CN101650390A - 表面式交流永磁同步电机的定子电感参数在线测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种表面式交流永磁同步电机的定子电感参数在线测量方法，其测量步骤为：(1)测得转子初始位置角度，将转三相中的a相与定子坐标系中的d轴相重合；(2)施加三相电压，产生的三相矢量合力触发变频器，使得转子q轴上的输出电流信号为0，d轴上输出正负交变的电流信号；(3)在线检测定子侧的电压与电流信号，计算出d轴上电压与电流，经在线积分计算出d轴的磁链，再由d轴的磁链对d轴电流进行在线微分，得到定子电感参数。本发明采用变频控制器在实施矢量控制(即磁场定向控制)前进行短时在线自动测试，然后对测试数据进行处理，计算出电机电感参数，省去人工单台测试的繁琐工作和由此带来的误差，提高参数准确性。

Description

表面式交流永磁同步电机的定子电感参数在线测量方法

技术领域

本发明涉及一种电机定子电感参数的测量方法，具体涉及一种表面式交流永磁同步电机的定子电感参数在线测量方法。

背景技术

随着交流永磁同步电机广泛应用于各种高精密度机电设备中，工程人员越来越关注其高性能控制的实现。早在Park提出同步电机的双反应理论以后，Blaschke又针对交流电机控制提出了磁场定向控制理论，这些理论的提出为交流永磁同步电机的有效高性能控制提供了理论保障。所谓磁场定向控制，又被称为矢量控制，磁场定向控制主要是对交流电机的控制，它通过适时的控制转子的机械速度并调节相电流来满足电磁转距的要求，从而使交流永磁同步电机获得类似直流电机的伺服性能，并可得到快速无静差的调节特性。

由于磁场定向控制方式所依据的是准确的被控交流永磁同步电机的参数，这些参数厂家一般是不提供的，即便用户要求提供了，由于每台电机的各向差异，厂家提供的统一参数也是很难精确到每一台机上，误差必将影响后续对电机的操控，因此我们就必须找到一种针对于单台电机的有效准确测量方法。现有技术中所采用的测量方式是，在待测电机上接入各类仪器仪表，包括电流表、电压表等，通过外接测试电路将各类仪器仪表与电机输入输出端连接起来，测得各类数据后经计算得出该电机的实际参数。

然而，采用目前的测量方法存在的问题是：①针对每台电机均需要人工接入测试电路及仪器仪表测试，随后进行计算，程序繁琐，增加工作量；②外接测量电路，增加了测量数据的误差量，影响参数的精确度。

发明内容

本发明目的是提供一种表面式交流永磁同步电机的定子电感参数在线测量方法，使用该测量方法可简化测量工序，减少测量误差，为后续对电机的准确操控提供保证。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种表面式交流永磁同步电机的定子电感参数在线测量方法，其测量步骤为：

(1)测得转子初始位置角度，通过变频器驱动或手动的方式将转子a、b、c三相中的a相与定子坐标系中的d轴相重合，使转子处于归零状态；

(2)利用磁场定向控制理论计算施加的三相电压，通过变频器控制a、b、c三相产生三相电场矢量合力，使得转子q轴上的输出电流信号为0，d轴上输出正负交变的电流信号；

(3)在线检测定子侧的电压与电流信号，计算出d轴上电压与电流，经在线积分计算出d轴的磁链，再由d轴的磁链对d轴电流进行在线微分，得到定子电感参数。

上文中，所述表面式交流永磁同步电机为同步电机中的一种，其磁极均匀分布在转子表面，永磁体数量是极对数的二倍，且相邻两磁极极性相反，其磁路结构为磁力线出发后经过定子齿和定子轭后，从其相邻的异性永磁体磁极返回。基于Park的双反应理论，其d-q轴数学模型可以描述如下：

u_d＝R_si_d+pL_di_d-ω_eL_qi_q            (1)

u_q＝R_si_q+pL_qi_q+ω_e(L_di_d+ψ_m)      (2)

L_d＝L_q＝L_s                        (3)

式中：u_d和u_q是定子d和q轴等效电压；

i_d和i_q是定子d和q轴等效电流；

L_d、L_q和L_s是定子d、q轴等效电感和定子电感；

ω_e是电机电气角速度，单位是el rad/s；

ψ_m是转子主磁通；

p是微分算子。

值得注意的是由于永磁材料的磁导率近似为1，因此其定子d与q轴等效电感是相等的。这一特性是表面式交流永磁同步电机所特有的。在忽略磁饱和与定子d-q轴正交磁耦合的前提下，我们将定子电感定义为：

$L_d=\frac{d{\mathrm{\ψ}}_d}{{\mathrm{di}}_d}---\left(4\right)$

$L_d=\frac{d{\mathrm{\ψ}}_q}{{\mathrm{di}}_q}---\left(5\right)$

由上述方程可以看出，对于表面式交流永磁同步电机来说，d-q轴的电感值与电机定子相电感是相等的，因此只要求出其中之一，就等于确定了定子电感。利用这一特性，本发明为计算出定子电感，把方程(1)和(2)改写为：

$u_d=R_s{i}_d+L_d\frac{{\mathrm{di}}_d}{\mathrm{dt}}-\frac{{\mathrm{d\θ}}_e}{\mathrm{dt}}{\mathrm{\ψ}}_q---\left(6\right)$

$u_q=R_s{i}_q+L_q\frac{{\mathrm{di}}_q}{\mathrm{dt}}+\frac{{\mathrm{d\θ}}_e}{\mathrm{dt}}({\mathrm{\ψ}}_d+{\mathrm{\ψ}}_m)---\left(7\right)$

根据磁场定向控制理论，使数字变频器只在d轴方向产生正负交替的小电压而使q轴方向的电压保持为零时，则变频器将会在d轴方向产生一个正负交替的小电流而q轴方向的电流却保持为零，由于q轴无电流则电机就不受力，因此只要将转子磁极的d轴方向与定子绕组a轴的取向一致，转子将不会旋转，其位置角θ_e将始终为零。于是方程(6)可以写成：

$u_d=R_s{i}_d+\frac{d{\mathrm{\ψ}}_d\left(t\right)}{\mathrm{dt}}---\left(8\right)$

则d轴磁链可以用积分求出：

${\mathrm{\ψ}}_d\left(t\right)={\∫}_0^t(u_d\left(\mathrm{\τ}\right)-R_s{i}_d\left(\mathrm{\τ}\right))\mathrm{d\τ}---\left(9\right)$

最后根据方程(4)对ψ_d(t)进行微分便可确定L_d即定子电感。方程式(9)中，R_s为定子电阻，电机标识值，u_d(τ)与i_d(τ)则通过步骤(3)中计算出来，其过程为：在线测得电流i_a、i_b、i_c，d-q坐标系至a-b-c坐标系的变换由下式完成(在正交变换矩阵中添加了零轴电流坐标i₀)：

由于测试时定子a相绕组的轴线与d轴正方向相同，即θ_e＝0，因此不需要旋转运算，或进行零度旋转运算，故i_α＝i_d，i_β＝i_q。电压坐标变换与电流坐标变换相同，故而得出d轴上的电流与电压值，再代入方程(9)得出积分值，最后代入方程(4)算出L_d的值，即为定子电感值。上述计算方程及过程可通过编写程序存入控制器中，在变频器开始矢量控制(即磁场定向控制)前调用控制器中的程序进行在线自动测试，再将计算出的实时参数提供给控制器调用，从而确保变频器矢量控制的准确性，同时减轻了操作人员测试工作的强度，减少人为及仪器造成的测量误差。

上述技术方案中，所述步骤(2)中施加三相电压的测试周期最小为0.05秒，最大测试周期由所述变频器的数据内存空间相适应。

上述技术方案中，所述步骤(2)三相矢量合力中，施加于d轴上的电压为1V～电机额定电压，且施加于d轴上的电流小于额定电流。

上述技术方案中，所述变频器包括一数字控制器和一逆变器PWM，由传感器实时测得所述步骤(3)中的定子侧的电压和电流，输入至所述数字控制器中，所述数字控制器的输出与所述逆变器PWM连接。

上述技术方案中，所述步骤(1)中转子初始位置角度通过轴角编码器或人工目测获得。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1.本发明采用变频控制器在实施矢量控制(即磁场定向控制)前进行短时在线自动测试，然后对测试数据进行处理，计算出电机电感参数，并随即提供给控制器调用，这样即可省去人工单台测试的繁琐工作和由此带来的误差，又可提高效率并保证准确性；

2.本发明中所采用的计算方程及过程可通过编写程序存入控制器中，使用时，采用轴角编码器自动检测出电机转子初始角位置，由变频器驱动自行修证归零，而后控制器直接调用预存程序自行完成测量，算出的电机电感参数再提供给控制器，整个参数在线测量无需操作人员人工参与，省时省力，操作实施方便。

附图说明

图1是本发明实施例一中采用的电机结构剖面示意图；

图2是本发明实施例一的结构框图；

图3是本发明实施例一中定子d轴与q轴在一个测试周期内的电流波形；

图4是本发明实施例一中转子电气角度波形；

图5是本发明实施例一中电磁转矩波形；

图6是本发明实施例一中d轴磁链积分波形。

其中：1、转子；2、定子；3、永磁体。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：参见图1至图6所示，一种表面式交流永磁同步电机的定子电感参数在线测量方法，其测量步骤为：

(1)由轴角编码器测得转子初始位置角度，通过数字逆变器PWM驱动将转子a、b、c三相中的a相与定子坐标系中的d轴相重合，使转子处于归零状态；

(2)利用磁场定向控制理论施加三相电压，产生的三相矢量合力触发数字逆变器PWM，使得转子q轴上的输出电流信号为0，d轴上输出正负交变的电流信号；

(3)由传感器在线检测定子侧的电压与电流信号，计算出d轴上电压与电流，经在线积分计算出d轴的磁链，再由d轴的磁链对d轴电流进行在线微分，得到定子电感参数。

在本实施例中，所述表面式交流永磁同步电机的剖面结构如图1所示，转子1表面分布有4个永磁体3，N、S两极间隔布置，定子2位于永磁体的外围。通过步骤(1)将转子三相中的a相转至与定子d轴(也就是磁场方向α)相重合；第二步施加三相电压，根据磁场定向控制理论，使数字控制器只在d轴方向产生正负交替的8V小电压(测试周期为0.4秒)，而使q轴方向的电压保持为零，触发逆变器PWM，在d轴方向产生一个正负交替的小电流，而q轴方向的电流却保持为零，如图3所示，由于q轴无电流则电机就不受力，因此只要将转子磁极的d轴方向与定子绕组a轴的取向一致，转子将不会旋转，其位置角θ_e将始终为零，由此得出： $u_d=R_s{i}_d+L_d\frac{{\mathrm{di}}_d}{\mathrm{dt}}-\frac{{\mathrm{d\θ}}_e}{\mathrm{dt}}{\mathrm{\ψ}}_q$ 变换为 $u_d=R_s{i}_d+\frac{d{\mathrm{\ψ}}_d\left(t\right)}{\mathrm{dt}};$ 第三步由传感器实时测得定子侧的电流i_a、i_b，根据i_a+i_b+i_c＝0计算出i_c的值，由d-q坐标系至a-b-c坐标系的矩阵变换公式

求得i_α和i_β的值，由于测试时定子a相绕组的轴线与d轴正方向相同，即θ_e＝0，因此不需要旋转运算，或进行零度旋转运算，故i_α＝i_d，i_β＝i_q，电压坐标变换与上述电流变换相同，求得d轴上的电流与电压值，在此基础上对d轴电压进行积分得出d轴磁链 ${\mathrm{\ψ}}_d\left(t\right)={\∫}_0^t(u_d\left(\mathrm{\τ}\right)-R_s{i}_d\left(\mathrm{\τ}\right))\mathrm{d\τ},$ 其中定子电阻R_s为2.8750(已知)，波形图如图6所示，磁链值代入后得出值进行微分 $L_d=\frac{d{\mathrm{\ψ}}_d}{{\mathrm{di}}_d},$ 算出d轴电感L_d＝8.5×10-3H。

由于永磁材料的磁导率近似为1，因此其定子d与q轴等效电感是相等的，d-q轴的电感值与电机定子相电感是相等的，因此只要求出其中之一，就等于确定了定子电感，故而得出定子电感L_s＝L_d＝8.5e-3H。

Claims (5)

1.一种表面式交流永磁同步电机的定子电感参数在线测量方法，其测量步骤为：

(1)测得转子初始位置角度，通过变频器驱动或手动的方式将转子a、b、c三相中的a相与定子坐标系中的d轴相重合，使转子处于归零状态；

(2)利用磁场定向控制理论计算施加的三相电压，通过变频器控制a、b、c三相产生三相电场矢量合力，使得转子q轴上的输出电流信号为0，d轴上输出正负交变的电流信号；

(3)在线检测定子侧的电压与电流信号，计算出d轴上电压与电流，经在线积分计算出d轴的磁链，再由d轴的磁链对d轴电流进行在线微分，得到定子电感参数。

2.根据权利要求1所述的表面式交流永磁同步电机的定子电感参数在线测量方法，其特征在于：所述步骤(2)中施加三相电压的测试周期最小为0.05秒，最大测试周期由所述变频器的数据内存空间相适应。

3.根据权利要求1所述的表面式交流永磁同步电机的定子电感参数在线测量方法，其特征在于：所述步骤(2)三相矢量合力中，施加于d轴上的电压为1V～电机额定电压，且施加于d轴上的电流小于额定电流。

4.根据权利要求1所述的表面式交流永磁同步电机的定子电感参数在线测量方法，其特征在于：所述变频器包括一数字控制器和一逆变器PWM，由传感器实时测得所述步骤(3)中的定子侧的电压和电流，输入至所述数字控制器中，所述数字控制器的输出与所述逆变器PWM连接。

5.根据权利要求1所述的表面式交流永磁同步电机的定子电感参数在线测量方法，其特征在于：所述步骤(1)中转子初始位置角度通过轴角编码器或人工目测获得。

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