CN102111103A - 一种无速度传感器的交流异步电机变频器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无速度传感器的交流异步电机变频器，包括基于PC机的变频器在线调试与监控软件，通过该软件能够设置变频器的相关参数，发布控制命令，以文体形式动态显示变频器、交流异步电机的相关参数，以图形化方式动态显示交流异步电机转速、转矩、定子电压、定子电流的波形；基于以太网/USB/R485/RS232任一串行总线的通讯机制，实现调试软件与变频器间的双向数据通讯；交流异步电机的参数辨识包括定子电阻、转子电阻、定子漏感、转子漏感、定转子互感、总漏感；基于模型参考自适应理论的交流异步电机转速辨识。

Description

一种无速度传感器的交流异步电机变频器

技术领域

本发明涉及一种无速度传感器的交流异步电机变频器，更具体地说，涉及基于PC机的变频器调试与监控软件，基于以太网、USB、RS485、RS232任一串行总线的通讯机制实现该软件与变频器间的双向数据通讯，交流异步电机的参数辨识，交流异步电机的转速辨识，无速度传感器矢量控制方式的变频器。

背景技术

现行国产变频器的设置或调试多是通过变频器操作面板实现，一则操作烦锁，再者无法准确判断交流异步电机在一段时间内的定子电压、定子电池、转速、转矩变化趋势。而采用基于PC机的变频器调试与监控软件，则可以通过该视窗化人机界面设置变频器的相关参数，发布控制命令，以文体形式动态显示变频器、交流异步电机的相关参数，以图形化方式动态显示交流异步电机转速、转矩、定子电压、定子电流的波形，直观而又方便。

对于高性能的变频器，速度闭环是必不可少的，转速闭环需要交流异步电机的转速，而目前交流异步电机速度检测装置多采用光电脉冲编码器、旋转变压器或测速发电机。但是，由于速度传感器的安装给系统带来如下缺陷：

(1)系统的成本增加。

(2)码盘在电机轴上的安装，存在同心度问题，安装不当将影响测速精度。

(3)使电机轴向上体积增大，而且给电机的维护带来困难，同时破坏了异步电机简单坚固的特点，降低了系统的机械鲁棒性。

(4)在高温、高湿的恶劣环境下无法工作，而且速度检测装置工作精度易受环境条件的影响。

因此，无速度传感器的交流异步电机变频器受到当前学术界的关注。其中交流异步电机转子磁链和转速的估算都和电机参数相关，对电机参数的检测准确度直接影响到无速度传感器变频器的性能。如果电机参数不准确，将直接导致变频器性能的下降。由于在工作现场难以预知所用的电机参数，也不可能采用常规的电机试验去测量电机参数。因此，在电机投入使用之前，自动辨识出电机的参数是十分必要的。自动辨识电机参数，较传统的现场电机试验法测量电机参数，不但提高了电机参数测量的准确性，而且便于操作。

无速度传感器的交流异步电机变频器，在线辨识电机速度是实现闭环矢量控制的关键。电机转速辨识方法主要包括转差频率计算法、串联双模型法，基于状态方程的直接综合法，模型参考自适应(MRAS)法，扩展卡尔曼滤波法等。其中MRAS法因其算法实现简单，辨识精度高而被广泛应用于无速度传感器的交流异步电机矢量变频控制。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现行变频器调试与监控不便的实际情况，开发基于PC机的变频器调试与监控软件，通过以太网、USB、RS485、RS232任一串行总线实现该软件与变频器间的双向数据通讯。

针对现行交流异步电机参数检测困难、检测精度不高的现实，提出电机参数的自动辨识。具体做法：在电机运行之前，通过基于PC机的调试与监控软件，利用变频器自身的资源向电机输入特定的激励信号，对电机进行直流伏安法实验，单相交流实验，空载实验以及阶跃电压实验，依据电机的响应，采样电压、电流值并通过程序辨识出电机的相应参数值。

针对无速度传感器的交流异步电机变频器的速度在线辨识问题，依据离线辨识出的电机参数，提出基于无功功率的MRAS法，在线辨识电机的转速，进而实现异步电机的闭环矢量控制。

本发明所述的交流异步电机参数与转速的辨识方法包括以下步骤：

直流伏安法辨识定子电阻的步骤：令其中的两相绕组短接，与另外一相绕组串接，向电机两相施加高频斩波电压，调节频率占空比，直到稳定电流达到电机的额定电流，检测电机输入的电压值与输出的电流值，利用欧姆定律计算得出定子电阻。

单相实验法辨识交流异步电机转子电阻、定子漏感、转子漏感的步骤：令电机其中一相绕组断开，给另两相施加电机额定电压的0.4倍左右的正弦电压。此时，检测该两相的电压、电流值，再利用相关函数的计算方法得出电压、电流的基波幅值以及相位差，进而计算出电机的转子电阻、定子漏感，转子漏感。

空载实验法辨识互感的步骤：给电机施加三相正弦电压，使电机空载运行，检测其中一相的相电压、电流，再利用相关函数的计算方法得出电压、电流的基波幅值以及相位差，进而辨识出定子转子间的互感值。

阶跃电压实验法辨识总漏感的步骤：令电机的两相短接与另一相串接，在足一定的时间里，给电机施加一定幅值的电压信号，检测电机输出电流，经过近似等效，计算得出总漏感值。

采用MRAS法在线辨识电机转速的步骤：根据电机两相静止坐标下的数学模型推导出无功功率计算公式，定子电流叉乘以电压模型推算出的反电动势作为参考模型，定子电流叉乘以电流模型推算出的反电动势作为可调模型，采用PI自适应律，构造交流异步电机转速在线辨识系统。

在本发明所述的辨识方法中，考虑功率管与续流二极管的导通管压降，开关延时以及死区所带来的影响，给予补偿。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明中无速度传感器交流异步电机变频器主电路示意图；

图2是离线辨识交流异步电机参数的等效电路图；

图3是采用MRAS法在线辨识电机转速的结构框图；

图4是逆变器A相示意图

图5是功率管的开关延时与死区对A相输出电压的影响示意图

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，是一种无速度传感器的交流异步电机闭环矢量控制的主回路，对电机参数的离线辨识及转速在线辨识的主要内容包括：

1.定子电阻的离线辨识

如图1所示，将T3，T5一直关闭，将T2，T4，T6一直导通，给T1施加一个高频脉冲，先给定较小的占空比D，再逐渐增大占空比到输出电流达到额定值，此时检测电机输出电流值以及占空比D，即可计算得出定子电阻值。等效电路如图2(a)所示。

在图2(a)所示电路中：Udc是母线电压，D是高频脉冲的占空比，Ia是检测出的A相电流，故由欧姆定律得定子电阻：

$R_s=\frac{2U_{\mathrm{dc}}*D}{3I_a}$

2.转子电阻及漏感的离线辨识

给电机施加单相正弦电压，电机不能产生电磁转矩，其作用与三相堵转实验相同，等效电路如图2(b)所示，其中Uab为AB相电压，Ia为A相电流，X1为定子感抗，X2为转子感抗，s为转差率。

具体步骤：在图1中使T5，T6始终关闭，输入基波频率f＝50HZ的SPWM脉冲促使T1与T2，T3与T4互补导通，由于电机堵转时电流较大，故所加母线电压应该较小，一般为额定电压的0.4倍左右。此时检测A，B相的电压以及A相电流，经过相关函数法计算，得出Uab与Ia的基波幅值Um与Im以及电压电流的相位差θ即功率因数角。由图2(b)可得转子电阻Rr及漏感L_sσ，L_rσ的计算公式：

$R_r=\frac{U_m{I}_m\cos \mathrm{\θ}}{2I_m^2}-\mathrm{Rs}$

$X_1=X_2=\frac{1}{2}\frac{U_m{I}_m\sin \mathrm{\θ}}{{2I}_m^2}$

$L_{\mathrm{s\σ}}=L_{\mathrm{r\σ}}=\frac{X_1}{2\mathrm{\πf}}$

3.定子、转子互感的离线辨识

给电机施加基波频率为f＝50Hz的SVPWM调制电压，使电机空载运行，此时，电机转速近似为同步转速，转差率近似为0，转子回路相当于开路，此时等效电路如图2(c)所示，其中Ua，Ia分别为A相电压电流，X1为定子感抗，Xm为互感感抗。电机运行时，检测A相电压电流，经过相关函数法计算出电压电流的基波幅值Um，Im，以及电压电流相位差θ，由图2(c)可得定转子之间互感Lm的计算公式。

$X_m=\frac{U_m{I}_m\sin \mathrm{\θ}}{I_m^2}-X_1$

$L_m=\frac{X_m}{2\mathrm{\πf}}$

4.总漏感的离线辨识

在图1中使T2，T3，T5始终关闭，T1，T4，T6给定一足够短时间的脉冲使其导通。记录输出A相电流Δi_sα，U_dc为母线电压。由下式计算得出总漏感，

$\mathrm{\σ}{L}_s\≈\frac{u_{\mathrm{s\α}}}{{\mathrm{pi}}_{\mathrm{s\α}}}=\frac{u_{\mathrm{s\α}}\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\Δ}{i}_{\mathrm{s\α}}}$

5.电机转速的在线辨识

电机转速辨识的MRAS框图，如图3所示，利用无功率方程

作为参考模型，

作为可调模型，由波波夫超稳定性理论构造PI自适应律

构造电机速度辨识子系统，在无速度传感器矢量控制系统中，向MRAS子系统输入两相静止电压电流，即可实现电机转速在线辨识。

6.管压降补偿，开关延时补偿，死区补偿

6.1管压降补偿

在定子电阻的离线辨识方法中，由于直接加到电机上的直流电压被高频斩波后，幅值较小，此时IGBT管与二极管的导通压降不能忽略，需要进行补偿。

如图1所示，当T1开通时，电流流过T1，A相绕组，B、C相绕组，再到T4、T6，此时电阻两端电压为U_dc-1.5U_IGBT，当T1关断时，电流经过T1，A相绕组，B、C相绕组，D3、D5进行续流，此时电阻两端电压为-(U_IGBT+0.5U_DIODE)，所以电阻两端的平均电压为：

U_an＝(U_dc-1.5U_IGBT)D-(U_IGBT+0.5U_DIODE)(1-D)

U_an＝U_dcD-0.5(U_IGBT-U_DIODE)D-(U_IGBT+0.5U_DIODE)

近似认为：U_IGBT＝U_DIODE，所以U_an＝U_dcD-1.5U_IGBT

此时的定子电阻计算公式应为：

在单相实验中，相当于堵转，此时的电流比较大，所以加到电机上的电压不能太大。此时管压降也不能够忽略，对其进行补偿也很重要。如图1所示，在A、B两相间加SPWM电压，认为IGBT管压降与二极管管压降相等，当电压基波相位为正半周时，T1导通时，若T4也通，此时电流经过T1，A相绕组，B相绕组，T4，此时电阻两端电压为：U_AB＝U_dc-2U_IGBT，若T4还没通，则电流经过T1，A相绕组，B相绕组，D 3进行续流，此时电阻两端电压为U_AB＝-(U_IGBT+U_DIODE)＝-2U_IGBT，若T3通，T2也通，则电流经过T3，B相绕组，A相绕组，T2，此时电阻两端电压为：U_AB＝-(U_dc-2U_IGBT)，若T3通，T2关断，则电流经过T3，B相绕组，A相绕组，D1续流，此时电阻两端电压为U_AB＝(U_IGBT+U_DIODE)＝2U_IGBT，电压基波相位在负半周也相同分析。由以上分析可以看出，管压降对输出电压的影响是在电流为正时(即电流由A流向B)，输出电压减小2U_IGBT，当电流为负时(即电流由B流向A)输出电压增加2U_IGBT。根据等面积法原理在半个周期内得：

${2U}_{\mathrm{IGBT}}\frac{T}{2}=U_{\mathrm{IGBT}}*T=\frac{U_1}{w}(\cos 0-\cos \mathrm{\π})=\frac{2U_1}{w}$

其中U₁，w分别为U_IGBT等效的正弦波的幅值与频率。从而得出U₁＝π*U_IGBT。

可以看出，在单相实验时，管压降对输出电压的影响是相当于在基波电压上增加了一个相位与电流相同，幅值为U₁的PWM电压。因此在计算U_AB基波幅值电压时应当减去U₁进行补偿。对于空载实验与阶跃电压实验，加在电机上电压比较大，管压降影响可忽略。

6.2开关延时补偿

开关延时补偿是针对IGBT在开通时有一个开通时间t_on与一个关断时间t_off所产生的电压误差。在定子电阻辨识实验中，对T1进行调制，假设此时脉宽为t，当存在开关延时，实际的脉宽为t-t_on+t_off此时的占空比D＝(t-t_on+t_off)/T，其中T为整个周期。在计算定子电阻时要考虑占空比的变化，进行适当补偿。在单相实验与空载实验中，把开关延时与死区一起进行补偿。在阶跃电压实验中，因为是给定一个非常短时间的脉冲信号，考虑开关延时对其影响非常重要，假设脉冲宽度为Δt，当存在开关延时，实际脉冲宽度为Δt-t_on+t_off，此时计算总漏感的公式变为：

${\mathrm{\σL}}_s\≈\frac{u_{\mathrm{s\α}}}{{\mathrm{pi}}_{\mathrm{s\α}}}=\frac{u_{\mathrm{s\α}}(\mathrm{\Δt}-t_{\mathrm{on}}+t_{\mathrm{off}})}{\mathrm{\Δ}{i}_{\mathrm{s\α}}}$

6.3死区补偿

死区的插入是为了防止逆变器的同一桥臂的上下两个IGBT同时导通而设置的，对于TI公司的DSP器件，是在每个理想PWM波形的上升沿插入一段延时时间从而形成死区。

在电阻辨识实验中，不存在上下两个管子直通的现象，所以不用考虑死区的影响。

在单相实验与空载实验中，开关延时与死区时间的存在是相类似的，所以可以同样分析，又由于三相桥臂是对称的，以A相桥臂为例如图4所示，设电流由逆变器流入电机为正，反之为负。开关延时与死区对A相电压的影响如图5所示：假设理想脉冲宽度为t，死区时间为t_d，开通延时为t_on，关断延时为t_off。

当i_a＞0时，实际脉冲宽度为：t-(t_d+t_on-t_off)，实际电压输出比理想电压输出少了t_d+t_on-t_off时间。

当i_a＜0时，实际脉冲宽度为：t+(t_d+t_on-t_off)，实际电压输出比理想电压输出多了t_d+t_on-t_off时间。

所以在单相实验与空载实验时，要把相应的脉冲宽度增加或者减少t_d+t_on-t_off以进行补偿。阶跃电压实验不存在死区的影响。

Claims (10)

1.一种交流异步电机的参数辨识方法，所述交流异步电机由变频器驱动，其特征在于，

向变频器发送辨识信号；

变频器根据该辨识信号向所述交流异步电机输入相应的激励信号，控制所述交流异步电机作出相应的响应；

变频器接收所采样的相应的电压和电流；

变频器根据所采样的电压和电流辨识所述交流异步电机的参数。

2.根据权利要求1所述交流异步电机的参数辨识方法，其特征在于，所述交流异步电机的参数包括定子电阻、转子电阻、定子漏感、转子漏感、定子转子间的互感和总漏感。

3.根据权利要求2所述交流异步电机的参数辨识方法，其特征在于，

向变频器发送第一辨识信号；

变频器根据该第一辨识信号，控制所述交流异步电机的其中两相绕组短接，且短接的所述其中两相绕组与另外一相绕组串接，并向所述其中两相绕组施加一高频脉冲，逐渐调节该高频脉冲的占空比以使所述交流异步电机的输出电流达到额定电流值；

接收所采样的所述交流异步电机的输入的电压值和输出的电流值；

根据所接收的所述输入电压值和输出电流值辨识电机定子电阻。

4.根据权利要求3所述交流异步电机的参数辨识方法，其特征在于，

向变频器发送第二辨识信号；

变频器根据该第二辨识信号，控制所述交流异步电机的其中一相绕组断开，且给所述异步交流电机的另外两相施加一正弦电压；

接收所采样的所述另外两相的电压值、电流值；

根据所述定子电阻及所接收的所述另外两相的电压值、电流值，辨识所述交流异步电机的转子电阻、定子漏感和转子漏感。

5.根据权利要求4所述交流异步电机的参数辨识方法，其特征在于，

向变频器发送第三辨识信号；

变频器根据该第三辨识信号，给所述交流异步电机施加三相正弦电压，使所述交流异步电机空载运行；

接收所采样的其中一相的电压值和电流值；

根据所述定子漏感及所接收的所述其中一相的电压值和电流值，计算所述交流异步电机的定转子间的互感。

6.根据权利要求2所述交流异步电机的参数辨识方法，其特征在于，

向变频器发送第四辨识信号；

变频器根据该第四辨识信号，控制所述交流异步电机的其中两相绕组短接，且短接的所述其中两相绕组与另外一相绕组串接，并在一给定时间段内向所述其中两相绕组施加一定幅值的电压信号；

接收所采样的所述交流异步电机的输入的电压值和输出的电流值；

根据所给定的时间、所述定子电阻及所接收的所述输入的电压值和输出的电流值辨识所述交流异步电机的总漏感。

7.根据权利要求2所述交流异步电机的参数辨识方法，其特征在于，还包括：

建立所述交流异步电机在两相静止坐标系下的电压模型和电流模型，并根据所述电压模型和电流模型确定无功功率模型；

将定子电流叉乘以所述电压模型所得的反电动势作为参考模型；

将定子电流叉乘以所述电流模型所得的反电动势作为可调模型；

以所述参考模型可根据所辨识的所述异步交流电机的转子电阻进行修正并作为给定，所述可调模型作为反馈进行PI调节，以辨识所述交流异步电机的转速。

8.根据权利要求1所述交流异步电机的参数辨识方法，其特征在于，还包括：对所辨识的所述交流异步电机的参数进行下列中的至少一种补偿：管压降补偿、开关延时补偿、死区补偿。

9.根据权利要求1所述交流异步电机的参数辨识方法，其特征在于，还包括：通过下列中的任一种通讯机制由基于PC机的变频器调试与监控软件向变频器发送辨识信号：以太网、USB、RS485、RS232。

10.根据权利要求9所述交流异步电机的基于PC机的变频器调试与监控软件，其特征在于，还包括：通过该软件能够设置变频器的相关参数，发送控制命令，以文体形式动态显示变频器、交流异步电机的相关参数，以图形化方式动态显示交流异步电机转速、转矩、定子电压、定子电流的波形。基于以太网、USB、R485、RS232任一串行总线实现该软件与变频器间的双向数据通讯。

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