陳志錦，馬艷

（中國(guó)兵器工業(yè)第58研究所 四川 綿陽(yáng) 621000）

永磁同步電機(jī)參數(shù)自動(dòng)辨識(shí)方法研究

陳志錦，馬艷

（中國(guó)兵器工業(yè)第58研究所 四川 綿陽(yáng) 621000）

針對(duì)不同電機(jī)參數(shù)上存在差異只適用于某種特定參數(shù)的交流伺服驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)，提出了一種基于Smith預(yù)估補(bǔ)償和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID控制器相結(jié)合的永磁同步電機(jī)自動(dòng)辨識(shí)控制算法。該方法利用了Smith預(yù)估補(bǔ)償能克服純滯后和RBF能處理非線(xiàn)性問(wèn)題、在線(xiàn)自學(xué)習(xí)整定PID參數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，在調(diào)速模塊的伺服控制系統(tǒng)中更加有效。通過(guò)系統(tǒng)建模和仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法能夠有效辨識(shí)定子電阻、電感，并得到較為理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

永磁同步電機(jī)；Smith預(yù)估補(bǔ)償；RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；PID控制

伺服系統(tǒng)常用的電機(jī)類(lèi)型有永磁直流電機(jī)、交流永磁同步電機(jī)、異步伺服電機(jī)等。交流永磁同步電機(jī)（permanent magnet synchronous motor，PMSM）具有體積小、質(zhì)量輕、效率高、慣性低及轉(zhuǎn)子無(wú)發(fā)熱等優(yōu)點(diǎn)，在伺服系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。永磁同步電機(jī)在高精度位置伺服系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，傳統(tǒng)上一般采用位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)的3環(huán)控制，控制器一般采用PID控制器或其改進(jìn)型［1］。

目前，矢量控制技術(shù)使永磁同步電機(jī)越來(lái)越廣泛地進(jìn)入到高性能工業(yè)或軍事應(yīng)用領(lǐng)域中。矢量控制技術(shù)一般使用PI或者PID作為電流控制器，在矢量控制系統(tǒng)中，電流環(huán)是調(diào)速系統(tǒng)中響應(yīng)最快的一環(huán)，其控制器參數(shù)的優(yōu)劣將直接影響到整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的性能，而根據(jù)經(jīng)典控制理論方法可知，對(duì)電流控制器參數(shù)影響最為直接的便是電機(jī)的定子電阻和電感［2］。電機(jī)的電阻和永磁體供磁能力會(huì)因?yàn)闇囟鹊淖兓l(fā)生變化［3］；d-q軸電感值會(huì)因不同運(yùn)行條件下電流變化所引起的不同程度磁飽和而發(fā)生變化［4］，這些參數(shù)的變化將導(dǎo)致電流控制器PI參數(shù)與實(shí)際運(yùn)行條件不匹配，導(dǎo)致系統(tǒng)性能明顯下降。因此，對(duì)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的辨識(shí)將直接決定電流控制器控制性能的好壞，進(jìn)而影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能［5］。

由于不同電機(jī)在極對(duì)數(shù)、編碼器線(xiàn)數(shù)和安裝位置等參數(shù)上存在差異，通常的交流伺服驅(qū)動(dòng)器只能適配固定型號(hào)或品牌的電機(jī)，當(dāng)交流伺服系統(tǒng)采用新電機(jī)時(shí)，一般都需要重新燒寫(xiě)相應(yīng)軟件對(duì)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行修改。而具備電機(jī)自動(dòng)辨識(shí)功能的交流伺服驅(qū)動(dòng)器則可方便的對(duì)電機(jī)進(jìn)行辨識(shí)并自動(dòng)進(jìn)行參數(shù)匹配及存儲(chǔ)。

1 永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

永磁同步電機(jī)調(diào)速如圖1所示。由于電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化比電流的變化慢得多，可以認(rèn)為電機(jī)電流在調(diào)節(jié)時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速是常數(shù)值，于是電機(jī)的電流環(huán)控制對(duì)象可以簡(jiǎn)化為如下的一階慣性環(huán)節(jié)：

圖1 永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)框圖Fig.1 Speed control system diagram of PMSM

當(dāng)電流環(huán)采用電流反饋解耦PI控制時(shí)，PI控制器的傳遞函數(shù)為：

如果取Ki/Kp=L/Rs，則閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：

閉環(huán)傳遞函數(shù)還是為一階慣性環(huán)節(jié)，其電流環(huán)的帶寬Wb=Kp/L。

2 永磁同步電機(jī)參數(shù)自動(dòng)辨識(shí)算法

2.1 RBF網(wǎng)絡(luò)PID整定原理

RBF網(wǎng)整定PID控制參數(shù)采用增量式PID控制器，控制誤差為：error（k）=rin（k）-yout（k）

神經(jīng)元PID控制器的三項(xiàng)輸入為：

控制算法為：

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定指標(biāo)為：

kp，ki，kd的調(diào)整采用梯度下降法：

2.2 Smith預(yù)估補(bǔ)償控制原理

Smith預(yù)估補(bǔ)償控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。Smith預(yù)估補(bǔ)償是在PID控制器中引入預(yù)估補(bǔ)償器DC（s），將其并聯(lián)在控制器DC（s）上。其傳遞函數(shù)為：DC（s）=GC（s）（1-e-τms）。

圖2 Smith預(yù)估補(bǔ)償控制系統(tǒng)框圖Fig.2 Control system diagram of Smith predictive compensation

圖中虛線(xiàn)部分是帶純滯后補(bǔ)償控制的控制器，其傳遞函數(shù)為

如果模型精確，可令其等于GC（s）=GP（s），τm=τ且不存在負(fù)荷擾動(dòng)，r（s）=0，

經(jīng)過(guò)純滯后補(bǔ)償控制后系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

經(jīng)補(bǔ)償后，實(shí)現(xiàn)了將純滯后環(huán)節(jié)移到閉環(huán)控制回路之外，純滯后環(huán)節(jié)e-τs已經(jīng)不出現(xiàn)在分母中，從而有效地消除了純滯后對(duì)控制系統(tǒng)的影響。

2.3 Smith預(yù)估補(bǔ)償與RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制算法

Smith預(yù)估補(bǔ)償與RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不依賴(lài)于控制對(duì)象的精確模型的優(yōu)點(diǎn)和在線(xiàn)學(xué)習(xí)方法，利用Smith預(yù)估補(bǔ)償器對(duì)純滯后系統(tǒng)的良好控制，以及利用PID控制能實(shí)現(xiàn)小偏差范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)精確控制，達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的作用。

圖3 Smith預(yù)估補(bǔ)償與RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制框圖Fig.3 Control diagram of Smith predictive compensation and RBF neural network setting PID

2.4 算法仿真

3 系統(tǒng)建模及仿真

本系統(tǒng)調(diào)用了Matlab/Simulink中的PMSM模塊，功率電子IGBT模塊，測(cè)量模塊以及相關(guān)的控制模塊來(lái)完成系統(tǒng)仿真平臺(tái)的搭建。PMSM參數(shù)設(shè)置如表1所示。

根據(jù)仿真平臺(tái)和上面介紹的辨識(shí)方法，依次對(duì)永磁同步電機(jī)的定子電阻、電感進(jìn)行辨識(shí)，這樣的辨識(shí)順序可以保證每一個(gè)參數(shù)辨識(shí)完成后的電機(jī)狀態(tài)、辨識(shí)結(jié)果可以為下一個(gè)參數(shù)的辨識(shí)提供依據(jù)和便利。

辨識(shí)定子電阻與電感過(guò)程中，由于避開(kāi)了上下管交替開(kāi)通關(guān)斷的時(shí)刻，所以不存在死區(qū)效應(yīng)，不需要對(duì)死區(qū)進(jìn)行補(bǔ)償。

圖4 MATLAB仿真Fig.4 The simulation of MATLAB

表1 PMSM仿真參數(shù)Tab.1 The simulation parameters of PMSM

3.1 辨識(shí)定子電阻仿真實(shí)驗(yàn)

首先進(jìn)行相對(duì)容易辨識(shí)的定子電阻參數(shù)辨識(shí)，驗(yàn)證前面的分析結(jié)論。

仿真系統(tǒng)直流母線(xiàn)電壓為310 V，系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)頻率為10 kHz。開(kāi)始施加占空比為5%的電壓矢量（1，0，0），這樣一方面可以根據(jù)d軸電流為穩(wěn)態(tài)值計(jì)算出定子電阻值，另外也確定了轉(zhuǎn)子的位置。

圖5 參數(shù)辨識(shí)仿真模型Fig.5 Simulation model of parameter identification

在辨識(shí)電阻時(shí)主要關(guān)注電流的穩(wěn)態(tài)波形，于是放大第一次上升過(guò)程后d軸電流的穩(wěn)態(tài)波形得到圖6。

由圖可以看到由于施加PWM開(kāi)關(guān)等效的電壓矢量，穩(wěn)態(tài)電流波形存在固定開(kāi)關(guān)頻率的抖動(dòng)，于是對(duì)穩(wěn)態(tài)波形增加一個(gè)濾波環(huán)節(jié)而得到一個(gè)較為平滑的電流穩(wěn)態(tài)波形，如圖7所示。

電流大小為3.9 A，可以得到定子電阻為：

這與真實(shí)結(jié)果相比誤差為0.37%，比較微小。

圖6 電流波形Fig.6 The current waveform

圖7 平滑后電流波形Fig.7 The smooth current waveform

3.2 辨識(shí)定子電感仿真實(shí)驗(yàn)

在較為準(zhǔn)確的辨識(shí)了電阻值之后進(jìn)行電感的辨識(shí)。從圖8中看到施加固定電壓矢量使得電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)值從而辨識(shí)完定子電阻后，關(guān)閉PWM信號(hào)使得電流歸零。然后在0.2 s時(shí)施加占空比為5%的電壓矢量（1，0，0），觀察d軸上升曲線(xiàn)，從而開(kāi)始對(duì)定子電感進(jìn)行辨識(shí)。

圖8 上升波形Fig.8 The rising waveform

根據(jù)對(duì)電機(jī)模型的理論推導(dǎo)，這一上升曲線(xiàn)應(yīng)為標(biāo)準(zhǔn)的指數(shù)曲線(xiàn)，時(shí)間常數(shù)為L(zhǎng)d/R，分別取不同時(shí)刻采樣電流值計(jì)算定子電感：

結(jié)果誤差都在2%以?xún)?nèi)，驗(yàn)證了之前理論推導(dǎo)的正確性。

4 結(jié) 論

文中提出一種基于Smith預(yù)估補(bǔ)償與RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制算法的永磁電機(jī)參數(shù)自動(dòng)辨識(shí)方法，通過(guò)系統(tǒng)建模和仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法能夠有效辨識(shí)定子電阻、電感，并得到較為理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

［1］王宏，于泳，徐殿國(guó).永磁同步電動(dòng)機(jī)位置伺服系統(tǒng)［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2004，24（7）:151-155.

［2］Antonio Visioli.Practical PID control［M］.London:Springer，2006.

［3］Wilson S D，Stewart P，Taylor B P.Methods ofresistance estimation in permanent magnet synchronousmotors for realtime thermal management［J］.IEEETransactions on Energy Conversion，2010，25（3）:698-707.

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［5］楊立永，張?jiān)讫?，陳智剛，?基于參數(shù)辨識(shí)的PMSM電流環(huán)在線(xiàn)自適應(yīng)控制方法 ［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27（3）：86-91.

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Research on parameter automatic identification of PMSM

CHEN Zhi-jin，MA Yan
（N0.58 Research Institute of China Ordnance Industries，Mianyang 621000，China）

According tothe characteristics of different parameters of AC servo drive motor difference is only applicable to a specific parameter，a permanent magnet synchronous motor （PMSM）parameter automatic identificationcontrol algorithm which based on Smith predictive compensation and RBF neural network combined with PID controller is introduced in the study.The method uses a Smith predictor to overcome the pure lag and RBF can deal with nonlinear problems，online learning setting PID parameter advantages，is more effective in PMSM parameter automatic identification control system.Finally，the paper establishesthesimulationmodeofthecontrol algorithm，experimental results show that，the algorithm can effectively identify the stator resistance，inductance，and get ideal experimental results.

PMSM；Smith predictive compensation；RBF neural network；PID control

TN-9

A

1674－6236（2016）04-0144-04

2015-07-27 稿件編號(hào)：201507174

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61133016）

陳志錦（1979—），男，云南麗江人，碩士，高級(jí)工程師。研究方向：數(shù)控技術(shù)。