in order to solve the rank deficient problem,a total least square (TLS)method based on neuron iterative solution was used to identify the inductance,resistance and permanent magnet flux linkage on-line and step by step.Finally,the identification results were used to update theparameters of deadbeat predictive current controller and sliding mode observer.The experimental resultsshow that DPCC method of sensorless high-speed permanent magnet motor based on parameter identifica-tion can effectively improve the steady state performance of current loop controller and the accuracy of ro-tor position estimation.Keywords:high speed permanent magnet synchronous motor;deadbeat predictive current control;sen-sorless control;multi parameter online identification;total least squares algorithm;neuron0㊀引㊀言随着稀土永磁材料的开发,基于矢量控制技术的永磁同步电机(permanent magnet synchronous mo-tor,PMSM)以其优良的性能广泛应用于工业伺服驱动㊁电动汽车㊁新能源发电等领域[1]㊂永磁同步电机的高精度控制需要准确的转子位置信息和速度信息,但机械式传感器的使用具有安装维护困难㊁成本高㊁极高转速下响应速度有限等问题,因此,基于观测器的无传感器控制在高速永磁同步电机中得到了极大的发展[2],其中,滑模观测器(sliding mode ob-server,SMO)以计算简单㊁对外部扰动鲁棒性强等优势备受关注[3]㊂永磁同步电机矢量控制一般为电流速度双闭环结构,电流环的动态和稳态特性是影响系统整体性能的关键因素,目前常见的电流环控制策略有滞环控制㊁比例积分(proportional integral,PI)控制和预测控制[4]㊂滞环控制具有电流响应速度快㊁鲁棒性强㊁易于计算等优点,但开关频率易受负载影响且电流纹波大[5]㊂相比之下,PI控制电流纹波小,可以有效降低稳态误差且开关频率固定,但数字控制的固有滞后特性会限制系统响应速度的提升,难以获取最优电流环带宽响应[6]㊂而基于离散模型的预测控制显示出良好的动态性能,能够在当前控制周期预测出下一周期的控制指令,提升系统带宽[7]㊂预测控制通过系统模型来预测状态变量的未来行为,直接预测控制和无差拍预测控制是研究较为广泛的两种预测控制方法[8]㊂其中,直接电流预测控制通过最小化表示系统期望行为的成本函数来定义控制动作,电流动态响应最快,但开关频率可变,产生的电流纹波也最大[9]㊂无差拍预测控制具有固定的开关频率和良好的动态性能,无需开关状态评估和成本函数计算,计算负担大大降低[10-11]㊂但无差拍预测控制是基于离散模型的控制方法,需要准确电机模型参数和电机运行状态,而实际电机高速运行时,受温度升高㊁磁饱和等因素影响不可避免地会造成定子电阻㊁定子电感㊁永磁体磁链发生变化[12]㊂一方面,电机参数失配会导致电流谐波㊁电流跟踪偏差等问题,影响系统电流环的控制性能[13],另一方面,转子磁极位置估计的准确性决定PMSM无传感器控制系统的性能,电机参数失配会降低转子位置估计精度[14]㊂目前解决无差拍电流预测控制电流跟踪误差问题的常见方法有扰动观测器和参数辨识,为同时解决由于电机参数失配造成的电流跟踪误差和转子位置观测误差,对永磁同步电机进行多参数在线辨识并依次更新滑模观测器与无差拍电流预测控制器参数,是提高电流环控制性能和转子位置估计精度的重要策略[15]㊂参数辨识是解决电机模型参数偏离原始设计值问题的一个重要手段,目前较为成熟的在线辨识方法有递推最小二乘法(recursive least squares,RLS)㊁模型参考自适应法㊁扩展卡尔曼滤波法等[16]㊂针对上述表贴式永磁同步电机无差拍电流预测控制器的参数不匹配问题,文献[17]提出一种基于模型参考自适应系统参数辨识的无差拍电流预测控制方法,解决磁链和电感参数不匹配的问题,然而未考虑定子电阻的识别,且寻找使辨识参数收敛的自适应律较为困难㊂文献[18]提出了一种改进的具有参数识别的PMSM无差拍电流预测控制方法,通过电流注入扰动观测器重构特征向量辨识定子电阻和定子电感,减小了计算负担却未考虑磁链参数的影响㊂上述方法只辨识了部分电气参数,不满足多参数在线辨识的要求㊂针对基于反电势法进行转子位置估计易受参数摄动影响的问题,文献[19]运用扩展卡尔曼滤波器在线辨识内置式永磁电机的转子磁链和交轴电感,但未辨识电阻参数㊂文献[20]将电阻㊁电感辨识策略集成到位置观测器中,在αβ轴上施加高频正弦电压以识别d㊁q轴电感,在α轴上注入直流电压以识别电阻㊂对于表贴式永磁同步电机,文献[21]通过向d轴注入电流脉冲获取参数辨识所需数据,可以估计逆变器非线性引起的电阻误差㊁电感误差及99第9期刘㊀刚等:基于参数在线辨识的高速永磁电机无差拍电流预测控制永磁体磁链,但需要求解一个多元非线性回归问题㊂上述方法采用分时分步手段解决多参数在线辨识欠秩问题,但只考虑观测误差而未考虑到系数矩阵误差,忽略了参数之间的耦合影响㊂在实际应用中系数矩阵误差普遍存在,采用总体最小二乘法(total least squares,TLS)进行参数辨识可以同时考虑系数矩阵误差和观测误差,得到更精确的参数估计值,但直接求解TLS问题计算复杂,目前可以通过兴奋和抑制性神经元学习方法(excitatory and inhibitory learning,EXIN)进行在线迭代求取[22]㊂在TLS EX-IN辨识电机本体参数的基础上,利用辨识结果更新电流环预测控制器和转子位置观测器参数,降低电机参数失配的影响㊂针对表贴式永磁同步电机参数不匹配导致的电流跟踪偏差及转子位置观测误差,本文提出一种基于多参数在线辨识的无传感器高速永磁电机无差拍电流预测控制方法㊂首先推导出永磁同步电机的无差拍电流预测方程和基于反电势法的滑模观测器转子位置估计方程,分析电机模型参数误差引起的电流跟踪静差和转子位置估计偏差问题㊂为提高系统鲁棒性和稳态精度,采用基于TLS EXIN神经元求解的总体最小二乘法对电感㊁电阻及磁链参数分步辨识,在解决多参数在线辨识秩亏问题的同时,考虑观测误差和系数矩阵误差㊂根据辨识结果实时更新无差拍电流预测控制器和转子位置观测器参数㊂最后基于高速电机系统进行实验验证,结果表明本文所述方法能有效增强系统的鲁棒性,优化系统动态特性并提升系统控制精度㊂1㊀无差拍电流预测控制1.1㊀电流预测模型本文以表贴式永磁同步电机为研究对象,为简化分析,假设三相PMSM为理想电机,在忽略电机的铁心饱和,不计电机涡流和磁滞损耗,转子上无阻尼绕组且相绕组中感应电动势波形为正弦波的前提下,PMSM在同步旋转坐标系下的电压方程为:u d=Ri d+L d d i dd t-ωe L q i q;u q=Ri q+L q d i qd t+ωe L d i d+ωeψf㊂üþýïïïï(1)式中:u d㊁u q分别是定子电压的d㊁q轴分量;i d㊁i q分别是定子电流的d㊁q轴分量;L d㊁L q分别是d㊁q轴电感分量;R是定子电阻;ψf是转子永磁体磁链;ωe是转子电角速度㊂选定子电流为状态变量,对表贴式永磁同步电机有L d=L q=L,由式(1)可得PMSM的状态方程为:d i dd t=-R L i d+1L u d+ωe i q;d i qd t=-R L i q+1L u q-ωe i d-1Lωeψf㊂üþýïïïï(2)使用前向差分对电流状态方程离散化,采样周期为T,得到永磁同步电机电流预测模型为:i d(k+1)=(1-TR L)i d(k)+T L u d(k)+Tωe(k)i q(k);i q(k+1)=(1-TR L)i q(k)+T L u q(k)-Tωe(k)i d(k)-T Lψfωe(k)㊂üþýïïïïïïïï(3)1.2㊀无差拍电流预测控制原理无差拍电流预测控制的结构框图如图1所示,将电流指令值i∗(k+1)作为下一周期的电流预测值,与电机当前运行状态下的电流采样值i(k)一起代入式(3),计算使电机实际电流精确跟随指令值所需的电压矢量u(k),通过空间矢量脉冲宽度调制,生成所需要的开关信号作用于逆变器㊂速度外环仍采用经典的PI控制,所以无差拍预测控制系统依旧是双闭环系统,且与传统矢量控制结构接近,易在原有控制基础上实现㊂图1㊀PMSM无差拍电流预测控制结构框图Fig.1㊀Structure block diagram of PMSM deadbeat predictive current control根据式(3),无差拍电流预测控制的输出电压矢量方程表示如下:001电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀u d (k )=L i ∗d (k +1)-i d (k )T +Ri d (k )-Lωe (k )i q (k );u q (k )=L i ∗q (k +1)-i q(k )T+Ri q (k )+Lωe (k )i d (k )+ωe (k )ψf ㊂üþýïïïïïïïï(4)其中:R ㊁L ㊁ψf 分别代表电机电阻㊁电感和磁链参数;ωe (k )为k 时刻电角速度;i d (k )㊁i q (k )分别为k 时刻定子电流采样值的d㊁q 轴分量;i ∗d (k +1)和i ∗q (k +1)分别为k +1时刻d㊁q 轴的参考电流值,由于采样周期足够小,使用k 时刻参考电流值i ∗d(k )㊁i ∗q (k )代替㊂在2个连续的控制周期中,控制器在第1个控制周期根据当前电机的运行状态,使用控制器电机模型参数,计算出下一控制周期需要作用的电压矢量,其过程可以用式(4)表示㊂在第2个控制周期中,上一时刻计算得到的电压矢量作用于实际的电机模型,产生新的d㊁q 轴电流,其过程如下:i d (k +1)=(1-TR 0L 0)i d (k )+TL 0u d (k )+Tωe (k )i q (k );i q (k +1)=(1-TR 0L 0)i q (k )+TL 0u q (k )-Tωe (k )i d (k )-TL 0ψf0ωe (k )㊂üþýïïïïïïïïï(5)其中R 0㊁L 0㊁ψf0分别代表电机实际电阻㊁电感和磁链参数㊂将式(4)代入式(5),得到控制器电机模型参数偏离原始设计值时电流响应与给定的关系为:i d (k +1)=L L 0i ∗d (k +1)+-ΔLL 0i d(k )+ΔR L 0Ti d (k )+-ΔLL 0Tωe (k )i q (k );i q (k +1)=L L 0i ∗q (k +1)+-ΔLL 0i q (k )+ΔR L 0Ti q (k )+ΔL L 0Tωe (k )i d (k )+T L 0ωe(k )ψf ㊂üþýïïïïïïïïïïïï(6)式中ΔL ㊁ΔR ㊁Δψf 分别为控制器电机模型参数与实际参数的差值,ΔL =L -L 0,ΔR =R -R 0,ψf =ψf -ψf0㊂1.3㊀无差拍电流预测控制参数敏感性分析无差拍预测控制是一种基于电机模型的预测控制方法,这意味着无差拍预测控制器具有参数敏感性,预测模型的精度将直接影响控制性能㊂1.3.1㊀稳定性分析为讨论模型电感参数对控制器稳定性的影响,将式(6)转换到z 域㊂采用i d =0控制方式,考虑采样周期T 足够小,可得电流响应i dq 与电流给定i ∗dq 的离散域闭环传递函数为i dq(z )i ∗dq(z )=(L /L 0)zz +(L /L 0-1)㊂(7)由闭环系统稳定性条件,其闭环极点必须位于单位圆内,由此得系统稳定性条件:0<L <2L 0,即控制器模型电感小于两倍电机实际电感,若模型电感大于两倍电机实际电感,闭环极点不再位于单位圆内,导致控制电流出现振荡㊂1.3.2㊀稳态精度分析当预测模型参数与电机实际参数存在偏差时,实际电流值不能跟踪给定电流值,导致电流控制出现静差㊂为分析电气参数不准确对电机电流控制性能的影响,在电机稳定运行时,认为采样周期足够小,有i d (k +1)等于i d (k ),i q (k +1)等于i q (k ),整理式(6)得电机稳定运行时d㊁q 轴给定电流值和实际电流值受参数偏差影响的关系式为:Δi d =-ΔRT L i d (k )+ΔLL Tωe (k )i q (k );Δi q =-ΔRT L i q (k )-ΔLL Tωe (k )i d (k )-ΔψfLTωe (k )㊂üþýïïïïïï(8)其中:d 轴电流偏差Δi d =i ∗d (k +1)-i d (k +1);q 轴电流偏差Δi q =i ∗q (k +1)-i q (k +1)㊂由于采用i d =0控制策略,因此与i q 相比,i d 的作用基本可以忽略,式(8)中起主要作用的是含有电流i q 的项,因此简化为:㊀Δi d =ΔLLTωe (k )i q (k );(9)㊀Δi q =-ΔRTL i q (k )-Δψf LTωe (k )㊂(10)当电机模型参数R 不匹配时,由式(10)可以看出,若电机模型电阻大于实际电阻参数,有Δi q <0,系统稳定后q 轴电流响应i q 大于给定电流i ∗q ;反之,系统稳定后q 轴电流响应小于给定电流㊂101第9期刘㊀刚等:基于参数在线辨识的高速永磁电机无差拍电流预测控制当电机模型参数L 不匹配时,由式(9)可知,若模型电感大于电机实际电感参数,有Δi d >0,系统稳定后会出现d 轴电流响应i d 要小于给定值i ∗d的静态误差;反之,系统稳定后d 轴电流响应要大于给定值㊂当电机模型参数ψf 不匹配时,由式(10)可得,若模型磁链大于实际磁链参数,有Δi q <0,系统稳定后q 轴电流响应i q 大于给定电流i ∗q ;反之,系统稳定后q 轴电流响应小于给定电流㊂2㊀基于滑模观测器转子位置估计表贴式永磁同步电机在两相静止坐标系下的电压方程为u αu βéëêêùûúú=R +p L 0R +p L []i αi βéëêêùûúú+E αE βéëêêùûúú㊂(11)其中:p =d /d t ,为微分算子;u α㊁u β与i α㊁i β分别是定子电压和定子电流;E α㊁E β为扩展反电动势,且满足E αE βéëêêùûúú=ωe ψf -sin θe cos θe éëêêùûúú㊂(12)式中θ为转子角位置㊂由式(12)可以看出,扩展反电动势包含电机转子位置和转速的全部信息,为便于应用滑模观测器估计反电动势,基于PMSM 定子电流方程的滑模观测器设计如下:d d t i ^αi ^βéëêêùûúú=-R L i ^αi ^βéëêêùûúú+1Lu αu βéëêêùûúú-v αv βéëêêùûúú()㊂(13)采用反向差分变换法可得:i ^α(k +1)=Ai ^α(k )+B (u α(k )-v α(k ));i ^β(k +1)=Ai ^β(k )+B (u β(k )-v β(k ))㊂}(14)式中:A =exp(-R /LT );B =(1-A )/R ;i ^α㊁i ^β为定子电流观测值㊂设计滑模控制律为v αv βéëêêùûúú=k sgn(I α)k sgn(I β)éëêêùûúú㊂(15)其中:I α=i ^α-i α㊁I β=i ^β-i β为电流观测误差;sgn()为符号函数;k 为滑模增益,且满足要求:k >max{a ,b },且:a =-R |I α|+E αsgn(I α);b =-R |I β|+E βsgn(I β)㊂}(16)当观测器的状态变量达到滑模面I α=0㊁I β=0后,观测器状态将一直保持在滑模面上,由滑模控制的等效原理,估计的反电势表示为E αE βéëêêùûúú=νανβéëêêùûúúeq =k sgn (I α)eq k sgn (I β)eq éëêêùûúú㊂(17)获取反电动势之后,通过反正切函数或者锁相环即可提取转子位置信息㊂在电机高速运行时,采用滑模观测器实现转子位置估计,此时,式(16)中含有反电动势的项远大于另一项,因此含反电动势的项占据主导地位,由式(12)可知,该项与永磁体磁链有关,若将磁链辨识结果反馈至滑模系数中,可以减小位置估计误差㊂此外,式(14)含有与电阻㊁电感有关的项,若参数存在偏差在一定程度上也会降低位置估计精度,因此实现多参数在线辨识是解决参数不匹配问题㊁提高转子位置估计精度的重要手段㊂3㊀PMSM 多参数在线辨识永磁同步电机参数辨识的本质是利用输入㊁输出数据辨识电机参数㊂目前常用的参数辨识方法是递推最小二乘法,但是这种方法只考虑观测量误差,未考虑系数矩阵误差㊂另外,PMSM 数学模型的状态空间秩为2,要辨识电阻㊁电感和磁链3个参数存在方程欠秩问题,因此提出在3种时间尺度下采用TLS 方法在线分步辨识电气参数㊂3.1㊀TLS 辨识算法在实际应用中,系数矩阵误差普遍存在,通常采用最小二乘法或者RLS 辨识方法只考虑观测量误差,但是忽略了系数矩阵误差,因此得到的参数估计值不再是最优无偏估计,降低了辨识精度和响应速度㊂而TLS 算法不仅考虑到观测量误差,同时考虑了其余算法容易忽略的系数矩阵误差,因此,TLS 在辨识结果的精度方面具有更加优秀的性能,其超调量相对RLS 有所减小,且具有较快的响应速度和收敛速度㊂为提高参数辨识的准确性,选用TLS 辨识算法进行研究㊂对于TLS 回归参数的估计,常用的直接求解方法是奇异值分解,但求解计算复杂度较高,因此采用一种递归的TLS EXIN 神经元算法求解TLS 问题㊂3.2㊀TLS 多参数辨识架构如图2所示为PMSM 多参数辨识整体架构,其中,首先对变化较快的电感参数进行估计,然后估计定子电阻,最后估计变化较慢的磁链,辨识出的电感参数可以用于更新电阻和磁链,而辨识所得电阻参数可以用于更新电感和磁链,基于上述方法的多参201电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀数在线辨识同时考虑了观测量和系数矩阵的误差,在保证辨识精度的同时解决了多参数在线辨识的欠秩问题㊂图2㊀PMSM 多参数辨识整体架构Fig.2㊀Overall architecture of multi parameteridentification of PMSM3.3㊀基于TLS 的多参数在线辨识算法当系数矩阵和观测向量都包含误差时,基于总体最小二乘算法的平差模型要优于普通的最小二乘算法,表示输入输出关系的回归方程可描述为b +E b =(A +E A )x ㊂(18)其中:b 为系统观测值向量;E b 为系统观测误差向量;A 为系数矩阵;E A 为系数误差矩阵;x 为待估计参数向量㊂TLS 问题归结为解决以下优化问题:x ^=argmin A ^,b^[A ;b ]-[A ^;b ^] F ㊂(19)其中 ㊃ F 表示矩阵的Frobenius 范数㊂TLS EXIN 神经元通过递归方式解决TLS 问题,根据文献[23],通过最小化下式所示成本函数,可以得到TLS 的解,即:E TLS (x )=(Ax -b )T (Ax -b )1+x T x=[A ;b ][x T;-1]T22[x T ;-1]T 22=ðmi =1E (i )(x );(20)ðmi =1E i(x )=(a T i x -b i )21+x T x =ðnj =1(a ij x j-b i )21+x T x=δ21+x T x㊂(21)TLS EXIN 神经元是一个线性单元,具有n 个输入(向量a i ),n 个权重(向量x ),一个输出(标量y i =a T i x -b i )和一个训练误差(标量δ(k )),该方法对应的最速下降离散时间学习律为x (k +1)=x (k )-α(k )γ(k )a i +[α(k )γ2(k )]x (k )㊂(22)其中α(k )为学习率,是一个正常数函数,γ(k )定义为γ(k )=δ(k )1+x T (k )x (k )㊂(23)式中δ(k )是一个时变函数,它依赖于每个采样时间计算的残差,定义为δ(k )=a T (k )x (k )-b (k )1+x T (k )x (k )㊂(24)对式(1)中d 轴电压方程采用后向差分离散化,首先辨识电感参数,整理电感辨识模型为a L (k )x 1=b L (k )㊂(25)其中a L ㊁x 1㊁b L 分别为系数矩阵㊁待辨识参数以及观测值向量,有:b L (k )=i d (k )-i d (k -1)-Tωe (k -1)i q (k -1);a L (k )=u d (k -1)-Ri d (k -1);x 1=T /L ㊂üþýïïïïï(26)其次辨识电阻参数,根据离散化的d 轴电压方程整理辨识模型为a R (k )x 2=b R (k )㊂(27)其中a R ㊁x 2㊁b R 分别为:b R (k )=u d (k -1)+ωe (k -1)i q (k -1)L -[i d (k )-i d (k -1)]L /T ;a R (k )=i d (k -1);x 2=R ㊂üþýïïïïï(28)最后辨识磁链参数,根据离散化的q 轴电压方程整理辨识模型为a ψf (k )x 3=b ψf (k )㊂(29)其中:b ψf (k )=u q (k -1)-[i q (k )-i q (k -1)]L /T -Ri q (k -1)-ωe (k -1)i d (k -1)L ;a ψf (k )=ωe (k -1);x 3=ψf T ㊂üþýïïïïï(30)为保证解的收敛性,应使辨识参数初值x (0)=301第9期刘㊀刚等:基于参数在线辨识的高速永磁电机无差拍电流预测控制0,在辨识电感参数时先假设式(26)所需电阻参数为常数,利用TLS 辨识出电感稳态值后,再依次辨识电阻和磁链,式(28)中所需电感参数采用式(26)辨识结果,式(30)中所需电阻和电感参数采用式(26)和式(28)辨识结果,当本次电机参数辨识结果与上一次参数辨识结果之间的相对误差小于1ɢ,即可认为所辨识参数已经达到精度要求,此时可以停止迭代更新㊂在中高转速阶段,采用基于反电动势的SMO 实现转子位置估计,在启动阶段,电机的初始定位通过给定d 轴电压实现强制定位,并且利用q 轴电压开环拖动转子㊂如图3所示为基于参数辨识的无位置传感器高速永磁电机电流预测控制系统框图,在启动阶段通过电压开环拖动转子,当转速达到600r /min 时,切换到SMO 进行转子位置估计㊂采用三层TLS 算法分别对表贴式永磁同步电机的电感㊁电阻和磁链参数进行在线辨识,并将辨识结果分别反馈到电流环无差拍预测控制器及滑模观测器中,实现电流控制稳态性能和转子位置估计准确性的提高㊂图3㊀基于参数辨识的无传感器PMSM 无差拍电流预测控制系统框图Fig.3㊀Block diagram of PMSM deadbeat predictivecurrent control system without sensor based on parameter identification4㊀实验结果及分析实验平台如图4所示,使用一台600W,1对磁极的表贴式永磁同步电机,控制芯片选用TI 公司的TMS320F28069,实验所用负载类型为叶轮负载,并且在转子轴上加装一个自研的增强型磁编码器以在实验中进行转子位置估计的准确性对比㊂图4㊀实验平台Fig.4㊀Experimental platform实验使用的永磁同步电机参数如表1所示㊂表1所示电机定子电阻初始值和d㊁q 轴电感初始值采用IM3536LCR 测试仪离线测量得到,将LCR 测试仪的探头分别接到电机三相线和中线上,即可获得电机的相电阻和相电感㊂而永磁体磁链初始值则通过反拖电机并根据下式计算获得,反拖转速为100r /min,计算得到磁链值为0.0029Wb:ψf =E p ωe =2E lv 3ωe=106πp K E ㊂(31)其中:E p 是空载相反电势幅值;E lv 是线反电动势有效值;K E 是线反电动势常数;p 是极对数㊂表1㊀永磁同步电机参数Table 1㊀Parameters of permanent magnet synchronousmotor㊀㊀㊀参数数值额定功率P /W 600额定转速ω/(r /min)10000额定转矩T /(N㊃m)0.573直流母线电压U dc /V 28转动惯量J /(kg㊃m 2)0.003定子电阻R /Ω0.022d㊁q 轴定子电感L /mH 0.023永磁体磁链ψf /Wb 0.0029极对数p14.1㊀TLS 与RLS 参数辨识比较实验结果为对比TLS 和RLS 两种算法的参数辨识效果,在电机稳定运行至10000r /min 之后的0.05s 加入辨识算法,如图5所示为采用两种算法的参数辨识结果,表2为采用两种算法的辨识结果及与标称值之间的误差㊂401电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀图5㊀TLS与RLS辨识结果对比Fig.5㊀Comparison of TLS and RLS identification results表2㊀电气参数辨识结果对比Table2㊀Comparison of electrical parameter identification results参数标称值TLS辨识值TLS辨识误差RLS辨识值RLS辨识误差电感/mH0.0230.02280.87%0.02267 1.435%电阻/Ω0.0220.021840.727%0.0217 1.364%磁链/Wb0.00290.002890.345%0.00293 1.034%由图5以及表2可以看到,对于电感参数的辨识,RLS算法在辨识开始阶段波动较大,TLS辨识算法的收敛速度明显优于RLS,其辨识误差为0.87%,约为RLS辨识误差的二分之一;对于电阻参数的辨识,基于TLS的辨识算法在响应速度和辨识精度方面要优于RLS,其辨识误差为0.727%,而RLS辨识误差为1.364%;对于磁链参数的辨识,相比RLS算法,基于TLS算法的辨识误差更小,为0.345%㊂通过上述图表分析可以看出,TLS算法在表贴式永磁同步电机参数辨识过程中具有更快的收敛速度和更小的辨识误差㊂4.2㊀加入TLS参数辨识对电流控制性能的影响为验证1.3节中DPCC的参数敏感性,同时对比验证TLS辨识算法的有效性,速度环采用传统的PI控制,电机负载转矩在额定负载0.573N㊃m,转速为额定转速10000r/min㊂在10000r/min工况运行时,设置电机模型参数与本体参数不匹配,并在1.5s分别加入2种辨识算法,将辨识结果反馈至电流预测控制器㊂由于电机本体的参数不能任意修改设置,因此需要改变控制程序中的电阻㊁电感和磁链参数,以实现相应的参数不匹配,从而完成参数敏感性验证,同时通过RLS和TLS两种辨识算法的加入,对比验证TLS算法对提高电流稳态控制性能的有效性㊂图6为TLS与RLS两种算法的控制器电流响应对比,表3为TLS与RLS的dq轴电流响应误差对比㊂表3㊀两种辨识算法dq轴电流响应误差对比Table3㊀Comparison of dq axis current response errors be-tween two identification algorithms参数偏差轴原电流偏差/ATLS电流偏差/ARLS电流偏差/A R0=2R q轴0.9870.3050.607L0=2L d轴0.40780.1230.210ψf0=2ψf q轴 1.420.1420.433由图6结合表3可知,1.5s之前预测控制器参数与电机实际参数之间存在偏差,导致dq轴电流响应存在静差,电流静差情况与1.3节理论分析一致,且磁链偏差对控制电流影响最大,在1.5s时,分别采用TLS和RLS进行参数辨识,并将辨识结果注入无差拍电流预测控制器中,图6(a)㊁(c)㊁(e)为采用TLS的电流响应波形,图6(b)㊁(d)㊁(f)为采用RLS的电流响应波形㊂当实际磁链为给定值两倍时,q轴电流偏差可达1.42A,1.5s加入TLS辨识501第9期刘㊀刚等:基于参数在线辨识的高速永磁电机无差拍电流预测控制。
无差拍直接转矩控制的MRAS参数辨识方法
电气传动2018年第48卷第5期摘要：异步电机的无差拍直接转矩控制方法具有优异的动态、稳态控制性能，但其对参数准确性依赖较高，研究提出了一种适用于该控制算法的参数辨识方法，以提高算法的参数鲁棒性。
首先对参数误差对无差拍直接转矩控制性能的影响进行了理论和仿真研究，之后基于模型参考自适应方法（MRAS ）提出了一种针对励磁电感和转子时间常数的参数辨识方法。
实验证明该方法辨识结果与理论分析相一致，辨识算法的有效性得到了验证。
关键词：异步电机；无差拍直接转矩控制；磁链观测器；参数辨识；模型参考自适应系统中图分类号：TM301.2文献标识码：ADOI ：10.19457/j.1001-2095.20180501Parameter Identification Based on MRAS Deadbeat -direct Torque and Flux Control SUN Jiawei 1，ZHENG Zedong 1，LI Yongdong 1，2（1.Department of Electrical Engineering ，Tsinghua University ，Beijing 100084，China ；2.College of Electrical Engineering ，Xinjiang University ，Urumqi 830001，Xinjiang ，China ）Abstract:Deadbeat -direct torque and flux control has excellent dynamic -state and steady -state performance ，butit is also sensitive to parameter variation.Parameter identification method integrated on DB -DTFC was dedicated.First ，the parameter sensitivity of DB -DTFC was studied via theoretical analysis and simulation.Then ，a model reference adaptive system parameter identifier was proposed to estimate magnetizing inductance and rotor time constant.Experimental results are in accordance with theoretical analysis ，prove the validity of proposed method.Key words:induction machine ；deadbeat -direct torque and flux control （DB -DTFC ）；flux observer ；parameteridentification ；model reference adaptive systemELECTRIC DRIVE 2018Vol.48No.5无差拍直接转矩控制的MRAS 参数辨识方法孙嘉伟1，郑泽东1，李永东1，2（1.清华大学电机工程与应用电子技术系，北京100084；2.新疆大学电气工程学院，新疆乌鲁木齐830001）作者简介：孙嘉伟（1994-），男，硕士研究生，Email ：thu_sjw@无差拍直接转矩控制（deadbeat-direct torque and flux control ）采用逆系统模型计算可以在1个控制周期内实现转矩、定子磁链幅值指令的电压矢量［1-2］。
无速度传感器感应电机降阶磁链观测器方法及实现
第１ ７卷
第 ６期
电 机 与 控 制 学 报
ＥＬＥＣＴＲＩ Ｃ ＭＡＣＨＩ ＮＥＳ ＡＮＤ ＣＯＮＴＲＯＬ
Ｖｏ １ ．１ ７ Ｎｏ ． ６
２ ０ １ ３年 ６月
Ｊ ｕ ｎ ｅ ２ ０ １ ３
无 速 度 传 感 器 感 应 电 机 降 阶磁 链 观 测 器 方 法 及 实 现
宋 文祥 ， 周杰 ， 阮智 勇 ， 朱 洪 志
（ 上 海 大 学 机电工程与 自动化学 院 ， 上海 ２ ０ ０ ０ ７ ２ ）
摘
要： 以感应 电机模 型为基 础 的传 统磁 链 观测是 开环 概念 下的估 计方 案 ， 缺 乏对各 种干扰 进行 抑
制的机 制 ， 且在低 速运行 的 再 生制动模 式 下 ， 会存在 一 个不稳 定 的工作 区域 。对此研 究一种 基 于电 机 反 电动 势偏差 对磁链 观 测进行修 正的新 型无传 感 器 降阶磁 链 观 测 器 ， 通 过对 误 差反 馈 矩 阵的 设