CN101452054A - 三相永磁同步电机基本电气参数的静态测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种三相永磁同步电机基本电气参数的静态测量方法，在锁住转轴的状态下，以待测电机的额定电流值及其150％值分别输入，并记录对应电压值分别为V_100％及V_150％，再以所得电压差值除以电流差值的商值，即取得该电机的电阻值，续于向量控制状态下，将电气周期分为六个电压向量，在各个电压向量下进行电压循环，以步阶输出V_150％的四分之一，待电流稳定后再输出V_150％，等待电流稳定，以此步骤共重复四次循环，接着变更电压向量再重复前述的电压循环，直至完成所有电压向量，最后比较各向量的上升时间并换算为电感值，将最大值定义为q轴电感，最小值定义为d轴电感。

Description

三相永磁同步电机基本电气参数的静态测量方法

技术领域

本发明与三相永磁同步电机有关，特别与该类电机的电气参数的测量有关。

背景技术

随着科技的进步，旋转电机已有长足的发展，尤其自高能量永久磁石问世以后，使得高效率的永磁电机得以实现，其应用也变得更为广泛。旋转电机的基本电气参数，如电阻及电感，为旋转电机基本特性的表现，必须先行取得正确的基本参数值，才能对该电机进行最有效的控制及运用。然而现有测量永磁同步电机基本电气参数的方式，为使用原动机带动待测电机，即令待测电机形成发电机模式，并于其输出端加设负载，当原动机达到稳态，借由短路测试获取待测电机输出端的电压及电流值，以计算该电机的电阻值及电感值，以此种方式测量电机的基本电气参数必须使用相当多样的设备，且待测电机也必须实际运转才能进行，必然衍生严重的噪音问题，极为不便。

发明内容

本发明的主要目的，在于提供一种三相永磁同步电机基本电气参数的静态测量方法，其可于静止状态下进行电机参数的测量，待测电机无需运转即可测量，完全避免不必要的噪音问题。

本发明的次要目的，在于提供一种三相永磁同步电机基本电气参数的静态测量方法，其无需使用繁杂的设备即可进行电机参数的测量，有效简化测量的成本及程序。

为达到上述目的，本发明提供了一种三相永磁同步电机基本电气参数的静态测量方法，包括：

a)以变频器对待测电机送电，使其达到直流电压输入功能；

b)控制输出电流达到该待测电机额定电流的100％；

c)记录电压值；

d)控制输出电流达到该待测电机额定电流的150％；

e)记录电压值；

f)以所得电压及电流的差值计算电机电阻；

g)设定输出电压向量；

h)执行电压循环，包括：

h1)设定电压准位并输出电压；

h2)读取电流反馈；

h3)待电流达到稳态后，变更输出电压准位；

h4)读取电流反馈；

h5)待电流达到稳态后，记录电流上升时间，重复步骤h1～h5；

i)变更另一电压向量，重复步骤g至h，直至完成所有电压向量；

j)以所得电流上升时间及电机电阻，计算电机电感。

本发明的三相永磁同步电机基本电气参数的静态测量方法，其可于静止状态下进行电机参数的测量，待测电机无需运转即可测量，完全避免了不必要的噪音问题。同时，本发明的静态测量方法无需使用繁杂的设备即可进行电机参数的测量，有效简化了测量的成本及程序。

附图说明

图1为本发明在测量电机电阻时的系统架构图；

图2为电机电阻测量时的试验电压电流对应关系图；

图3为待测电机的瞬时电压电流关系图；

图4为本发明在测量电机电感时的系统架构图；

图5为本发明的电气参数测量方法流程图。

附图标记说明

I变频器                    S11～S15，S21～S30步骤

M待测电机                 1同步坐标轴转定子坐标轴

2两相转三相               3脉宽调变

4变频器                   5三相转两相

6定子坐标轴转同步坐标轴

具体实施方式

旋转电机的基本电气参数主要为电机电阻及电机电感，本发明的测量分为两阶段，第一阶段为测量电机电阻，第二阶段为测量电机电感。请参阅图1，其为本发明在测量电机电阻时的系统架构图，为将三相永磁同步待测电机M的三电源输入端MU、MV及MW分别连接至变频器I的输出端IU、IV及IW，控制变频器I的输出电压，使其达到直流电压输入功能，并将待测电机M的转轴(图未示)以机械煞车(图未示)锁住，使其无法运转，续请参阅图5，其左半部绘示了电机电阻的测量流程，首先控制变频器I将电压以步阶型态输入待测电机M内，该步阶型态如图2中(A)图所示，此时监测电流的状态，步骤S11：当电压升高使电机电流达到额定电流值的100％(I_100％)时，即暂时停止升高电压；步骤S12：记录此时的输入电压值(V_100％)，记录完毕后再继续升高电压ΔV，同时监测电流的变化；步骤S13：当电流升高Δi至额定电流值的150％(I_150％)时，再次停止升高电压；步骤S14：记录此时的电压值(V_150％)，图2中(B)图绘示了电流随电压变化的状态。步骤S15：计算电机电阻，借由奥姆定律可将电压值及电流值换算为电阻值，即：

$R_s=\frac{V_{150\%}-V_{100\%}}{I_{150\%}-I_{100\%}}$

此处R_S即为电机电阻，此即完成第一阶段的电机电阻测量。

图3所示为待测电机的瞬时电压电流关系图，当电压以步阶方式输入待测电机M时，电流响应曲线为电感及电阻的函数： $i\left(t\right)=\frac{V}{R_S}(1-e^{-\frac{R}{L}t}),$ 故可在已知电机电阻值的情况下，借由电压与电流的相对变化而求出电机电感。

图4所示为本发明在测量电机电感时的系统架构图，主要是将d轴及q轴电压由同步坐标轴转定子坐标轴(synchronous frame to stator frame)1，再由两相转三相2，续做脉宽调变(PWM)3后经变频器4再输入待测电机M，后将电流值取出，由三相转两相5，再由定子坐标轴转同步坐标轴(stator frame tosynchronous frame)6，最后输出d轴及q轴电流。

本发明的电机电感测量利用电机电气特性，并搭配向量控制，在机械煞车锁住电机M的状态下进行测量。三相永磁同步电机的同步d、q轴数学模式在输出频率命令为零时，两轴电压方程式可简化为：

$V_{\mathrm{qs}}^e=(R_s+L_q\·p)\·i_{\mathrm{qs}}^e$

$V_{\mathrm{ds}}^e=(R_s+L_d\·p)\·i_{\mathrm{ds}}^e$

其中p为微分项，对于任一轴电压步阶输入时的电流响应为：

$i\left(t\right)=\frac{V}{R_S}(1-e^{-\frac{R_S}{L_x}t})---\left(a\right)$

其中，为稳态时的电流反应，R_S为电机电阻，L_x为d、q轴电感，电流响应包含了电感参数。当 $-\frac{R_S}{L_x}t=-1$ 成立时，式(a)可改写成

$i\left(t\right)=\frac{V}{R_S}(1-e^{-1})=0.632\·\frac{V}{R_S}---\left(b\right)$

由式b可知，当电流上升到稳态值的0.632倍时，电感与电阻关系可写成：

L_x＝t_0.632·R_S

其中，t_0.632为电流上升到稳态值的0.632倍时所需的时间。

由于机械煞车锁住，故可任选d、q轴其中一轴作为电压命令输出轴，另一轴则维持电压命令为零，并将一个电气周期，切割成数个电气角度，在同一个电气角度下，依序输出两组电压命令，电机则因电压差而产生电流瞬时反应，测量电流反馈并转换d、q坐标轴后，记录电流的上升时间。根据电流上升时间以及先前电阻测试所得到的电阻值R_S，即可换算相对应的电感值，如此即可在不需电机运转的情况下可获得电感参数。

基于以上的演算，本发明提供如下的电机电感测量方法，即如图5右半部所示。步骤S21：设定输出电压向量，具体为：在获得电机电阻值的后，在向量控制下将电气周期分成六个不同的电压向量，理论上若将电气周期切割越多不同的电压向量，所得到的电机参数将越准确，但基于电机参数测量施行所需时间的考虑，将电气周期切割成六个电压向量为兼顾准确性及经济性的最佳切割数。步骤S22：设定电压准位并输出电压，具体为：接着在各个电压向量下，施作电压循环，该电压循环先在一个电压向量中先以步阶输出V_150％的四分之一，步骤S23：读取电流反馈，步骤S24：判断电流是否已达稳态，如果否，则重复步骤S24，待电流稳定后，执行步骤S25：变更输出电压准位为V_150％，此时开始计时，步骤S26：判断电流是否已达稳态，如果否，则重复步骤S26，待电流稳定后，停止计时，执行步骤S27：记录电压变换后电流上升的时间，步骤S22至S27为一个电压循环，此电压循环共重复四次。前述的低电压可避免受驱动功率组件开关上下臂短路的失效时间(dead time)的影响，而造成电流波形的失真。虽然电机被机械煞车所锁住，但在各向量执行第一次电压循环时，电机仍会有少许偏转，造成上升电流的变形，故各向量第一次电压循环的电流信号均不采用，第二次电压循环则是建立反馈电流比较准位，记录到达稳态时的电流值，第三、四次则是计算电流达到稳态值的0.632倍所经过的时间，将第三、四次时间取平均后，即获得该向量电流上升的所需时间。

步骤S28：判断电压循环是否结束，如果否，返回步骤S22，如果是，执行步骤S29：判断是否为最后一组向量，如果否，重复步骤S21至S28，直到六个向量执行完毕；如果是，执行步骤S30：计算电机电感，比较各个向量的上升时间并换算为电感值，将最大的电感值定义为q轴电感(L_q)，最小的电感定义为d轴电感(L_d)，此即完成电机电感的测量。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (7)

1、一种三相永磁同步电机基本电气参数的静态测量方法，其特征在于，包括：

a)以变频器对待测电机送电，使其达到直流电压输入功能；

b)控制输出电流达到该待测电机额定电流的100％；

c)记录电压值；

d)控制输出电流达到该待测电机额定电流的150％；

e)记录电压值；

f)以所得电压及电流的差值计算电机电阻；

g)设定输出电压向量；

h)执行电压循环，包括：

h1)设定电压准位并输出电压；

h2)读取电流反馈；

h3)待电流达到稳态后，变更输出电压准位；

h4)读取电流反馈；

h5)待电流达到稳态后，记录电流上升时间，重复步骤h1～h5；

i)变更另一电压向量，重复步骤g至h，直至完成所有电压向量；

j)以所得电流上升时间及电机电阻，计算电机电感。

2、根据权利要求1所述的三相永磁同步电机基本电气参数的静态测量方法，其特征在于，所述步骤g将电气周期切割为六个电压向量。

3、根据权利要求1所述的三相永磁同步电机基本电气参数的静态测量方法，其特征在于，所述步骤h的电压循环执行四次。

4、根据权利要求3所述的三相永磁同步电机基本电气参数的静态测量方法，其特征在于，所述各向量第一次电压循环的电流信号均不采用，第二次电压循环则是建立反馈电流比较准位，记录到达稳态时的电流值，第三、四次则是计算电流达到稳态值的特定倍数所经过的时间，将第三、四次时间取平均后，即获得该向量电流上升的所需时间。

5、根据权利要求4所述的三相永磁同步电机基本电气参数的静态测量方法，其特征在于，所述特定倍数为0.632。

6、根据权利要求1所述的三相永磁同步电机基本电气参数的静态测量方法，其特征在于，所述步骤j将最大的电感值定义为q轴电感，最小的电感定义为d轴电感。

7、根据权利要求4所述的三相永磁同步电机基本电气参数的静态测量方法，其特征在于，所述每一次电压循环中的第一次执行步骤h1，为步阶输出电压，此电压是待测电机150％额定电流所对应电压V_150％的四分之一，第二次执行时变更为V_150％。

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