一种基于失配门控更新的永磁同步电机控制方法及系统

本发明涉及电机控制，具体是涉及一种基于失配门控更新的永磁同步电机控制方法及系统。

背景技术：

1、永磁同步电机具有功率密度高、运行效率高、动态响应快及调速性能良好等优点，广泛应用于新能源汽车、工业伺服和电气传动等领域。永磁同步电机矢量控制通常需要准确获得转子位置和转速信息，采用机械式位置传感器会增加系统成本、安装空间及故障风险，因此，基于定子电压、电流进行转子位置与转速估计的无位置传感器控制技术受到广泛关注。

2、扩展卡尔曼滤波器能够根据永磁同步电机的非线性数学模型以及定子电压、定子电流等测量信号，对定子电流、转子电角速度和转子电角度等状态进行递推估计。然而，其估计精度较大程度上依赖电机模型参数的准确性。电机运行过程中，定子电阻会随绕组温度变化，永磁体磁链也会受到温度、磁饱和及退磁等因素影响。当扩展卡尔曼滤波器采用的定子电阻或永磁体磁链与实际参数不一致时，容易产生电流预测误差及转速、转子位置估计偏差。

3、在无位置传感器速度闭环控制系统中，扩展卡尔曼滤波器输出的估计速度通常直接作为速度调节器的反馈信号。参数失配引起的速度估计偏差会进一步影响转矩电流指令和实际转速跟踪性能。现有在线参数辨识方法虽然能够对变化参数进行估计，但定子电阻和永磁体磁链在电压模型中存在耦合关系，在启动、快速加减速、负载突变及低激励工况下，容易出现参数误判、辨识波动或错误收敛。

4、此外，参数辨识通常需要一定的收敛时间，难以及时消除参数突变造成的速度反馈偏差；若将未经稳定性判断和平滑处理的辨识参数直接更新至扩展卡尔曼滤波预测模型，还可能引起模型参数突变和状态估计波动。因此，有必要对参数失配条件下的速度反馈补偿、参数辨识门控及模型参数安全更新机制进行改进。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，提供一种基于失配门控更新的永磁同步电机控制方法及系统，本技术方案解决了上述背景技术中提到的至少一项技术问题。

2、为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种基于失配门控更新的永磁同步电机控制方法，包括：

4、采集永磁同步电机的三相定子电压和三相定子电流，经坐标变换获得静止两相坐标系下的定子电压和定子电流，以及同步旋转坐标系下的定子电压和定子电流；

5、以所述定子电压为系统输入，以所述定子电流为观测量，通过状态扩展卡尔曼滤波器对永磁同步电机的运行状态进行递推估计识别永磁同步电机的动态工况，并获得预测定子电流和估计转子电角速度；

6、根据所述定子电流与所述预测定子电流之间的偏差构造电流创新向量，并根据所述电流创新向量确定速度修正量；

7、当永磁同步电机未出现动态工况且所述永磁同步电机的运行状态与所述状态扩展卡尔曼滤波器的预测模型之间存在持续不一致时，根据所述速度修正量对所述估计转子电角速度进行修正，获得修正速度反馈；

8、根据所述同步旋转坐标系下的定子电压、定子电流及所述修正速度反馈构造参数相关模型残差，并根据所述参数相关模型残差确定参数失配状态；

9、根据所述参数失配状态，采用递推辨识方法选择性更新定子电阻候选值或永磁体磁链候选值，并抑制另一参数候选值的同步更新；

10、对所述定子电阻候选值和所述永磁体磁链候选值进行稳定性确认，根据稳定确认结果确定参数失配确认模式，并锁存被确认失配参数的稳定值；

11、根据所述参数失配确认模式，在所述锁存稳定值与对应外部参数基准之间进行参数选通，并进行安全处理，获得安全传递定子电阻和安全传递永磁体磁链；

12、将所述安全传递定子电阻和安全传递永磁体磁链反馈至所述状态扩展卡尔曼滤波器，更新所述状态扩展卡尔曼滤波器的模型参数。

13、优选的，所述以所述定子电压为系统输入，以所述定子电流为观测量，通过状态扩展卡尔曼滤波器对永磁同步电机的运行状态进行递推估计识别永磁同步电机的动态工况具体包括：

14、以所述定子电压为系统输入，以所述定子电流为观测量，并以当前定子电阻和当前永磁体磁链为模型参数，估计转子电角速度、估计转子电角度及估计负载转矩，其中当前定子电阻和当前永磁体磁链采用上一采样周期的安全传递定子电阻和安全传递永磁体磁链；

15、获取系统运行时间，当所述系统运行时间小于预设启动屏蔽时间，或者所述估计转子电角速度、交轴定子电流或估计负载转矩的变化量或变化率的绝对值超过对应的动态工况判定阈值时，将动态工况标志置为有效状态，判定永磁同步电机出现动态工况，否则判定永磁同步电机未出现动态工况。

16、优选的，所述当永磁同步电机未出现动态工况且所述永磁同步电机的运行状态与所述状态扩展卡尔曼滤波器的预测模型之间存在持续不一致时，根据所述速度修正量对所述估计转子电角速度进行修正，获得修正速度反馈具体包括：

17、根据两相静止坐标系下的实测定子电流与所述状态扩展卡尔曼滤波器输出的预测定子电流之间的偏差，构造第个采样时刻的电流创新向量：

18、

19、其中，为第个采样时刻的实测定子电流向量，为根据第个采样时刻的校正状态预测得到的第个采样时刻的定子电流向量，和分别为所述电流创新向量在轴和轴上的分量；

20、根据所述电流创新向量的平方模构造瞬时创新能量：

21、

22、对所述瞬时创新能量进行低通滤波，获得滤波创新能量指标：

23、

24、其中，为创新能量低通滤波系数；

25、根据所述先验预测状态中的预测转子电角度，确定转子电角速度对预测定子电流的速度敏感方向，并将所述电流创新向量投影至所述速度敏感方向，获得速度方向创新量：

26、

27、当所述动态工况标志处于无效状态时，当所述滤波创新能量指标连续预设数量的采样周期不小于补偿开启阈值时，将所述速度反馈补偿使能标志置为开启状态；

28、当所述滤波创新能量指标连续预设数量的采样周期不大于补偿关闭阈值时，将所述速度反馈补偿使能标志置为关闭状态；

29、当所述滤波创新能量指标位于所述补偿关闭阈值与补偿开启阈值之间时，保持上一采样周期的速度反馈补偿使能状态；

30、当速度反馈补偿使能标志为开启状态时，根据所述速度方向创新量生成原始速度修正量：

31、

32、其中，为第个采样时刻的原始速度修正量，为速度方向创新量与速度修正量之间的转换系数，为第个采样时刻的速度方向创新量。

33、对所述原始速度修正量依次进行幅值限制、低通滤波、补偿权重渐变和变化率限制，得到最终应用速度修正量，并将所述最终应用速度修正量与状态扩展卡尔曼滤波器输出的估计转子电角速度叠加，得到修正后的速度反馈：

34、

35、其中，为第个采样时刻的修正速度反馈，为状态扩展卡尔曼滤波器输出的估计转子电角速度，为经过平滑处理和约束后的最终应用速度修正量。

36、优选的，所述根据所述同步旋转坐标系下的定子电压、定子电流及所述修正速度反馈构造参数相关模型残差，并根据所述参数相关模型残差确定参数失配状态具体包括：

37、由独立于参数辨识过程的温度基准生成过程，根据定子绕组温度与预设电阻—温度关系生成外部定子电阻基准，并根据永磁体温度表征量与预设磁链—温度关系生成外部永磁体磁链基准；

38、根据上一采样周期的参数失配确认模式，在所述外部参数基准与上一采样周期的安全传递参数之间进行选择，生成当前采样周期的定子电阻参考值和永磁体磁链参考值：

39、

40、

41、其中，和分别为上一采样周期的安全传递定子电阻和安全传递永磁体磁链；

42、、和分别表示未确认参数失配、确认定子电阻失配和确认永磁体磁链失配；

43、当同步旋转坐标系下的交轴定子电流的变化率绝对值不大于预设稳态阈值时，基于永磁同步电机的轴准稳态电压关系构造参数相关模型残差：

44、

45、其中，为第个采样周期同步旋转坐标系下的交轴定子电压，和分别为直轴定子电流和交轴定子电流，为直轴电感，为修正速度反馈，和分别为定子电阻参考值和永磁体磁链参考值；

46、当不小于预设电流阈值时，以所述永磁体磁链参考值作为已知参数，计算等效定子电阻：

47、

48、当不小于预设速度阈值时，以所述定子电阻参考值作为已知参数，计算等效永磁体磁链：

49、

50、根据所述参数相关模型残差、等效定子电阻相对于定子电阻参考值的偏差、等效永磁体磁链相对于永磁体磁链参考值的偏差、运行激励条件及各偏差的持续状态，生成参数失配初判模式，包括暂不判断状态、参数匹配状态、定子电阻失配状态、永磁体磁链失配状态、复合失配状态和激励不足状态。

51、优选的，根据所述参数失配状态，采用递推辨识方法选择性更新定子电阻候选值或永磁体磁链候选值，并抑制另一参数候选值的同步更新具体包括：

52、在所述定子电阻失配状态下，将永磁体磁链参考值作为定子电阻辨识过程中的固定参数，更新定子电阻候选值，并使永磁体磁链候选值满足；

53、在所述永磁体磁链失配状态下，将定子电阻参考值作为永磁体磁链辨识过程中的固定参数，更新永磁体磁链候选值，并使定子电阻候选值满足；

54、在所述复合失配状态下，分别比较等效定子电阻相对于定子电阻参考值的归一化偏差，以及等效永磁体磁链相对于永磁体磁链参考值的归一化偏差，将归一化偏差较大的参数确定为当前待更新参数，并保持另一参数候选值不变，当所述当前待更新参数的候选值满足稳定条件后，根据候选参数的稳定确认时序、偏差程度或辨识可信度确定主要失配参数，锁存所述主要失配参数的稳定值，并将另一参数的偏离作为参数耦合响应处理，不生成另一参数的失配确认结果；

55、在所述暂不判断状态、参数匹配状态或激励不足状态下，暂停定子电阻候选值和永磁体磁链候选值的递推更新，并保持已有候选值；

56、针对所述参数失配初判模式确定的待更新参数，采用快速遗忘递推最小二乘方法计算定子电阻候选值或永磁体磁链候选值；将所述待更新参数统一表示为，并构造单参数回归模型：

57、

58、其中，为根据永磁同步电机电压关系构造的回归输出量，为与所述待更新参数对应的回归变量，为辨识残差；

59、将当前采样周期用于递推计算的先验递推协方差记为；

60、当所述参数失配初判模式切换至与所述待更新参数对应的参数失配状态，或者所述辨识残差的绝对值不小于预设残差阈值时，将遗忘因子设置为快速遗忘因子，并按照预设协方差放大系数对上一采样周期的递推协方差进行放大，即：

61、

62、在其余允许参数更新的采样周期内，将遗忘因子设置为慢速遗忘因子，并令：

63、

64、其中，，；

65、所述待更新参数的候选值、递推增益和递推协方差按照下式更新：

66、

67、

68、

69、当所述待更新参数为定子电阻时，作为定子电阻候选值，当所述待更新参数为永磁体磁链时，作为永磁体磁链候选值。

70、优选的，所述在满足运行激励条件时，将所述等效定子电阻和等效永磁体磁链分别作为定子电阻和永磁体磁链的原始辅助观测值，并进行低通滤波，得到定子电阻辅助观测值和永磁体磁链辅助观测值：

71、

72、

73、其中，，；

74、所述定子电阻辅助观测值和永磁体磁链辅助观测值用于表征对应参数的变化趋势，并分别与定子电阻候选值和永磁体磁链候选值进行一致性比较，以辅助判断参数辨识结果的可信度；

75、所述辅助观测值不替代所述参数候选值，且不直接用于参数选通或所述状态扩展卡尔曼滤波器预测模型的参数更新。

76、优选的，所述对所述定子电阻候选值和所述永磁体磁链候选值进行稳定性确认，根据稳定确认结果确定参数失配确认模式，并锁存被确认失配参数的稳定值具体包括：

77、分别对定子电阻候选值和永磁体磁链候选值进行连续稳定性监测；

78、当候选参数在预设时间内的波动幅度或变化率满足稳定条件时，计算对应的稳定代表值；将所述候选参数统一表示为，所述稳定代表值表示为：

79、

80、其中，为第个采样周期的候选参数，对应于定子电阻候选值或永磁体磁链候选值，为候选参数的稳定代表值，对应于定子电阻稳定代表值或永磁体磁链稳定代表值，为稳定监测时间窗口内的采样点数；

81、将所述稳定代表值与对应的外部参数基准进行比较；

82、当一个候选参数稳定且偏离对应的外部参数基准，而另一候选参数稳定在对应外部参数基准附近时，确认前一参数失配；

83、当定子电阻候选值和永磁体磁链候选值均稳定且偏离对应的外部参数基准时，根据二者的稳定确认时序、偏差程度或辨识可信度进行参数耦合仲裁，确定参数失配确认模式；

84、当确认定子电阻失配时，设定，将定子电阻稳定代表值锁存为定子电阻锁存值；

85、当确认永磁体磁链失配时，设定，将永磁体磁链稳定代表值锁存为永磁体磁链锁存值。

86、优选的，所述根据所述参数失配确认模式，在所述锁存稳定值与对应外部参数基准之间进行参数选通，并进行安全处理，获得安全传递定子电阻和安全传递永磁体磁链具体包括：

87、根据参数失配确认模式，在外部参数基准与锁存的参数稳定值之间进行选通，确定待传递定子电阻和待传递永磁体磁链：

88、

89、

90、其中，和分别为锁存的定子电阻稳定值和永磁体磁链稳定值；、和分别表示未确认参数失配、确认定子电阻失配和确认永磁体磁链失配；

91、对所述待传递定子电阻和待传递永磁体磁链进行输入异常保护、死区处理、低通滤波、变化率限制和物理边界约束，获得安全传递定子电阻和安全传递永磁体磁链；

92、所述安全传递定子电阻和安全传递永磁体磁链经一个采样周期延时后，分别作为下一采样周期所述状态扩展卡尔曼滤波器预测模型采用的定子电阻和永磁体磁链。

93、进一步的，提出一种基于失配门控更新的永磁同步电机控制系统，用于实现如上述的基于失配门控更新的永磁同步电机控制方法，包括信号采集与坐标变换模块、速度调节模块、电流调节模块、空间矢量脉宽调制模块、逆变器、永磁同步电机、状态扩展卡尔曼滤波模块、创新量速度反馈补偿模块以及失配模式门控参数辨识与安全更新模块；

94、所述信号采集与坐标变换模块用于采集所述永磁同步电机的定子电压和定子电流，并生成两相静止坐标系和同步旋转坐标系下的定子电压及定子电流；

95、所述状态扩展卡尔曼滤波模块用于根据两相静止坐标系下的定子电压、定子电流以及经一个采样周期延时的安全传递定子电阻和安全传递永磁体磁链进行状态递推，输出预测定子电流、估计转子电角速度、估计转子电角度和估计负载转矩；

96、所述创新量速度反馈补偿模块用于根据所述定子电流与预测定子电流之间的偏差构造电流创新向量，根据所述电流创新向量获得滤波创新能量指标和速度方向创新量，并在排除动态工况后生成修正速度反馈，所述修正速度反馈分别传递至所述速度调节模块和失配模式门控参数辨识与安全更新模块；

97、所述失配模式门控参数辨识与安全更新模块用于根据同步旋转坐标系下的定子电压、定子电流及所述修正速度反馈进行参数失配初判，并根据参数失配初判模式选择性更新定子电阻候选值或永磁体磁链候选值，经稳定确认、参数耦合仲裁、参数选通和安全处理后，输出所述安全传递定子电阻和安全传递永磁体磁链(k)至所述状态扩展卡尔曼滤波模块。

98、可选的，所述创新量速度反馈补偿模块包括创新量生成子模块、动态工况识别子模块、补偿使能判定子模块和速度修正子模块；

99、所述创新量生成子模块用于生成电流创新向量、滤波创新能量指标和速度方向创新量，所述动态工况识别子模块和补偿使能判定子模块用于确定速度反馈补偿使能状态，所述速度修正子模块用于根据所述速度方向创新量生成修正速度反馈；

100、所述失配模式门控参数辨识与安全更新模块包括反馈参考生成子模块、参数失配初判子模块、分模式参数辨识子模块、稳定确认与耦合仲裁子模块、参数选通子模块和参数安全后处理子模块；

101、所述反馈参考生成子模块用于根据上一采样周期的参数失配确认模式、安全传递定子电阻、安全传递永磁体磁链及对应的外部参数基准，生成当前采样周期的定子电阻参考值和永磁体磁链参考值；

102、所述参数失配初判子模块用于根据同步旋转坐标系下的定子电压、定子电流、所述修正速度反馈及所述定子电阻参考值和永磁体磁链参考值，构造参数相关模型残差并确定参数失配初判模式；

103、所述分模式参数辨识子模块用于根据所述参数失配初判模式，选择性更新定子电阻候选值或永磁体磁链候选值，并保持另一参数候选值不变；

104、所述稳定确认与耦合仲裁子模块用于对所述定子电阻候选值和永磁体磁链候选值进行稳定性监测和参数耦合仲裁，确定参数失配确认模式，并锁存被确认失配参数的稳定值；

105、所述参数选通子模块用于根据所述参数失配确认模式，在所述锁存的稳定值与对应外部参数基准之间进行参数选通；

106、所述参数安全后处理子模块用于对选通后的参数进行安全处理，输出安全传递定子电阻和安全传递永磁体磁链；所述安全传递定子电阻和安全传递永磁体磁链经采样延时后更新至所述状态扩展卡尔曼滤波模块，并与所述参数失配确认模式经采样延时后反馈至所述反馈参考生成子模块。

107、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

108、本发明根据状态扩展卡尔曼滤波器的电流创新信息构造滤波创新能量指标和速度方向创新量，并在排除启动、快速加减速及负载突加或负载突卸等动态工况后，对估计转子电角速度进行有条件、平滑且有界的反馈修正，能够在参数辨识及模型参数更新尚未完成时，快速减小参数失配对速度闭环控制性能的影响；同时，根据参数失配初判模式对定子电阻和永磁体磁链实施分模式参数辨识，在更新其中一个参数候选值时抑制另一参数候选值的同步更新，并通过候选参数稳定性监测、外部参数基准比较及参数耦合仲裁确定参数失配确认模式，能够降低定子电阻与永磁体磁链之间的辨识耦合，避免未经确认或尚未稳定的辨识参数直接更新状态扩展卡尔曼滤波预测模型；此外，通过对选通后的参数进行输入异常保护、死区处理、低通滤波、变化率限制和物理边界约束，并将获得的安全传递参数更新至状态扩展卡尔曼滤波预测模型及反馈至下一采样周期，可提高永磁同步电机在参数漂移、参数突变及负载扰动条件下的状态估计精度、运行稳定性和鲁棒性。