基于电流采样的电机参数辨识

李道龙，王贤会，丁 琴

（中科芯集成电路有限公司，江苏无锡 214072）

1 引言

随着永磁同步电机的广泛应用，最大转矩控制、矢量控制和弱磁控制等控制策略也被越来越多地应用在实际的电机控制当中。基于电机参数的矢量控制技术，能够快速响应负载扰动和控制变化[1]。输入电机参数的准确性会影响电机控制系统的控制性能。目前，电机参数可以通过电桥测量，或者通过驱动电路获取特征值，再通过算法如递推最小二乘法、扩展卡尔曼滤波算法，计算出电机参数。这些算法对系统软硬件的要求较高[2-4]，在低端的控制芯片上难以实现。本文表述了一种简化的电机参数辨识方法，并在CKSF103C8T6 的硬件平台上实现了电机参数辨识。

2 电阻辨识

电机绕组按照U、V、W 的顺序接到驱动板上，导通功率管Q1 和Q4。电流走向如图1 所示，由母线电压VCC流经功率管Q1，由电机的U 相绕组流入电机，由V 相绕组流出电机，经过功率管Q4，并经过采样电阻后流回到GND。

图1 电阻估算时的电流走向

设该回路电流为I0，通过采集采样电阻上的电压，根据欧姆定律可知回路电流为

其中Usample为采样电阻R2的电压值。

使用电流闭环控制该回路电流I0为电机额定电流的一半。当检测到电流闭环稳定后，单片机保存当前时刻占空比的平均值rduty。设回路的总等效负载为：

RL为U、V 两相电阻之和，R1为U 相采样电阻值，R2为V 相采样电阻值，Ron为功率管开通时的内阻。则负载R 的等效电压为：

根据欧姆定律有

结合式（1）（2）（3），则有电机电阻

假设三相电机的电阻值相等，即有

RU为电机U 相电阻，RV为电机V 相电阻，RW为电机W 相电阻。

3 电感辨识

在电机电阻辨识完成以后，退出电流闭环，电机电感里有初始电流I0，保持功率管Q2 和Q4 导通。此时电机电感通过Q2、Q4 续流。电感估算时的电流走向如图2 所示，续流电流由V 相电感流出，经过功率管Q4，经采样电阻R2后又经过采样电阻R1，流经功率管Q2，回流到电机U 相电感中。

图2 电感估算时的电流走向

此时，将系统等效为RL电路的零输入响应[6]。电路的微分方程为

L 为U、V 两相电感之和，i 为续流时回路中的电流值。系统中电流i 与时间t 的关系可以写为

其中i0为续流时初始电流值。

经过续流时间t0后，读取采样电阻反馈的电流值为i0′，即可根据式（9）求出两相电感之和：

通过查表法求出ln(i0/i0′)，再根据式（9）求出两相电感之和L。假设两相电感相等，即可求出单相电感值。

4 实验与结果

使用电桥测量得到本实验所用永磁同步电机的单相电阻实际值为198 mΩ，电感实际值为0.46 mH。本驱动器使用的功率管为IRF540N，额定内阻为52 mΩ，电流采样电阻规格为25 mΩ。在此硬件平台上，设定初始电流i0为4.5 A，使用HanTek 的CC-65电流钳，设置档位1 mV/10 mA，示波器上产生的波形如图3 所示。A 点之前是电阻辨识产生的波形，A 点之后是电感辨识产生的波形。根据电流钳的档位转换关系，图中A 点电压为456 mV，对应的电流为4.56 A，续流0.002 s 后，电压下降到B 点，其电压为152 mV，对应电机电流为1.52 A。单片机辨识算法得到的电阻和电感值如表1 所示。

表1 多次测量计算值

图3 参数辨识产生的相电流示波器波形

电阻估算值与实际值进行对比，第1 次误差为36 mΩ，第2 次误差为32 mΩ，第3 次误差为32 mΩ，第4 次误差为34 mΩ。电感估算值与实际值对比，第1次误差为0.048 mH，第2 次误差为0.042 mH，第3 次误差为0.042 mH，第4 次误差为0.045 mH。从试验数据可以看出，电阻估算值与电桥实际测量值相差32～36 mΩ。通过查阅数据手册可知，这是由于功率管标称的导通电阻与当前温度下实际的导通电阻之间存在差异所致。

5 结论

本文所提出的方法辨识出的电阻与电感满足矢量控制的要求。在电机参数未知、无测量仪器的情况下，可以简单地实现电阻与电感的辨识，为矢量控制算法提供数据基础。该测试方法对芯片运算性能要求低，代码实现简单，辨识时间短。此种方法存在的不足包括估算值为相电阻电感，辨识精度不够高，仅适用于低端场合。未来，此辨识方法可用于检测电机断线、接触不良或短路的情况。