永磁同步電機(jī)（permanent magnet synchronous motor, PMSM）以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率密度高、控制性能好等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。電機(jī)的高性能運(yùn)行需要獲取精確的定子電阻Rs、dq軸電感Ld、Lq以及轉(zhuǎn)子磁鏈值，但這些電磁參數(shù)會(huì)隨電機(jī)負(fù)載以及溫度改變而發(fā)生變化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致電機(jī)系統(tǒng)故障。

例如在電機(jī)實(shí)際運(yùn)行過程中，電機(jī)散熱或其他損耗因素導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行溫度升高，從而導(dǎo)致定子電阻阻值增加、磁鏈值減少，降低電機(jī)的控制效果甚至造成電機(jī)的永久損壞。獲取準(zhǔn)確的電機(jī)參數(shù)可以改善電機(jī)的控制性能，提高電機(jī)的運(yùn)行效率。

準(zhǔn)確獲取定子電阻值與電感值可以實(shí)現(xiàn)比例積分控制器（proportional-integral controller, PI）參數(shù)的整定計(jì)算，電機(jī)電感與磁鏈值的精確獲取有利于提高電機(jī)解耦控制的解耦效果。因此，實(shí)現(xiàn)電機(jī)參數(shù)實(shí)時(shí)精確獲取對(duì)PMSM控制系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。

PMSM參數(shù)變化原因

電機(jī)控制系統(tǒng)高性能運(yùn)行需要獲取精確的參數(shù)，電機(jī)參數(shù)會(huì)因其運(yùn)行溫度而改變，其中定子電阻、鐵磁材料的磁導(dǎo)率與溫度有非線性關(guān)系，在對(duì)功率密度要求較高的領(lǐng)域，電機(jī)溫度的變化會(huì)導(dǎo)致電樞電阻出現(xiàn)20%～40%的變化以及永磁體磁鏈出現(xiàn)20%的變化，溫度變化范圍較大時(shí)，甚至導(dǎo)致永磁體失磁。

另外電機(jī)合成磁場(chǎng)諧波產(chǎn)生的渦流也會(huì)引起永磁體永久失磁。除了溫度的影響外，磁路飽和程度對(duì)電機(jī)參數(shù)的影響也逐漸得到關(guān)注，磁路飽和會(huì)對(duì)Ld、Lq產(chǎn)生影響。

綜上所述，由于溫度以及磁路飽和造成電機(jī)參數(shù)改變導(dǎo)致PMSM控制性能下降，因此電機(jī)參數(shù)精確辨識(shí)并通過控制器自適應(yīng)更新可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)高性能運(yùn)行。PMSM參數(shù)辨識(shí)方法主要分為離線辨識(shí)與在線辨識(shí)。

技術(shù)特點(diǎn)

離線辨識(shí)需要電機(jī)保持靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)對(duì)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，但在實(shí)際的應(yīng)用過程中，電機(jī)的溫度隨負(fù)載的變化而改變，因此離線辨識(shí)對(duì)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)參數(shù)辨識(shí)意義不大。

永磁電機(jī)在線辨識(shí)的幾類方法中，最小二乘法辨識(shí)過程簡(jiǎn)單且計(jì)算量適中，但在參數(shù)辨識(shí)時(shí)存在目標(biāo)函數(shù)對(duì)電機(jī)參數(shù)求導(dǎo)的過程，噪聲或者電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)都會(huì)對(duì)求導(dǎo)過程造成影響。模型參數(shù)自適應(yīng)法具有算法簡(jiǎn)單和易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，但可調(diào)的自適應(yīng)模型復(fù)雜不易建立。

擴(kuò)展卡爾曼濾波雖然克服了卡爾曼濾波僅適用于線性系統(tǒng)以及噪聲敏感的問題，但由于其每一步都要進(jìn)行矩陣和矢量運(yùn)算，導(dǎo)致辨識(shí)過程中計(jì)算量巨大且當(dāng)辨識(shí)參數(shù)較多時(shí)計(jì)算非常復(fù)雜。智能算法在參數(shù)辨識(shí)中有良好的辨識(shí)結(jié)果，但智能算法存在前期需要數(shù)據(jù)量大、計(jì)算復(fù)雜度很大和對(duì)硬件的要求很高等問題，普通的控制器達(dá)不到理想效果。綜上所述，現(xiàn)有的永磁電機(jī)參數(shù)辨識(shí)算法均存在優(yōu)勢(shì)與不足，適用于不同的電機(jī)運(yùn)行領(lǐng)域。

發(fā)展方向

PMSM參數(shù)辨識(shí)還存在一些問題：①PMSM辨識(shí)方程欠秩導(dǎo)致參數(shù)結(jié)果不惟一，而且在辨識(shí)過程中易陷入局部最優(yōu)；②人工智能算法存在需要數(shù)據(jù)量大和辨識(shí)過程計(jì)算量大的問題；③參數(shù)辨識(shí)精度和魯棒性問題。

1）構(gòu)建全秩PMSM辨識(shí)方程

PMSM辨識(shí)方程欠秩是造成參數(shù)辨識(shí)過程不惟一的主要原因。目前多數(shù)學(xué)者通過注入特定的激勵(lì)電流來構(gòu)建全秩辨識(shí)方程，但注入的小擾動(dòng)電流會(huì)影響辨識(shí)精度。雖然有學(xué)者[26]提出采用兩組交軸電壓、電流以及電角速度代入離散化電壓方程構(gòu)建全秩辨識(shí)方程，但該方法其他參數(shù)對(duì)辨識(shí)估算值產(chǎn)生影響。因此構(gòu)建全秩PMSM辨識(shí)方程仍然是需要關(guān)注并深入研究的方面。

2）降低人工智能算法計(jì)算量

智能算法因較強(qiáng)的非線性尋優(yōu)能力得到廣泛的關(guān)注，但該類算法存在計(jì)算量巨大和數(shù)據(jù)處理負(fù)擔(dān)過重的問題。Bharadwai[27]首先利用輸入和輸出變量參數(shù)對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行離線訓(xùn)練，然后再將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于電機(jī)參數(shù)實(shí)時(shí)辨識(shí)，此方法雖然降低了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算量，但沒有考慮自身的穩(wěn)定性，不能保證辨識(shí)結(jié)果的收斂性，因此降低人工智能算法的計(jì)算量仍然需要進(jìn)一步的研究。

3）提高參數(shù)辨識(shí)精度

電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行過程中，存在開關(guān)延時(shí)、死區(qū)時(shí)間和開關(guān)管壓降等非線性問題，使得參數(shù)的辨識(shí)精度不高。大多數(shù)學(xué)者通過死區(qū)補(bǔ)償來消除這些因素的影響，目前死區(qū)補(bǔ)償方法有基于硬件的補(bǔ)償算法和基于軟件的補(bǔ)償算法。

基于硬件的補(bǔ)償算法，有學(xué)者采用簡(jiǎn)單實(shí)用的諧波電流監(jiān)測(cè)來對(duì)系統(tǒng)的非線性因素進(jìn)行補(bǔ)償。基于軟件的補(bǔ)償算法不增加系統(tǒng)成本，不改變系統(tǒng)現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)，但是在大部分的軟件補(bǔ)償算法中，由于實(shí)際系統(tǒng)會(huì)有采樣干擾以及零電流鉗位情況，這給電流方向的確定帶來了很大的困難，因此如何利用補(bǔ)償算法提高參數(shù)辨識(shí)精度仍然需要研究。

4）提高電機(jī)參數(shù)的魯棒性

基于永磁同步電機(jī)有限集模型預(yù)測(cè)已經(jīng)取得了一些研究成果，其中，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定前提下，提高預(yù)測(cè)電流控制對(duì)電機(jī)參數(shù)的魯棒性是目前研究的熱點(diǎn)。預(yù)測(cè)電流控制是一種依賴模型準(zhǔn)確度的控制策略，參數(shù)失配時(shí)系統(tǒng)控制性能變差，傳統(tǒng)的延時(shí)補(bǔ)償環(huán)節(jié)補(bǔ)償結(jié)果不準(zhǔn)確，可以將在線參數(shù)辨識(shí)和前饋控制器相結(jié)合，加強(qiáng)補(bǔ)償?shù)臏?zhǔn)確性，提高系統(tǒng)魯棒性。

本文編自2020年第8期《電氣技術(shù)》，標(biāo)題為“永磁同步電機(jī)參數(shù)辨識(shí)研究綜述”，作者為劉偉、王俊。