CN102236074B - 用于辨识感应电机的参数的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于辨识感应电机参数的方法和实现该方法的装置。所述方法包括：周期地向感应电机的转子磁化电流中注入正弦波信号，所述正弦波信号的频率和幅度小于预定频率值和预定幅度值；根据输入所述感应电机的定子电压的实际值和所述感应电机输出的定子电流的实际值，利用所述感应电机的全阶状态观测器来获取所述感应电机的定子电流的观测值和转子磁链的观测值；根据所述正弦波信号的周期和所述转子磁链的观测值来计算所述感应电机的转子磁链相对于所述感应电机的转子磁化电流的相位角延迟；以及根据所述计算的相位角延迟来计算所述感应电机的转子电阻，和/或根据所述定子电流的观测值与所述定子电流的实际值之间的差值和所述定子电流的观测值来计算所述感应电机的定子电阻，和/或根据所述定子电流的观测值与所述定子电流的实际值之间的差值和所述转子磁链的观测值来计算所述感应电机的转子转速。利用本发明的装置和方法能够准确地获取感应电机的参数。

Description

用于辨识感应电机的参数的装置和方法

技术领域

本发明涉及用于辨识感应电机的参数的装置和方法。 

背景技术

由于高的速度精确性和快速的扭矩响应，用于感应电机的矢量控制技术广泛应用在许多工业领域中。 

在早期的矢量控制技术中，需要在感应电机上安装速度传感器来检测感应电机的转子转速。然而，由于在一些应用中，在感应电机上安装速度传感器非常不方便，所以人们提出了不需要在感应电机上安装速度传感器来检测转子转速的无速度传感器矢量控制技术。 

在无速度传感器矢量控制技术中，为了实现对感应电机的高性能控制，需要建立精确的感应电机模型。感应电机模型的精确性主要依靠感应电机的各个参数。然而，在感应电机的各个参数中，感应电机的转子电阻和定子电阻随着感应电机的负载和温度的改变而变化，并且作为动态参数的转子转速也是时变的。 

发明内容

本发明的实施例提供一种用于辨识感应电机的参数的装置和方法，利用该装置和方法能够准确地获取感应电机的参数。 

按照本发明实施例的一种用于辨识感应电机的参数的装置，包括：信号注入模块，用于周期地向感应电机的转子磁化电流中注入正弦波信号，其中，所述正弦波信号的频率和幅度分别小于所述感应电机的额定频率和额定电 流幅度；全阶状态观测器，用于根据输入所述感应电机的定子电压的实际值和所述感应电机输出的定子电流的实际值来获取所述感应电机的定子电流的观测值和转子磁链的观测值；计算模块，用于根据所述正弦波信号的周期和所述转子磁链的观测值来计算所述感应电机的转子磁链相对于所述感应电机的转子磁化电流的相位角延迟量；以及，辨识模块，用于根据所述计算的相位角延迟量来计算所述感应电机的转子电阻，和/或用于根据所述定子电流的观测值与所述定子电流的实际值之间的差值和所述定子电流的观测值来计算所述感应电机的定子电阻，和/或用于根据所述定子电流的观测值与所述定子电流的实际值之间的差值和所述转子磁链的观测值来计算所述感应电机的转子转速。 

按照本发明实施例的一种用于辨识感应电机的参数的方法，包括步骤：周期地向感应电机的转子磁化电流中注入正弦波信号，其中，所述正弦波信号的频率和幅度小于预定频率值和预定幅度值；根据输入所述感应电机的定子电压的实际值和所述感应电机输出的定子电流的实际值，利用所述感应电机的全阶状态观测器来获取所述感应电机的定子电流的观测值和转子磁链的观测值；根据所述正弦波信号的周期和所述转子磁链的观测值来计算所述感应电机的转子磁链相对于所述感应电机的转子磁化电流的相位角延迟；以及，根据所述计算的相位角延迟来计算所述感应电机的转子电阻，和/或根据所述定子电流的观测值与所述定子电流的实际值之间的差值和所述定子电流的观测值来计算所述感应电机的定子电阻，和/或根据所述定子电流的观测值与所述定子电流的实际值之间的差值和所述转子磁链的观测值来计算所述感应电机的转子转速。 

附图说明

本发明的其他目的、特征和优点通过以下结合附图的详细描述将变得更 加显而易见。其中： 

图1示出了按照本发明一个实施例的感应电机的全阶状态观测器的示意图； 

图2和图3分别示出了按照本发明一个实施例的全阶状态观测器的仿真结果示意图； 

图4示出按照本发明一个实施例的感应电机的转子磁链相对于转子磁化电流的相位角延迟的示意图； 

图5和图6分别示出了按照本发明一个实施例的辨识定子电阻的仿真结果示意图； 

图7和图9分别示出了按照本发明一个实施例的辨识转子电阻的仿真结果示意图； 

图8和图10分别示出了按照本发明一个实施例的辨识转子转速的仿真结果示意图；以及 

图11示出了按照本发明一个实施例的用于辨识感应电机的参数的装置的示意图。 

具体实施方式

下面，将结合附图来详细描述本发明的各个实施例。 

下面，首先简要描述按照本发明一个实施例的辨识感应电机的参数的基本思路。 

在本实施例中，结合模型参考自适应(MRAS)方法和注入低频低幅度正弦波信号方法来辨识感应电机的参数。 

在静止α-β坐标系下，感应电机可以表示为以下等式(1)和等式(2) 所示出的状态方程。 

$\frac{d}{\mathrm{dt}}X=\mathrm{AX}+B{u}_s---\left(1\right)$

i_s＝CX    (2) 

其中， $X={[i_{\mathrm{s\α}},i_{\mathrm{s\β}},{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\α}},{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\β}}]}^T,$ i_s是感应电机的定子电流，i_sα和i_sβ分别是感应电机的定子电流i_s在静止α-β坐标系的α轴分量和β轴分量，ψ_rα和ψ_rβ分别是感应电机的转子磁链ψ_r在静止α-β坐标系的α轴分量和β轴分量。 

u_s＝[u_sα，u_sβ]^T，u_s是感应电机的定子电压，u_sα和u_sβ分别是感应电机的定子电压u_s在静止α-β坐标系的α轴分量和β轴分量。 

B＝[B₁，0］^T，其中B₁＝1/(σL_s)I，σ是漏磁系数并且

L_s是感应电机的定子的自感，L_M是感应电机的定子和转子的互感，L_r是感应电机的转子的自感， $I=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right].$

$A=\left[\begin{array}{cc}{a}_{11}& a_{12}\\ a_{21}& a_{22}\end{array}\right],$ 其中， $a_{11}=-(\frac{R_s}{\mathrm{\σ}{L}_s}+\frac{1-\mathrm{\σ}}{\mathrm{\σ}{T}_r})\×I=a_{r11}I,$ $a_{12}=\frac{L_m}{\mathrm{\σ}{L}_s{L}_r}(\frac{1}{T_r}I-{\mathrm{\ω}}_{r}J)=a_{r12}I+a_{i11}J,$ $a_{21}=\frac{L_m}{T_r}I=a_{r21}I,$ $a_{22}=-\frac{1}{T_r}I+{\mathrm{\ω}}_{r}J=a_{r22}I+a_{i22}J,$ $T_r=\frac{L_r}{R_r},$ $J=\left[\begin{array}{cc}0& -1\\ 1& 0\end{array}\right],$ R_s和R_r分别是感应电机的定子电阻和转子电阻，T_r是感应电机的转子时间常数，ω_r是感应电机的转子转速。 

C＝[I  0]。 

根据上面等式(1)和等式(2)描述的感应电机的状态方程，可以得到如下等式(3)描述的感应电机的全阶状态观测器，该全阶状态观测器如图1 所示。 

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\hat{X}=\hat{A}\hat{X}+B{u}_s+L({\hat{i}}_s-i_s)---\left(3\right)$

其中，

是X的观测值(即估计值)，

是A的估计值，

是感应电机的定子电流i_s的观测值。 

L是全阶状态观测器的增益矩阵并且 $L={\left[\begin{array}{cccc}{g}_1& g_2& g_3& g_4\\ -g_2& g_1& -g_4& g_3\end{array}\right]}^T,$ 其中，g₁＝(k-1)(a_r11+a_r22)，g₂＝(k-1)a_i22，g₃＝(k²-1)(ca_r11+a_r21)-c(k-1)(a_r11+a_r22)，g₄＝-c(k-1)a_i22，k是全阶状态观测器的极点相对于感应电机的极点的比例常数，以及c＝(σL_sL_r)/L_m。 

图2和图3分别示出了按照本发明一个实施例的全阶状态观测器的仿真结果示意图。其中，图2示出了当感应电机的负载为100％额定负载、转子转速为10Hz以及定子电阻和转子电阻的实际值已经分别变为定子电阻初始值和转子电阻初始值的1.5倍时转子磁链的实际值ψ_real和观测值ψ_observe、转子磁链的实际幅度和观测幅度之间的误差amp_error以及转子磁链的实际相位角和观测相位角之间的误差ang_error，图3示出了当感应电机的负载为100％额定负载、转子转速为10Hz以及定子电阻和转子电阻的实际值已经分别变为定子电阻初始值和转子电阻初始值的0.5倍时转子磁链的实际值ψ_real和观测值ψ_observe、转子磁链的实际幅度和观测幅度之间的误差amp_error以及转子磁链的实际相位角和观测相位角之间的误差ang_error。从图2和图3可以看出，在稳态情况下，转子磁链的实际幅度和观测幅度之间的误差小于0.5％，以及，转子磁链的实际相位角和观测相位角之间的误差小于0.2％。由此可见，采用全阶状态观测器所观测得到的感应电机的转子磁链是非常准确的。 

根据公知的李雅普诺夫稳定性理论，通过等式(3)可以推导出用于辨识感应电机的定子电阻的等式(4)和用于辨识感应电机的转子转速的等式(5)，具体如下所示。 

$\frac{d}{\mathrm{dt}}{\hat{R}}_s=k_{\mathrm{res}}*({\hat{i}}_{\mathrm{s\α}}*{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{is}\∂}+{\hat{i}}_{\mathrm{s\β}}*{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{is\β}})---\left(4\right)$

$\frac{d}{\mathrm{dt}}{\widehat{\mathrm{\ω}}}_r=k_{\mathrm{sp}}*({\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{r\α}}*{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{is\β}}-{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{r\β}}*{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{is\α}})---\left(5\right)$

其中，k_res和k_sp分别是感应电机的定子电阻的辨识系数和转子转速的辨识系数，它们可以根据实际情况设定。 

和

分别是感应电机的定子电流的观测值

在静止α-β坐标系的α轴分量和β轴分量。 

和

其中，i_sα和i_sβ分别是感应电机的定子电流的实际值i_s在静止α-β坐标系的α轴分量和β轴分量。 

和

分别是感应电机的转子磁链的观测值

在静止α-β坐标系的α轴分量和β轴分量。 

当向感应电机的转子的磁化电流注入低频低幅度正弦波信号时，其中，该低频低幅度正弦波信号的频率和幅度分别小于感应电机的额定频率和额定电流幅度，注入有该低频低幅度正弦波信号的转子磁化电流通过一阶惯性环节产生感应电机的转子磁链，该产生的转子磁链相对于该注入有低频低幅度正弦波信号的转子磁化电流具有相位角延迟θ(如图4所示)，其中，该相位角延迟θ与感应电机的转子的时间常数T_r、电流环响应时间T_cur和该注入的低频低幅度正弦波信号的频率f有关，具体如下面的等式(6)所示。 

tgθ＝2×π×f×(T_r+T_cur)    (6) 

如前面描述的，

所以根据等式(6)，可以推导出用于辨识感应电机的转子电阻的等式(7)，具体如下。 

$R_r=L_r/(\frac{\mathrm{tg\θ}}{2\×\mathrm{\π}\×f}-T_{\mathrm{cur}})---\left(7\right)$

在等式(7)中，感应电机的转子自感L_r、电流环响应时间T_cur和该注入的低频低幅度正弦波信号的频率f都是已知量，所以只要测量得到相位角延迟θ，即可利用等式(7)来计算得到感应电机的转子电阻。 

当相位角延迟θ太小时，可能导致不能直接测量得到相位角延迟的准确值，所以在这里可以利用积分的方式通过下面的等式(8)来计算相位角延迟θ。 

$\mathrm{tg\θ}=\frac{K_0/2-K_1}{K_2-K_0/2}---\left(8\right)$

K₀，K₁和K₂是中间变量，其中： 

$K_0={\∫}_{-T/4}^{3T/4}({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ro}}+A\×\sin (2\×\mathrm{\π}\×f\×t-\mathrm{\θ}))\mathrm{dt},$

$K_1={\∫}_{-T/4}^{T/4}({\mathrm{\ψ}}_{r0}+A\×\sin (2\×\mathrm{\π}\×f\×t-\mathrm{\θ}))\mathrm{dt},$

$K_2={\∫}_0^{T/2}({\mathrm{\ψ}}_{r0}+A\×\sin (2\×\mathrm{\π}\×t-\mathrm{\θ}))\mathrm{dt}$

其中，ψ_ro+A×sin(2×π×f×t-θ)是感应电机的转子磁链的实际值，ψ_r0是感应电机在稳态情况下的转子磁链，A是所注入的低频低幅度正弦波信号的幅度值，T是所注入的低频低幅度正弦波信号的周期。 

由前面的描述可知，采用全阶状态观测器所观测得到的感应电机的转子磁链是非常准确的，因此，在计算K₀，K₁和K₂时，可以利用全阶状态观测器所观测得到的感应电机的转子磁链来替代感应电机的转子磁链的实际值，具体如下面的等式(9)～等式(11)所示。 

$K_0={\∫}_{-T/4}^{3T/4}\left({\widehat{\mathrm{\ψ}}}_r\right)\mathrm{dt}---\left(9\right)$

$K_1={\∫}_{-T/4}^{T/4}\left({\widehat{\mathrm{\ψ}}}_r\right)\mathrm{dt}---\left(10\right)$

$K_2={\∫}_0^{T/2}\left({\widehat{\mathrm{\ψ}}}_r\right)\mathrm{dt}---\left(11\right)$

其中，

是利用全阶状态观测器观测得到的感应电机的转子磁链。 

图5和图6分别示出了按照本发明一个实施例的辨识定子电阻的仿真结果示意图。其中，图5示出了当感应电机的负载为100％额定负载、转子转速为10Hz以及定子电阻和转子电阻的实际值已经分别变为定子电阻初始值和转子电阻初始值的1.5倍时定子电阻的实际值Rs_real和辨识值Rs_identify，图6示出了当感应电机的负载为100％额定负载、转子转速为10Hz以及定子电阻和转子电阻的实际值已经分别变为定子电阻初始值和转子电阻初始值的0.5倍时定子电阻的实际值Rs_real和辨识值Rs_identify。从图5和图6可以看出，在稳态情况下，定子电阻的辨识误差小于0.5％。由此可见，定子电阻的辨识是非常准确的。 

图7和图9分别示出了按照本发明一个实施例的辨识转子电阻的仿真结果示意图，图8和图10分别示出了按照本发明一个实施例的辨识转子转速的仿真结果示意图。其中，图7示出了当感应电机的负载为100％额定负载、转子转速为10Hz以及定子电阻和转子电阻的实际值已经分别变为定子电阻初始值和转子电阻初始值的1.5倍时转子电阻的实际值Rr_real和辨识值Rr_identify，图9示出了当感应电机的负载为100％额定负载、转子转速为10Hz以及定子电阻和转子电阻的实际值已经分别变为定子电阻初始值和转子电阻初始值的0.5倍时转子电阻的实际值Rr_real和辨识值Rr_identify，图8示出了当感应电机的负载为100％额定负载、转子转速为10Hz以及定子电阻和转子电阻的实际值已经分别变为定子电阻初始值和转子电阻初始值的1.5倍时转子转子转 速的实际值Speed_real、参考值Speed_ref和辨识值Speed_obs，以及图10示出了当感应电机的负载为100％额定负载、转子转速为10Hz以及定子电阻和转子电阻的实际值已经分别变为定子电阻初始值和转子电阻初始值的0.5倍时转子转子转速的实际值Speed_real、参考值Speed_ref和辨识值Speed_obs。由图7和图9可以看出，在4个辨识周期之后，转子电阻的辨识值基本上汇聚于转子电阻的实际值，并且转子电阻的辨识值和实际值之间的误差小于0.5％。从图8和图10可以看出，在稳态的情况下，转子转速的实际值和辨识值之间的误差非常小，并且转子转速的辨识值非常接近转子转速的参考值。由此可见，转子电阻和转子转速的辨识也是非常准确的。 

下面详细描述按照本发明一个实施例的基于上面描述的基本思路的用于辨识感应电机的参数的装置。 

图11示出了按照本发明一个实施例的用于辨识感应电机的参数的装置的示意图。如图11所示，用于辨识感应电机的参数的装置10可以包括信号注入模块110、全阶状态观测器120、计算模块130和辨识模块140。 

其中，信号注入模块110用于周期地向感应电机的转子磁化电流中注入正弦波信号，其中，该注入的正弦波信号的频率和幅度分别小于感应电机的额定频率和额定电流幅度。 

全阶状态观测器120用于根据输入感应电机的实际定子电压u_s和感应电机输出的实际定子电流i_s来获取感应电机的定子电流的观测值

和转子磁链的观测值

。 

计算模块130用于根据所注入的正弦波信号的周期T和转子磁链的观测值

来计算感应电机的转子磁链相对于所述感应电机的转子磁化电流的相位角延迟θ。具体地，参考上面描述的等式(8)-等式(10)来计算相位角延迟θ 

辨识模块140用于根据所计算的相位角延迟θ利用等式(7)来计算感应电机的转子电阻，根据定子电流的观测值

与定子电流的实际值i_s之间的差值和定子电流的观测值

利用上面描述的等式(4)来计算感应电机的定子电阻，以及根据定子电流的观测值

与定子电流的实际值i_s之间的差值和转子磁链的观测值

利用上面描述的等式(5)来计算感应电机的转子转速。 

本领域技术人员应当理解，虽然在上面描述的实施例中，辨识模块140用于同时计算感应电机的转子电阻、定子电阻和转子转速，然而，本发明并不局限于此。在本发明的其他一些实施例中，辨识模块140也可以只计算感应电机的转子电阻，或者计算感应电机的转子电阻以及定子电阻和转子转速的其中之一或其任意组合。 

本领域技术人员应当理解，上面描述的信号注入模块110、全阶状态观测器120、计算模块130和辨识模块140可以利用软件、硬件或软硬件相结合的方式来实现。 

本领域技术人员应当理解，上面所公开的本发明的各个实施例，可以在没有偏离发明实质的情况下作出各种改变、变化和修改，并且这些改变、变化和修改都应当落入本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应当由权利要求书来定义。 

Claims (6)

1.一种用于辨识感应电机的参数的装置，包括：

信号注入模块，用于周期地向感应电机的转子磁化电流中注入正弦波信号，其中，所述正弦波信号的频率和幅度分别小于所述感应电机的额定频率和额定电流幅度；

全阶状态观测器，用于根据输入所述感应电机的定子电压的实际值和所述感应电机输出的定子电流的实际值来获取所述感应电机的定子电流的观测值和转子磁链的观测值；

计算模块，用于根据所述正弦波信号的周期和所述转子磁链的观测值来计算所述感应电机的转子磁链相对于所述感应电机的转子磁化电流的相位角延迟；以及

辨识模块，用于根据所述计算的相位角延迟来计算所述感应电机的转子电阻，和/或用于根据所述定子电流的观测值与所述定子电流的实际值之间的差值和所述定子电流的观测值来计算所述感应电机的定子电阻，和/或用于根据所述定子电流的观测值与所述定子电流的实际值之间的差值和所述转子磁链的观测值来计算所述感应电机的转子转速。

2.如权利要求1所述的装置，其中，用于计算所述相位角延迟的等式如下：

$\mathrm{tg\θ}=\frac{K_0/2-K_1}{K_2-K_0/2}$

其中，θ表示所述相位角延迟，

T表示所述注入的正弦波信号的周期，以及表示所述转子磁链的观测值。

3.如权利要求2所述的装置，其中，用于计算所述转子电阻的等式如下：

$R_r=\frac{L_r}{\frac{\mathrm{tg\θ}}{2\×\mathrm{\π}\×f}-T_{\mathrm{cur}}}$

其中，R_r表示所述感应电机的转子电阻，T_cur表示电流环响应时间，以及L_r表示所述感应电机的转子电感。

4.如权利要求1所述的装置，其中，用于计算所述定子电阻的等式如下：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}{\hat{R}}_s=k_{\mathrm{res}}*({\hat{i}}_{\mathrm{s\α}}*{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{is}\∂}+{\hat{i}}_{\mathrm{s\β}}{*\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{is\β}})$

其中，表示所述定子电阻，k_res表示所述定子电阻的辨识系数，

和

分别表示所述定子电流的观测值在静止α-β坐标系中的α轴分量和β轴分量，

以及i_sα和i_sβ分别表示所述定子电流的实际值在静止α-β坐标系中的α轴分量和β轴分量。

5.如权利要求1所述的装置，其中，用于计算所述转子转速的等式如下：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}{\widehat{\mathrm{\ω}}}_r=k_{\mathrm{sp}}*({\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{r\α}}*{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{is\β}}-{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{r\β}}*{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{is\α}})$

其中，

表示所述转子转速，k_sp表示所述转子转速的辨识系数，

和

分别表示所述转子磁链的观测值在静止α-β坐标系中的α轴分量和β轴分量，

和

分别表示所述定子电流的观测值在静止α-β坐标系中的α轴分量和β轴分量，以及i_sα和i_sβ分别表示所述定子电流的实际值在静止α-β坐标系中的α轴分量和β轴分量。

6.一种用于辨识感应电机的参数的方法，包括步骤：

周期地向感应电机的转子磁化电流中注入正弦波信号，其中，所述正弦波信号的频率和幅度小于预定频率值和预定幅度值；

根据输入所述感应电机的定子电压的实际值和所述感应电机输出的定子电流的实际值，利用所述感应电机的全阶状态观测器来获取所述感应电机的定子电流的观测值和转子磁链的观测值；

根据所述正弦波信号的周期和所述转子磁链的观测值来计算所述感应电机的转子磁链相对于所述感应电机的转子磁化电流的相位角延迟；以及

根据所述计算的相位角延迟来计算所述感应电机的转子电阻，和/或根据所述定子电流的观测值与所述定子电流的实际值之间的差值和所述定子电流的观测值来计算所述感应电机的定子电阻，和/或根据所述定子电流的观测值与所述定子电流的实际值之间的差值和所述转子磁链的观测值来计算所述感应电机的转子转速。

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