李道龍，王賢會，丁 琴

（中科芯集成電路有限公司，江蘇無錫 214072）

1 引言

隨著永磁同步電機的廣泛應用，最大轉矩控制、矢量控制和弱磁控制等控制策略也被越來越多地應用在實際的電機控制當中?；陔姍C參數(shù)的矢量控制技術，能夠快速響應負載擾動和控制變化[1]。輸入電機參數(shù)的準確性會影響電機控制系統(tǒng)的控制性能。目前，電機參數(shù)可以通過電橋測量，或者通過驅動電路獲取特征值，再通過算法如遞推最小二乘法、擴展卡爾曼濾波算法，計算出電機參數(shù)。這些算法對系統(tǒng)軟硬件的要求較高[2-4]，在低端的控制芯片上難以實現(xiàn)。本文表述了一種簡化的電機參數(shù)辨識方法，并在CKSF103C8T6 的硬件平臺上實現(xiàn)了電機參數(shù)辨識。

2 電阻辨識

電機繞組按照U、V、W 的順序接到驅動板上，導通功率管Q1 和Q4。電流走向如圖1 所示，由母線電壓VCC流經(jīng)功率管Q1，由電機的U 相繞組流入電機，由V 相繞組流出電機，經(jīng)過功率管Q4，并經(jīng)過采樣電阻后流回到GND。

圖1 電阻估算時的電流走向

設該回路電流為I0，通過采集采樣電阻上的電壓，根據(jù)歐姆定律可知回路電流為

其中Usample為采樣電阻R2的電壓值。

使用電流閉環(huán)控制該回路電流I0為電機額定電流的一半。當檢測到電流閉環(huán)穩(wěn)定后，單片機保存當前時刻占空比的平均值rduty。設回路的總等效負載為：

RL為U、V 兩相電阻之和，R1為U 相采樣電阻值，R2為V 相采樣電阻值，Ron為功率管開通時的內(nèi)阻。則負載R 的等效電壓為：

根據(jù)歐姆定律有

結合式（1）（2）（3），則有電機電阻

假設三相電機的電阻值相等，即有

RU為電機U 相電阻，RV為電機V 相電阻，RW為電機W 相電阻。

3 電感辨識

在電機電阻辨識完成以后，退出電流閉環(huán)，電機電感里有初始電流I0，保持功率管Q2 和Q4 導通。此時電機電感通過Q2、Q4 續(xù)流。電感估算時的電流走向如圖2 所示，續(xù)流電流由V 相電感流出，經(jīng)過功率管Q4，經(jīng)采樣電阻R2后又經(jīng)過采樣電阻R1，流經(jīng)功率管Q2，回流到電機U 相電感中。

圖2 電感估算時的電流走向

此時，將系統(tǒng)等效為RL電路的零輸入響應[6]。電路的微分方程為

L 為U、V 兩相電感之和，i 為續(xù)流時回路中的電流值。系統(tǒng)中電流i 與時間t 的關系可以寫為

其中i0為續(xù)流時初始電流值。

經(jīng)過續(xù)流時間t0后，讀取采樣電阻反饋的電流值為i0′，即可根據(jù)式（9）求出兩相電感之和：

通過查表法求出ln(i0/i0′)，再根據(jù)式（9）求出兩相電感之和L。假設兩相電感相等，即可求出單相電感值。

4 實驗與結果

使用電橋測量得到本實驗所用永磁同步電機的單相電阻實際值為198 mΩ，電感實際值為0.46 mH。本驅動器使用的功率管為IRF540N，額定內(nèi)阻為52 mΩ，電流采樣電阻規(guī)格為25 mΩ。在此硬件平臺上，設定初始電流i0為4.5 A，使用HanTek 的CC-65電流鉗，設置檔位1 mV/10 mA，示波器上產(chǎn)生的波形如圖3 所示。A 點之前是電阻辨識產(chǎn)生的波形，A 點之后是電感辨識產(chǎn)生的波形。根據(jù)電流鉗的檔位轉換關系，圖中A 點電壓為456 mV，對應的電流為4.56 A，續(xù)流0.002 s 后，電壓下降到B 點，其電壓為152 mV，對應電機電流為1.52 A。單片機辨識算法得到的電阻和電感值如表1 所示。

表1 多次測量計算值

圖3 參數(shù)辨識產(chǎn)生的相電流示波器波形

電阻估算值與實際值進行對比，第1 次誤差為36 mΩ，第2 次誤差為32 mΩ，第3 次誤差為32 mΩ，第4 次誤差為34 mΩ。電感估算值與實際值對比，第1次誤差為0.048 mH，第2 次誤差為0.042 mH，第3 次誤差為0.042 mH，第4 次誤差為0.045 mH。從試驗數(shù)據(jù)可以看出，電阻估算值與電橋實際測量值相差32～36 mΩ。通過查閱數(shù)據(jù)手冊可知，這是由于功率管標稱的導通電阻與當前溫度下實際的導通電阻之間存在差異所致。

5 結論

本文所提出的方法辨識出的電阻與電感滿足矢量控制的要求。在電機參數(shù)未知、無測量儀器的情況下，可以簡單地實現(xiàn)電阻與電感的辨識，為矢量控制算法提供數(shù)據(jù)基礎。該測試方法對芯片運算性能要求低，代碼實現(xiàn)簡單，辨識時間短。此種方法存在的不足包括估算值為相電阻電感，辨識精度不夠高，僅適用于低端場合。未來，此辨識方法可用于檢測電機斷線、接觸不良或短路的情況。