CN102193065A - 用于通用变频器的直线感应牵引电机参数自动识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于通用变频器的直线感应牵引电机参数自动识别方法，该方法首先将直线感应电机等效成dq模型，同时将逆变器的数学模型考虑进入直线感应电机的dq模型中；在通过传统空载与通入直流的实验方法来得到直线感应电机初级参数，然后，考虑次级与初级漏感不等的情况，采用直接从整个电路的等效电感

中解三阶多项式得出互感

从而可以分别求出初级电感

和次级漏感

通过定义β＝L_m/L_r，将直线感应电机与旋转感应电机参数识别方法统一，选择不同的β值即可识别不同类型的电机及其参数，即无论是直线感应电机还是旋转感应电机均可得到精确的参数。

Description

用于通用变频器的直线感应牵引电机参数自动识别方法

技术领域

本发明涉及一种电机参数的识别方法，尤其涉及一种用于通用变频器的牵引用直线感应电机的自动识别方法，属于电力传动技术领域。

背景技术

目前驱动感应电机的变频器所采用的均是矢量控制或直接转矩控制方法，这些方法的控制性能直接依赖于电机的参数获取方式以及所获取电机参数的精确度，所以精确的电机参数对于获得高性能控制效果是至关重要的因素。

在现有技术中以西门子和ABB公司为代表，其高端变频器具有自动识别所驱动感应电机参数的功能，即该变频器连接电机后自动运行识别程序模块，可以获取控制策略所需要的电机参数，但是现有技术中的这些电机参数识别方法仅限于旋转感应电机的参数识别，对直线感应电机则不适用。

现有技术中的变频器无法识别直线感应电机参数的主要原因在于，其识别方法只考虑了旋转感应电机的数学模型，没有涉及直线感应电机所具有的特殊物理现象，更没有找出二者之间的关系。例如，现有的旋转感应电机参数识别方法，其假设前提条件是旋转感应电机的电枢漏感和转子漏感相等，但是，直线感应电机的次级没有类似于旋转感应电机的鼠笼导条和短路环，其次级漏感远远小于初级漏感。

直线感应电机相对于旋转感应电机具有结构简单、定位精度高、反应速度快、灵敏度高、随动性好等诸多优点，更广泛应用于机车电力传动、磁悬浮列车、高层建筑电梯、矿井提升系统等场合，所以变频器对直线感应电机参数的识别就更加重要。

发明内容

本发明主要目的在于解决上述问题和不足，提供一种利用通用变频器识别直线感应牵引电机参数的自动识别方法，该方法可兼顾旋转感应电机的识别。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种用于通用变频器的直线感应牵引电机参数自动识别方法，该方法包括如下步骤：

1)将直线感应电机等效成dq模型，在电机静止时等效为一个等效电阻和一个等效电感的串联模型，将逆变器的数学模型同时考虑进入直线感应电机的dq模型中；

2)通入直流电压给电机，设定逆变器d轴电流指令为电机额定电流的1/2，q轴电流为零，由电流控制器得出考虑变频器死区影响的电机端电压

再测得电机端电流i_ds，从而计算出电机的初级电阻估计值

3)进行电机空载试验，计算出电机的初级电感估计值

4)保证分支电流流经次级回路是主要的，从而计算得到等效电阻的估计值

及等效电感的估计值

5)设定β＝L_m/L_r，其中L_m为互感，L_r为次级电感，通过选择不同的β值识别直线感应电机和旋转感应电机及其参数；

先验β值为

设定

其中，L_s为初级电感，直接从整个电路的等效电感估计值

中计算得出互感估计值

6)最终计算得出电机的次级漏感估计值初级电感估计值

次级电感估计值

次级电阻估计值

在上述步骤3)中，采用恒U/F策略进行空载试验，其中，频率f的取值范围小于18Hz。

在上述步骤4)中，设定q轴电流为零，d轴电流为正弦变化，并使用低通滤波器法计算等效电阻估计值及等效电感估计值

在上述步骤5)中，对于旋转感应电机的识别，

取0.95。

在上述步骤5)中，对于直线感应电机的识别，取0.92。

在上述步骤5)中，互感估计值

按照三阶多项式计算。

在求解三阶多项式时，将

赋值为

综上内容，本发明所提供的用于通用变频器的直线感应牵引电机参数自动识别方法，该方法是建立在将直线感应电机与旋转感应电机视为统一的基础上，所以其兼顾普通旋转感应电机参数的识别方式，即无论是直线感应电机还是旋转感应电机均可得到精确的参数。

该方法只需要在变频器中加入自动识别程序模块就可对电机参数进行确定，一方面不会增加设备和实验场地投资，另一方面可以在程序中灵活考虑次级及初级漏感不等情况，即可以同时对旋转型和直线型两种电机类型进行识别。

附图说明

图1本发明的流程图；

图2本发明直线感应电机dq模型图；

图3本发明直线感应电机等效电阻与等效电感估算的原理图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图1所示，本发明的整体思路是遵从传统空载与通入直流的实验方法来得到直线感应电机初级参数，但是在获得次级参数估计时，采用使得逆变器的i_d＝c，i_q＝0通入电机来代替堵转实验。然后，考虑次级与初级漏感不等的情况，采用直接从整个电路的等效电感中解三阶多项式得出互感

从而可以分别求出初级电感和次级漏感

同时在识别中使用低通滤波器算法得到功率P、电流i、电压的峰值u。

第1步骤：

如图2所示，考虑逆变器的直线感应电机dq模型。

首先将直线感应电机等效成dq模型，然后在电机静止的时候等效为一个电阻和一个电感的串联模型。

在这里考虑了由于死区时间造成的逆变器电压波动Δu_dqs，注意到Δu_dqs并不是一个常量并且它的变化会随着电流极性的变化而变化，公式表达如下：

$\mathrm{\Δ}{u}_{\mathrm{dqs}}=\mathrm{\Δ}{u}_{\mathrm{ds}}+\mathrm{j\Δ}{u}_{\mathrm{qs}}$

$=\frac{2}{3}\left\{\begin{array}{c}[\mathrm{sgn}\left(i_{\mathrm{as}}\right)-0.5\mathrm{sgn}\left(i_{\mathrm{bs}}\right)-0.5\mathrm{sgn}\left(i_{\mathrm{cs}}\right)]\\ +j\frac{\sqrt{3}}{2}[\mathrm{sgn}\left(i_{\mathrm{bs}}\right)-\mathrm{sgn}\left(i_{\mathrm{cs}}\right)]\end{array}\right\}\left(\frac{t_d}{T_s}{u}_{\mathrm{DC}}\right)---\left(1\right)$

其中，u_DC表示逆变器直流侧电压，T_s表示开关时间，t_d表示死区时间，sgn(g)表示符号函数。这样加在直线感应电机端的电压就为：

${\hat{u}}_{\mathrm{dqs}}={u^{*}}_{\mathrm{dqs}}-\mathrm{\Δ}{u}_{\mathrm{dqs}}---\left(2\right)$

这里u^* _dqs表示逆变器出口电压，这样就把逆变器的数学模型也同时考虑进入了直线感应电机的dq模型。

第2步骤：

计算初级电阻的估计值

对于估计初级电阻，设定逆变器d轴电流指令为电机额定电流的1/2，q轴电流为零。由电流控制器得出逆变器输出电压

(这个电压在程序中可以得到)，仅考虑d轴电压和测得的电流得初级电阻：

${\hat{R}}_1=\frac{{\hat{u}}_{\mathrm{ds}}}{i_{\mathrm{ds}}}---\left(3\right)$

其中，

表示初级的估计电阻，

表示考虑逆变器死区影响的电机端电压，i_ds为电机端电流。

第3步骤：

采用传统的电机空载试验方法计算初组级电感

在本发明中，采用恒U/F策略，并保持较高的压频比比值进行空载试验，计算初级电感

这里，

${\hat{L}}_s=\frac{Q}{{\mathrm{\ω}}_e({i^2}_{\mathrm{ds}}+{i^2}_{\mathrm{qs}})}=\frac{i_{\mathrm{ds}}{\hat{u}}_{\mathrm{qs}}-i_{\mathrm{qs}}{\hat{u}}_{\mathrm{ds}}}{{\mathrm{\ω}}_e({i^2}_{\mathrm{ds}}+{i^2}_{\mathrm{qs}})}---\left(4\right)$

这里的L_s@L_m+L₁，相应地，初级电感

为了减少边缘效应的影响，频率f＝ω_e/(2π)需要小于18Hz的取值范围。

其中，i_ds为电机端d轴电流；

i_qs代表为电机端d轴电流；

表示考虑逆变器死区影响的电机端d轴电压；

u_qs表示考虑逆变器死区影响的电机端d轴电压；

ω_e代表电源角频率。

第4步骤：

如图3所示，通过计算得到等效的电阻R_eq与等效电感L_eq的估计和

为了得到等效的电阻R_eq与等效电感L_eq的估计，次级回路必须流过较大的电流即分支电流流经次级回路是主要的。

为达到上述目的，令q轴电流为零；d轴电流正弦变化。公式即为：

i_qs＝0，i_ds＝Isin(ω_et)    (5)

使用低通滤波器法代替常用的瞬态值法，以避免寻找峰值时噪声的干扰。

其中，平均功率根据下式所得：

$P_{\mathrm{av}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{i}_{\mathrm{ds}}{u}_{\mathrm{qs}}d\left({\mathrm{\ω}}_{e}t\right)$

$=\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{I}^2\sin \left({\mathrm{\ω}}_{e}t\right)[R_{\mathrm{eq}}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{e}t\right)+{\mathrm{\ω}}_e{L}_{\mathrm{eq}}\cos \left({\mathrm{\ω}}_{e}t\right)]d\left({\mathrm{\ω}}_{e}t\right)---\left(6\right)$

$=\frac{R_{\mathrm{eq}}{I}^2}{2}$

峰值电流使用滤波器的方法，记LPF|i_ds|为单位增益的低通滤波器的输出，有：

$\mathrm{LPF}\left|i_{\mathrm{ds}}\right|=\frac{\mathrm{\α}}{p+\mathrm{\α}}I\left|\sin \left({\mathrm{\ω}}_{e}t\right)\right|=\frac{2I}{\mathrm{\π}}---\left(7\right)$

其中，p是微分算子，α是正常数满足α＝ω_e。因此，得到等效电阻：

$R_{\mathrm{eq}}=\frac{2P_{\mathrm{av}}}{I^2}\≈\frac{8P_{\mathrm{av}}}{{\mathrm{\π}}^2{\left(\mathrm{LPF}\right|i_{\mathrm{ds}}\left|\right)}^2}={\hat{R}}_{\mathrm{eq}}---\left(8\right)$

同样使用单位增益的低通滤波器得到等效电感：

$L_{\mathrm{eq}}\≈\frac{\mathrm{LPF}|u_{\mathrm{ds}}-R_{\mathrm{eq}}I\sin \left({\mathrm{\ω}}_{e}t\right)|}{{\mathrm{\ω}}_e\mathrm{ILPF}\left|\cos \left({\mathrm{\ω}}_{e}t\right)\right|}---\left(9\right)$

因为对于单位增益的低通滤波器有：

LPF|i_ds|＝ILPF|cos(ω_et)|＝ILPF|sin(ω_et)|    (10)

代入上(9)式可得：

${\hat{L}}_{\mathrm{eq}}=\frac{\mathrm{LPF}|{\hat{u}}_{\mathrm{ds}}-{\hat{R}}_{\mathrm{eq}}{i}_{\mathrm{ds}}|}{{\mathrm{\ω}}_e\mathrm{LPF}\left|i_{\mathrm{ds}}\right|}---\left(11\right)$

其中的

由(8)得到。

第5步骤：

计算得出互感

首先定义β＝L_m/L_r，其中，L_m为互感，L_r为次级电感，通过选择不同的β值识别直线感应电机和旋转感应电机及其参数。根据大量试验数值得出，对于旋转感应电机β取值为0.95左右；对于直线感应电机β取值为0.92左右。

先验β值为

设定

其中，L_s为初级电感，那么次级漏感、初级电感、次级电感、次级电阻计算如下：

${\hat{L}}_{\mathrm{lr}}\≈\frac{{\hat{L}}_m-{\mathrm{\δ}}_L}{\widehat{\mathrm{\β}}}---\left(12\right)$

${\hat{L}}_1={\hat{L}}_s-{\hat{L}}_m---\left(13\right)$

${\hat{L}}_r\≈\frac{(1+\widehat{\mathrm{\β}}){\hat{L}}_m-{\mathrm{\δ}}_L}{\widehat{\mathrm{\β}}}---\left(14\right)$

$R_r^{\%}\≈\frac{{\hat{R}}_{\mathrm{eq}}-{\hat{R}}_1}{{\mathrm{\β}}^2}---\left(15\right)$

上述公式(12)～(15)中唯一未知量互感的估计值

按照三阶多项式计算如下：

${{\hat{L}}_m}^3+A{{\hat{L}}_m}^2+B{\hat{L}}_m+C=0---\left(16\right)$

其中，

$A=\frac{-(1+\widehat{\mathrm{\β}}){\mathrm{\δ}}_L}{\widehat{\mathrm{\β}}}-\frac{{\mathrm{\δ}}_L}{1+\widehat{\mathrm{\β}}}---\left(17\right)$

$B=\frac{2{{\mathrm{\δ}}_L}^2}{\widehat{\mathrm{\β}}}---\left(18\right)$

$C=\frac{-{\mathrm{\δ}}_L\widehat{\mathrm{\β}}{R}_r^{\%2}}{{{\mathrm{\ω}}_e}^2(1+\widehat{\mathrm{\β}})}-\frac{{{\mathrm{\δ}}_L}^3}{\widehat{\mathrm{\β}}(1+\widehat{\mathrm{\β}})}---\left(19\right)$

上述公式(17)～(19)中的参数都是已知的，所以解(16)后可以得到

然后将

代入公式(12)～(15)中即可以得到

和

最后，依照下式求取更加精确的次级电阻估计值

即：

${\hat{R}}_r=\frac{{\left({\mathrm{\ω}}_e{\hat{L}}_m\right)}^2-\sqrt{{\left({\mathrm{\ω}}_e{\hat{L}}_m\right)}^4-{\left[2{\mathrm{\ω}}_e{\hat{L}}_m({\hat{R}}_{\mathrm{eq}}-{\hat{R}}_s)\right]}^2}}{2({\hat{R}}_{\mathrm{eq}}-{\hat{R}}_s)}---\left(20\right)$

其中，R_S代表初级电阻

在求解互感多项式(16)时，使用数值解法，首先令：

z_k＝s_k ³+As_k ²+Bs_k+C    (21)

其中，k＝1，2，3，……，并且{s_k}是实数。因为：

L_s-L_eq≈L_m-βL_lr    (22)

考虑到L_m？βL_lr，可见L_s-L_eq在L_m值的附近并且小于L_m。因此对于

比较好的办法是赋值为

即：计算多项式(16)从下式开始

$s_1={\hat{L}}_s-{\hat{L}}_{\mathrm{eq}}---\left(23\right)$

又因为L_s-L_eq小于L_m，所以每次步长Δ为正值，即：s_k+1＝s_k+Δ，且Δ＞0，循环结束的条件是对于k＝n，若有z_n+1·z_n＜0，那么我们选择互感的估计值为

${\hat{L}}_m=\frac{s_{n+1}+s_n}{2}---\left(24\right)$

如上所述，结合附图和实施例所给出的方案内容，可以衍生出类似的技术方案。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种用于通用变频器的直线感应牵引电机参数自动识别方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

1)将直线感应电机等效成dq模型，在电机静止时等效为一个等效电阻和一个等效电感的串联模型，将逆变器的数学模型同时考虑进入直线感应电机的dq模型中；

2)通入直流电压给电机，设定逆变器d轴电流指令为电机额定电流的1/2，q轴电流为零，由电流控制器得出考虑变频器死区影响的电机端电压

再测得电机端电流i_ds，从而计算出电机的初级电阻估计值

3)进行电机空载试验，计算出电机的初级电感估计值

4)保证分支电流流经次级回路是主要的，从而计算得到等效电阻的估计值

及等效电感的估计值

5)设定β＝L_m/L_r，其中L_m为互感，L_r为次级电感，通过选择不同的β值识别直线感应电机和旋转感应电机及其参数；

先验β值为

设定其中，L_s为初级电感，直接从整个电路的等效电感估计值

中计算得出互感估计值

6)最终计算得出电机的次级漏感估计值

初级电感估计值

次级电感估计值次级电阻估计值

2.根据权利要求1所述的用于通用变频器的直线感应牵引电机参数自动识别方法，其特征在于：在上述步骤3)中，采用恒U/F策略进行空载试验，其中，频率f的取值范围小于18Hz。

3.根据权利要求1所述的用于通用变频器的直线感应牵引电机参数自动识别方法，其特征在于：在上述步骤4)中，设定q轴电流为零，d轴电流为正弦变化，并使用低通滤波器法计算等效电阻估计值及等效电感估计值

4.根据权利要求1所述的用于通用变频器的直线感应牵引电机参数自动识别方法，其特征在于：在上述步骤5)中，对于旋转感应电机的识别，

取0.95。

5.根据权利要求1所述的用于通用变频器的直线感应牵引电机参数自动识别方法，其特征在于：在上述步骤5)中，对于直线感应电机的识别，

取0.92。

6.根据权利要求1所述的用于通用变频器的直线感应牵引电机参数自动识别方法，其特征在于：在上述步骤5)中，互感估计值

按照三阶多项式计算。

7.根据权利要求6所述的用于通用变频器的直线感应牵引电机参数自动识别方法，其特征在于：在求解三阶多项式时，将

赋值为

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