CN102128698B - 一种以电流传感器为基础的感应电机转矩测量方法 - Google Patents

Abstract

一种以电流传感器为基础的感应电机转矩测量方法，属于电机领域，本发明为解决现有测量感应电机的负载转矩的方法存在安全性差、可靠性差、安装条件受限、结构复杂等问题。本发明方法包括：一、利用电流霍尔传感器采样感应电机的三相定子电流；二、给定转子初始角度，进行坐标变换，分解为假定励磁电流分量和假定转矩电流分量；三、给感应电机施加周期性固定扰动，并多次改变转子初始角度，获得对应的假定励磁电流分量和假定转矩电流分量，当获得的某一个转子初始角度对应的假定励磁电流分量的变化量趋近于零时，将过该转子初始角度对应的假定转矩电流分量作为实际转矩电流分量；四、根据三获取的实际转矩电流分量估算感应电机的负载转矩。

Description

一种以电流传感器为基础的感应电机转矩测量方法

技术领域

本发明涉及一种以电流传感器为基础的感应电机转矩测量方法，属于电机领域。

背景技术

在感应电机应用系统中，对负载转矩的测量和识别是一项关键的技术问题。而在目前广泛使用的实际系统中，对负载转矩的测量大体有两类方法：

一种方法是利用力矩传感器、振动传感器等机械传感器直接测量。这种方法测量直接，技术成熟。但是这种方法要求机械上的直接接触，对传感器的安装位置安装空间安装条件都有所要求，这就限制了其应用的范围和领域。另一方面由于机械形变和温度的影响，这种机械传感器直接测量的方法的精度也将受到影响。

另一种方法是利用感应电机系统中的电气参量估算其负载转矩。这种方法采用间接测量，不与机械结构直接接触，因而可靠性与安全性都大大提高。但在目前的间接测量方法中，多采用多种传感器(如电流传感器，电压传感器，速度传感器等)综合计算分析，这样必然增加了系统的复杂性，降低了可靠性，尤其是像电压，速度等传感器，它们需要与系统直接连接而不能独立于系统之外，这就增加的安装的难度，限制了其应用范围。

发明内容

本发明目的是为了解决现有测量感应电机的负载转矩的方法存在安全性差、可靠性差、安装条件受限、结构复杂等问题，提供了一种以电流传感器为基础的感应电机转矩测量方法。

本发明方法包括以下步骤：

步骤一、利用电流霍尔传感器采样感应电机的三相定子电流；

步骤二、给出一个假定的转子初始角度，将步骤一采样获得的三相静止坐标系下的三相定子电流进行坐标变换，分解为假定励磁电流分量和假定转矩电流分量；

步骤三、给感应电机施加周期性固定扰动，并多次改变转子初始角度，针对每一个转子初始角度，通过步骤一和二获得对应的假定励磁电流分量和假定转矩电流分量，当获得的某一个转子初始角度对应的假定励磁电流分量的变化量趋近于零时，将该转子初始角度对应的假定转矩电流分量作为实际转矩电流分量；

步骤四、根据步骤三获取的实际转矩电流分量估算感应电机的负载转矩。

本发明的优点：本发明提出的是一种以电流传感器为基础的感应电机转矩测量方法，基于坐标变换的原理，将三相定子电流解耦为假定的励磁电流分量和假定转矩电流分量，并根据实际负载转矩变化时励磁电流分量应该不变的原理，确定准确的初始角，以实现准确的坐标变换。本方法由于仅使用电流霍尔传感器，可以独立于感应电机系统以外，不改变被测系统的原有结构，这样即大大提高了被测系统的安全性和可靠性，又方便安装和移植。

附图说明

图1是本发明方法流程图；

图2是MT轴系与M′T′轴系对应关系图；

图3是当电机负载转矩上有任意的负载转矩扰动时，MT轴系与M′T′轴系的关系图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式方法包括以下步骤：

步骤一、利用电流霍尔传感器采样感应电机的三相定子电流；

步骤二、给出一个假定的转子初始角度，将步骤一采样获得的三相静止坐标系下的三相定子电流进行坐标变换，分解为假定励磁电流分量和假定转矩电流分量；

步骤三、给感应电机施加周期性固定扰动，并多次改变转子初始角度，针对每一个转子初始角度，通过步骤一和二获得对应的假定励磁电流分量和假定转矩电流分量，当获得的某一个转子初始角度对应的假定励磁电流分量的变化量趋近于零时，将过该转子初始角度对应的假定转矩电流分量作为实际转矩电流分量；

步骤四、根据步骤三获取的实际转矩电流分量估算感应电机的负载转矩。

步骤一中利用电流霍尔传感器采样感应电机的三相定子电流，通过电流霍尔传感器采集两相电流i_A，i_B，即可根据三相电流和为零来计算获取第三相电流i_C：

i_C＝-(i_A+i_B)，

根据定子电流i_A或i_B计算定子电流角频率ω_s，即通过处理器判断i_A或i_B相电流的过零点，并记录相邻两过零点之间的时间t_st即半个电流周期T/2，那么定子电流角频率ω_s为：

${\mathrm{\ω}}_s=2*\mathrm{\π}*f=2*\mathrm{\π}*\frac{1}{T}=\frac{\mathrm{\π}}{t_s},$

由上述计算的定子角频率ω_s，假定定子三相电流为：

式中I₁定子电流的有效值，为定子A相电流相位初始角。

步骤二中，先假定一个转子初始角度θ′₀，然后，再转换坐标系，将三相静止坐标系下的三相定子电流转换成两相M′T′旋转坐标系下的假定励磁电流分量i′_M和假定转矩电流分量i′_T，转换公式为：

$\left(\begin{array}{c}{i}_M^{\′}\\ i_T^{\′}\end{array}\right)=\sqrt{\frac{2}{3}}\left(\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_M& \sin {\mathrm{\θ}}_M\\ -\sin {\mathrm{\θ}}_M& \cos {\mathrm{\θ}}_M\end{array}\right)\left(\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{i}_A\\ i_B\\ i_C\end{array}\right),$

其中：i′_M为假定励磁电流分量，

i′_T为假定转矩电流分量，

i_A、i_B和i_C为三相静止坐标下的三相定子电流，

θ_M为假定转子位置角，且θ_M＝ω_st+θ′₀，式中，ω_s为三相定子电流的角频率，θ′₀为假定的转子初始角度。

经过变换后，i′_M，i′_T已经变为直流量，i′_M，i′_T所在的轴系我们称作M′T′旋转坐标系。

三相静止坐标系转换成两相M′T′旋转坐标系的过程是：先将三相静止坐标系转换成两相旋转dq坐标系，然后，再将两相旋转dq坐标系转换成两相M′T′旋转坐标系，具体过程为：

三相定子电流为：

先将三相对称正弦电流，从三相静止坐标系变换到两相旋转dq坐标系，得：

任意假定一转子初始角θ′₀通过如下公式变换：

此时变换后的i′_M，i′_T已经变为直流量，其所在的轴系我们称为MT轴系。

综上所述，给定一个假定转子初始角θ′₀，三相定子电流变换到M′T′轴系的关系为：

$\left(\begin{array}{c}{i}_M^{\′}\\ i_T^{\′}\end{array}\right)=\sqrt{\frac{2}{3}}\left(\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_M& \sin {\mathrm{\θ}}_M\\ -\sin {\mathrm{\θ}}_M& \cos {\mathrm{\θ}}_M\end{array}\right)\left(\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{i}_A\\ i_B\\ i_C\end{array}\right),$

其中θ_M＝ω_st+θ′₀。

步骤三中，找出实际转矩电流分量。当实际的负载转矩波动，或人为使电机负载转矩发生变化时，监测i′_M，i′_T的值，记录其变化值Δi′_M，Δi′_T。若Δi′_M≈0，则假定转矩电流分量i′_T与实际转矩电流分量相等；若Δi′_M≠0，则假定转矩电流分量i′_T与实际转矩电流分量不相等，那么改变假定角度θ′₀，利用新角度重新将三相定子电流变换到MT轴系，当实际负载转矩发生变化时，重新判断Δi′_M是否为零。重复上述方法，直至Δi′_M≈0为止，此时得到与实际转矩电流分量相等的假定转矩电流分量i′_T，即可通过i′_T计算判断负载转矩波动情况。

步骤三获取实际转矩电流分量的过程为：

步骤31、给感应电机的负载转矩施加一个周期的固定扰动，并于一个周期结束时记录假定励磁电流分量i′_M和假定转矩电流分量i′_T的数值，

步骤32、增大假定转子初始角度θ′₀，

步骤33、给感应电机的负载转矩再施加一个周期的固定扰动，并于一个周期结束后记录假定励磁电流分量i′_M和假定转矩电流分量i′_T的数值，

步骤34、判断步骤31和步骤33两次记录的假定励磁电流分量i′_M的差值Δi′_M是否趋近于零，

判断结果为否，执行步骤35；判断结果为是，将此时的假定转矩电流分量i′_T作为实际转矩电流分量，步骤三完成；

步骤35、判断本周期假定励磁电流分量是否大于第一个周期假定励磁电流分量，

判断结果为是，继续增大假定转子初始角度θ′₀，然后返回执行步骤33，直至Δi′_M趋近于零，获取实际转矩电流分量；判断结果为否，减小假定转子初始角度θ′₀，然后返回执行步骤33，直至Δi′_M趋近于零，获取实际转矩电流分量。

由感应电机矢量控制原理可知，当θ′₀为任意值时，经过上述的坐标变换可将定子三相电流变换到无数的M′T′轴系，当取电动机的实际转子磁链矢量

的空间坐标作为M′轴的定向坐标时，就可以将定子电流解耦为励磁电流分量和转矩电流分量。此时的励磁电流分量仅与感应电机的磁场有关，转矩电流分量仅与负载转矩有关，二者完全解耦。即存在一初始角度θ₀和与之对应的MT轴系(无数的M′T′轴系中的一个)，只要取

的坐标θ_M(θ_M＝ω_st+θ₀)作为MT轴系的定向坐标，就可以将定子电流解耦为励磁电流分量i_M和转矩电流分量i_T，二者完全解耦。其中i_M仅与感应电机磁场有关，而与负载转矩无关，那么当感应电机负载转矩发生变化时，i_T随着负载转矩的改变而改变，但是i_M并不发生改变。上述方法即为沿转子磁场方向定向的感应电机矢量控制的原理。

如图2所示，M′T′轴系是任任意初始角θ′₀时对应的变换后的轴系。MT轴系是当沿转子磁场方向定向即初始角为θ₀时对应的变换后的轴系。显然如图2所示，若实际负载转矩波动，在实际转矩分量T轴上会产生转矩电流的波动Δi_T，在励磁电路分量上不产生波动，而对于任意取初始角θ′₀(不等于θ₀)所产生的M′T′轴系，转矩电流Δi_T在M′和T′轴上分别投影出Δi′_M和Δi′_T，即假定励磁电流分量波动和假定转矩电流分量波动。可以看出，此时负载转矩的变化在M′和T′轴上都有相应的电流变化，即转矩电流分量和励磁电流分量并没有实现解耦。那么，反过来若通过改变任意给定的初始角θ′₀，最后达到当实际负载转矩变化时，在M′T′轴系当中仅在T′轴上产生假定转矩电流分量波动Δi′_T，而在M′轴上，假定励磁电流分量波动Δi′_M波动为零。那么此时即实现了假定励磁电流分量和假定转矩电流分量的解耦。也就是说取这时的θ′₀为初始角，显然有θ₀＝θ′₀，i_M＝i′_M，i_T＝i′_T，即实现了假定M′T′轴系沿转子磁场方向定向，得到的假定转矩电流分量即为实际转矩电流分量，进而判断负载转矩的波动情况。

当电机负载转矩可以加周期性的固定扰动时，任意给定一初始角度θ′₀，将定子电流变换到M′T′轴系，当一个周期负载转矩扰动结束后，记录M′轴上的i′_M的变化量。增加(或减小)初始角度θ′₀，重新将定子电流变换到新的M′T′轴系，在下一个负载转矩扰动周期结束后记录M′轴上的i′_M的新的变化量，并与前一个周期i′_M的变化量比较，若其小于前一周期的变化量，则增加初始角度是正确的变化方向；若其大于前一周期的变化量，则减小初始角度是正确的变化方向。根据前面所得的正确方向改变初始角θ′₀，直至M′轴上的i′_M的变化量为止，此时就得到了与实际转矩电流分量相等的假定负载转矩电流分量。

当电机负载转矩上有任意的负载转矩扰动时，MT轴系与M′T′轴系的关系如图3所示，其中Δθ为θ₀和θ′₀的差值。由图3中的关系可知：

Δi_M＝Δi′_McosΔθ-Δi′_TsinΔθ

当负载转矩发生变化时励磁电流分量Δi_M为零，那么由上式可知：

tan Δθ＝Δi′_M/Δi′_T，那么：

Δθ＝arctanΔi′_M/Δi′_T

任取初始角度θ′₀，将定子电流变换到M′T′轴系，当负载转矩发生变化后，记录假定励磁电流分量的变化量Δi′_M和假定转矩电流分量的变化量Δi′_T，通过上式计算Δθ，并对θ′₀增加(或减少)Δθ，再利用新计算出的θ′₀将定子电流变换到M′T′轴系，在下一次负载扰动后，重新记录假定励磁电流分量的变化量Δi′_M和假定转矩电流分量的变化量Δi′_T，并计算新的Δθ，与上次计算的Δθ比较，若小于上次计算的Δθ，则增加θ′₀是正确的变化方向；相反，若大于上次计算的Δθ，则减小θ′₀是正确的变化方向。根据前面所得的正确方向改变初始角θ′₀，直至M′轴上的i′_M的变化量为止，此时就得到了与实际转矩电流分量相等的假定负载转矩电流分量。

步骤四中根据步骤三获取的实际转矩电流分量估算感应电机的负载转矩按如下公式进行：

$T_e=\frac{n_p{L}_m}{L_r}{i}_T{\mathrm{\ψ}}_r,$

其中，T_e为感应电机的负载转矩，

i_T为实际转矩电流分量，

n_p为感应电机的额定转速，

L_m为主磁通电感，

L_r为转子电感，

ψ_r为转子磁链。

Claims (4)

1.一种以电流传感器为基础的感应电机转矩测量方法，其特征在于，它包括以下步骤：

步骤一、利用电流霍尔传感器采样感应电机的三相定子电流；

步骤二、给出一个假定的转子初始角度，将步骤一采样获得的三相静止坐标系下的三相定子电流进行坐标变换，分解为假定励磁电流分量和假定转矩电流分量；

步骤三、给感应电机施加周期性固定扰动，并多次改变转子初始角度，针对每一个转子初始角度，通过步骤一和二获得对应的假定励磁电流分量和假定转矩电流分量，当获得的某一个转子初始角度对应的假定励磁电流分量的变化量趋近于零时，将该转子初始角度对应的假定转矩电流分量作为实际转矩电流分量；

步骤四、根据步骤三获取的实际转矩电流分量估算感应电机的负载转矩。

2.根据权利要求1所述的一种以电流传感器为基础的感应电机转矩测量方法，其特征在于，步骤二中将步骤一采样获得的三相静止坐标系下的三相定子电流进行坐标变换，按如下公式进行变换分解为假定励磁电流分量和假定转矩电流分量是：

$\left(\begin{array}{c}{i}_M^{\′}\\ i_T^{\′}\end{array}\right)=\sqrt{\frac{2}{3}}\left(\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_M& \sin {\mathrm{\θ}}_M\\ -\sin {\mathrm{\θ}}_M& \cos {\mathrm{\θ}}_M\end{array}\right)\left(\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{i}_A\\ i_B\\ i_C\end{array}\right),$

其中：i′_M为假定励磁电流分量，

i′_T为假定转矩电流分量，

i_A、i_B和i_C为三相静止坐标下的三相定子电流，

θ_M为假定转子位置角，且θ_M＝ω_st+θ′₀，式中，ω_s为三相定子电流的角频率，θ′₀为假定的转子初始角度。

3.根据权利要求1所述的一种以电流传感器为基础的感应电机转矩测量方法，其特征在于，步骤三获取实际转矩电流分量的过程为：

步骤31、给感应电机的负载转矩施加一个周期的固定扰动，并于一个周期结束时记录假定励磁电流分量i′_M和假定转矩电流分量i′_T的数值，

步骤32、增大假定转子初始角度θ′₀，

步骤33、给感应电机的负载转矩再施加一个周期的固定扰动，并于一个周期结束后记录假定励磁电流分量i′_M和假定转矩电流分量i′_T的数值，

步骤34、判断步骤31和步骤33两次记录的假定励磁电流分量i′_M的差值Δi′_M是否趋近于零，

判断结果为否，执行步骤35；判断结果为是，将此时的假定转矩电流分量i′_T作为实际转矩电流分量，步骤三完成；

步骤35、判断本周期假定励磁电流分量是否大于上一个周期假定励磁电流分量，

判断结果为是，继续增大假定转子初始角度θ′₀，然后返回执行步骤33，直至Δi′_M趋近于零，获取实际转矩电流分量；判断结果为否，减小假定转子初始角度θ′₀，然后返回执行步骤33，直至Δi′_M趋近于零，获取实际转矩电流分量。

4.根据权利要求1所述的一种以电流传感器为基础的感应电机转矩测量方法，其特征在于，步骤四中根据步骤三获取的实际转矩电流分量估算感应电机的负载转矩按如下公式进行：

$T_e=\frac{n_p{L}_m}{L_r}{i}_T{\mathrm{\ψ}}_r,$

其中，T_e为感应电机的负载转矩，

i_T为实际转矩电流分量，

n_p为感应电机的额定转速，

L_m为主磁通电感，

L_r为转子电感，

ψ_r为转子磁链。

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