[发明专利]基于扩展滑模观测器的永磁同步电机机械参数辨识方法

说明书

本发明公开了一种基于扩展滑模观测器的永磁同步电机机械参数辨识方法，步骤为：建立表贴式永磁同步电机的数学模型并经过坐标变换采用矢量控制；设计扩展滑模机械参数观并确定观测器相关参数；利用所提出的扩展滑模观测器观察系统扰动信息并从中提取阻尼系数、转动惯量、负载转矩。本发明首先将摩擦系数参数误差、转动惯量参数误差、负载转矩系统扰动作为扩展系统状态，建立扩展状态方程，用于设计扩展滑模观测器，扩展滑模观测器能实时跟踪系统状态，能软化滑模变结构控制信号；因此，扩展滑模观测器的输出可以直接用于机械参数估计，而不产生相位滞后，通过正确实时估计机械参数，从而实现永磁同步电机系统的自整定控制，并以此来实现最优控制。

技术领域

本发明涉及电机控制领域，特别涉及一种基于扩展滑模观测器的永磁同步电机机械参数辨识方法。

背景技术

永磁同步电机具有结构简单、体积小、效率高、转矩电流比高、功率密度大等优点，由其构成的交流永磁调速系统相比其他电机构成的调速系统，具有更为优越的性能。矢量控制技术是永磁同步电机系统普遍使用的一种控制方法，通过矢量控制可以实现对系统电磁转矩和磁通的解耦，从而避免交流电机本身非线性和强耦合的特性带来的影响，使系统具有较快的跟踪能力、较高的跟踪精度和良好的鲁棒性。但对于较为复杂的工况，系统的参数变化，外部的未知扰动，均会导致系统的动态性能下降，此时控制器参数应及时进行调整，抑制由此引起的系统扰动，以保证系统的良好动态性能和稳态性能。控制器参数的调整，可以来自于实际经验，但这类调整方法不具备实时性，对于参数变化频繁的工况无法适用。相较而言，控制器参数自整定技术能够在线对参数进行调整，具有较高的实时性，但该类方法的调节效果依赖于负载转矩、转动惯量等机械参数的准确性。因此，系统需要包含对系统参数进行精确辨识的机制，根据辨识值及时调整控制器参数，即可减弱甚至消除扰动对系统带来的影响。

永磁同步电机系统的机械参数主要指负载转矩、转动惯量和阻尼系数等，其中转动惯量的辨识方法通常可以分为两大类：离线辨识方法和在线辨识方法。

离线辨识方法有断电减速法、正交积分法、单钢丝扭转震荡法等，但是这些方法都无法考虑到电机在实际工程中其参数的变化，一般只用于电机控制的初始值整定，主要缺点是非实时性。在线识别通过实时监测参数，消除了离线辨识的不足，更符合实际控制要求，消极的影响是在工作过程中需要存储和计算大量数据，因此对计算机的要求也越来越高，这对辨识的准确性也有一定的影响。

在线辨识方法有状态观测器、扩展卡尔曼滤波、模型参考自适应辨识、最小二乘辨识等。基于模型参考自适应系统的参数辨识方法简单易行，已在许多实际工程应用中得到应用，但这种方法不能用于实时估计负载转矩。模型参考自适应方法可以通过不断调整自适应律或函数代价来估计参数，然而由于实际实现的复杂性和自适应增益的敏感性，使得其难以实际应用。扩展卡尔曼滤波算法将机械参数作为系统变量之一，并将其作为扩展卡尔曼滤波的直接输出。递推最小二乘算法在收敛时迭代求解最小二乘估计，最小二乘估计对初始条件的依赖性较大。虽然递推最小二乘方法可以用来估计永磁同步电机控制系统的参数，但在估计过程中需要较长的估计时间。因此，这种方法在科研实践和实际工业制造中受到限制。在进行永磁同步电机的负载转矩识别时，转动惯量被扰动观测器定义为已经被了解的参量，但在实际的生产实践中，这两个变量一般都是不知道的，这种情况下较难实现很好的辨识结果。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种能实时跟踪系统状态、可以直接用于机械参数估计且不产生相位滞后的永磁同步电机机械参数辨识方法。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种基于扩展滑模观测器的永磁同步电机机械参数辨识方法，包括以下步骤：

1)建立表贴式永磁同步电机的数学模型并经过坐标变换采用矢量控制：首先建立在A-B-C三相静止坐标系下的数学模型，得到每相电压方程、磁链方程、转矩方程和机械运动方程，再依次通过Clark变换和Park变换得到α-β两相静止坐标系和d-q轴两相旋转坐标系下的数学模型，实现励磁电流和转矩电流的完全解耦以便于控制；