CN102611382A - 异步电机转子电阻的在线辨识方法 - Google Patents

Abstract

异步电机转子电阻的在线辨识方法。本发明涉及电机参数的在线辨识方法，特别涉及无速度传感器矢量控制系统中的转子电阻的在线辨识方法。独立于自适应全阶状态观测器的积分改进型电压模型磁链观测器，在系统动态调整中利用磁链瞬态变化的过程，采用自适应遗忘因子递推最小二乘算法结合积分改进型电压模型磁链观测器对转子电阻在线辨识；在系统稳态运行时采用每间隔一定的时间向给定转子磁链短暂注入一定谐波，形成磁链动态变化，采用自适应遗忘因子递推最小二乘算法结合积分改进型电压模型磁链观测器对转子电阻辨识，在线刷新自适应全阶状态观测器中的转子电阻值。本发明所述的电机转子电阻在线辨识方法能够测算出电机参数的变化，并对电机控制器进行调整，提高电机控制器的性能。

Description

异步电机转子电阻的在线辨识方法

技术领域

本发明涉及一种电机参数的辨识方法，特别涉及一种无速度传感器矢量控制系统中的转子电阻的在线辨识方法。

背景技术

三相异步电动机(本文简称“电机”或“电动机”)调速系统中，转速是一个很重要的控制量，因此须对速度进行闭环控制。由于速度传感器安装困难，增加了调速系统中的电缆及成本，并且在恶劣的环境下难以使用等原因，在过去二十多年里，无速度传感器电机驱动有了显著的发展。其中有基于电机数学模型的开环速度估计，基于PI自适应速度估计，基于模型参考自适应速度估计(包括基于转子磁链，基于反电势，基于无功功率及演变出其他的模型参考自适应速度估计)，基于自适应全阶状态观测器的速度估计，基于神经网络技术的速度估计，基于扩展卡尔曼滤波速度估计，基于最小二乘法速度估计等等。对电机来讲，自适应全阶状态观测器是很有前途的磁通观测器。

自适应全阶状态观测器也称为降维的龙伯格(Lunberger)观测器，选取转子磁链和定子电流为状态变量所构建的观测器，在辨识电机转速的同时观测转子磁链矢量大小及位置，对电机参数变化具有较好的鲁棒性，即使在低速时也有较好的性能，采用极点配置的方法保证观测器的稳定。

随着电机运行时间的增加，电动机参数特别是转子电阻发生变化，导致控制器性能变差甚至不能够正常运行。在无速度传感器矢量控制系统中，在基频以下采用恒转矩调速运行时，由于稳态时转子磁链保持不变，转速与转子电阻不能同时辨识，所以在无速度传感器矢量控制系统中同时辨识转速与转子电阻存在困难。经过多年的研究，出现了以下几种解决方法：1)在模型参考自适应系统中，构建自适应率辨识定子电阻，由离线时定子电阻与转子电阻之间的比值，在线辨识出转子电阻，该方法依赖定子电阻辨识的精度并且前提保证在相同的温升时定、转子电阻有相同的变化趋势；2)通过向定子电流励磁分量注入两种不同频率的谐波，构成自适应律辨识转子时间常数，给系统带来了额外的噪声与对输出电压、输出电流产生谐波；3)由开环数学模型估计转速，由其他方法如构建自适应率，基于神经网络技术辨识转子时间常数，同样稳态时转速与转子不能同时辨识；4)基于扩展卡尔曼滤波技术，计算复杂，不易于实现。系统参数辨识各方法中，最小二乘法由于原理简明，收敛较快，易于理解，易于编程实现等特点，在系统参数辨识估计中应用相当广泛。其中批处理最小二乘法每次处理的数据量较大，不仅占用内存大，而且不能用于参数在线实时估计，解决这类缺点就需要用到递推算法。

综上所述，目前已知的电机无速度传感器矢量控制系统转子电阻的辨识问题，要么采用的是注入多次谐波构建自适应机构辨识，要么单纯从动态下利用数学方法提取转子电阻的相关信息进行辨识；对于同时考虑到动态过程和稳态过程且不须长期注入谐波的无速度传感器转子电阻在线辨识技术基本未见涉及。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种无速度传感器矢量控制系统的电机转子电阻在线辨识方法，克服了电机上安装速度传感器困难以及速度传感器无法适应各种使用环境的缺陷，同时实现转子电阻的在线辨识，能够准确的测算出电机参数的变化，并对电机控制器进行调整，提高电机控制器的性能，使电机具有较好的鲁棒性。

异步电机转子电阻的在线辨识方法，其包括以下步骤：

a)电机启动运行，启动时给定电机的指定转速和转子磁链，同时启动第一定时器开始计时，此时全阶状态观测器中的转子电阻为离线检测值；

b)对电动机的运行状态进行检测，即通过辨识当前转速与给定电机转速的正负差值来判定系统是否处于动态状态；

c)如果判定为动态状态，则跳转到步骤d，如果判定为稳定状态，则跳转到步骤e；

d)启动第二定制器开始计时，磁链观测器测算转子磁链及转子电流，并将检测的值传递给递推最小二乘法计算单元，递推最小二乘法计算单元计算出实时状态下的转子电阻，跳转到步骤f；

e)判断第一定时器定时时间是否已到，若定时时间已到，则向无速度传感器矢量控制系统的磁链给定模块注入谐波信号，跳转到步骤d执行，然后跳转到步骤f，若第一定时器的定时时间还没到，则跳转到步骤g；

f)判断第二定时器定时时间是否已到，若定时时间已到，将计算得到的转子电阻在线刷新磁链观测器中的转子电阻值R_r，若定时时间还没到，则跳转到步骤g；此步骤中设置的定时器2的延时判定是由于转子电阻在变化过程中有渐变性，设置的延时判定是为了保证计算所得的转子电阻与实际值吻合，更好的提高电机的性能。

g)在线辨识过程结束，系统中转子电阻值为离线检测值。

步骤d中注入谐波信号为单次注入谐波信号，单次注入谐波信号克服了长期注入谐波信号给电机带来的转矩脉冲的问题，提高了电机运行的稳定性。

所述的注入谐波信号的频率为100HZ，所述的幅值为给定转子磁链幅值的1％。

一种采用权利要求1所述方法的转子电阻辨识装置，其特征在于：包括对电动机动稳态进行判定的状态监测判定单元，状态监测判定单元的输出与转子电阻计算单元连接。

所述的转子电阻计算单元包括对转子磁链进行观测的转子磁链观测单元以及递推最小二乘法计算单元，转子磁链观测单元观测转子磁链即转子电流，并将所得值传递给递推最小二乘法计算单元。

所述的转子磁链观测单元有低通滤波器和输出饱和补偿单元构成。

综上所述，本发明设计了一种无速度传感器矢量控制系统的电机转子电阻的在线辨识方法，能够根据电机的运行状态，对电机的转子电阻进行在线检测，并反馈给电机控制器，能更好的驱动电机进行工作，提供电机的鲁棒性，即使在低速时也能有较好的性能，同时本发明在稳态策略下采用短时注入单次谐波，避免了长期注入谐波信号给电机带来的转矩脉动，提供了电机运行的稳定性。

附图说明

图1为电机转子电阻在线辨识方法的流程示意图；

图2为转子电阻辨识装置的结构框图；

图3为无速度传感器矢量控制系统的系统框图；

图4为步骤e中注入谐波信号的时序图；

图5为转子磁链观测器的示意图；

图中，1为动态监测及稳态判定单元，2为转子电阻在线辨识模块，3为转子磁链观测单元，4为递推最小二乘法计算单元，5为全阶状态观测器，6为磁链给定模块，7为定子电压解耦控制模块，8为旋转/静止坐标变换模块，9为三相功率电压源逆变器，10为三相电动机，11为无速度传感器矢量控制模块，12为静止/静止坐标变换模块，13为静止/旋转坐标变换模块，14为空间矢量脉宽调制模块，15为相电压重构模块，16为速度环PI控制模块，17为磁链环PI控制模块，18为第一电流环PI控制模块，19为第二电流环PI控制模块，20为低通滤波器，21为输出饱和补偿单元。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。

下面参考图3对无速度传感器矢量控制系统进行简要的说明：基于全阶状态观测器的无速度传感器矢量控制系统，包括磁链环PI控制模块17、速度环PI控制模块16、第一电流环PI控制模块18、第二电流环PI控制模块19、旋转/静止坐标变换模块8、空间矢量脉宽调制模块14、相电压重构模块15、转子电阻在线辨识模块2、全阶状态观测器模块5、静止/静止坐标变换模块12、静止/旋转坐标变换模块13以及磁链给定模块6，电机启动时，给定转子转速和转子的磁链，全阶状态观测器5中的转子电阻值采用电动机离线自检值，给定的转子转速经过速度环PI控制模块16计算得到一个电流量给第二电流环PI控制模块19，第二电流环PI控制模块17计算得到电压量U_T，给定的转子磁链的基频为50HZ，给定的转子磁链经过磁链环PI控制模块17计算得到电流量传递给第一电流环PI控制模块18，第一电流环PI控制模块18计算得到电压量U_M，定子电压解耦控制模块7使第一电流环PI控制模块18与第二电流环PI控制模块19的计算值不耦合，所述的电压量U_T和U_M经旋转/静止坐标变换模块8变换后传递给空间矢量脉宽调制模块14，空间矢量脉宽调制模块14发出驱动信号给三相功率电压源逆变器9控制三相异步电机的工作，采样三相功率电压源逆变器输出端中的两相电流I_SA和I_SB，第三相电流可以通过前两相电流计算得到，相电压重构模块15对空间矢量脉宽调制模块14的驱动信号以及三相交流电源经过交流整流后得到的直流母线电源进行电压重构得到两相电压U_SA和U_SB，静止/静止坐标变换模块12对两相电流I_SA和I_SB以及两相电压U_SA和U_SB进行两相静止坐标系的变化，得到静止坐标下的电流I_SD和I_SQ以及电压U_SD和U_SQ，，得到后的电流和电压值传递给转子电阻辨识模块2以及全阶状态观测器5以及静止/旋转坐标变换模块13，全阶状态观测器5将输入的电压量和电流量转换为转速和磁链反馈回去，与给定的转速和给定的磁链进行比较，经静止/旋转坐标变换模块13得到的电流量反馈到第一电流环PI控制模块18和第二电流环控制模块19，从而实现能根据电机实际运行中的电机参数的变化，实时的调整控制器的控制量，保证电机能够处于最佳的工作状态。

前面对无速度传感器矢量控制系统进行了简单的阐述，接下来对本发明设计的异步电机转子电阻的在线辨识方法进行阐述，如图1所示，其包括以下步骤：

a)电机启动运行，启动时给定电机的指定转速和转子磁链，同时启动第一定时器开始计时，此时全阶状态观测器中的转子电阻为离线检测值；

b)对电动机的运行状态进行检测，即通过辨识当前转速与给定电机转速的正负差值来判定系统是否处于动态状态；

c)如果判定为动态状态，则跳转到步骤d，如果判定为稳定状态，则跳转到步骤e；

d)启动第二定制器开始计时，磁链观测器测算转子磁链及转子电流，并将检测的值传递给递推最小二乘法计算单元，递推最小二乘法计算单元计算出实时状态下的转子电阻，跳转到步骤f；

e)判断第一定时器定时时间是否已到，若定时时间已到，则向无速度传感器矢量控制系统的磁链给定模块注入谐波信号，如图4所示的注入谐波的时序图，我们可知在t0～t1处于电机稳态运行中，在t1～t2中，向给定磁链单元注入单次高频谐波，辨识过程延续到时间t2，在靠近t2时刻读取辨识值，计算得到转子电阻R_r，跳转到步骤d执行，然后跳转到步骤f，若第一定时器的定时时间还没到，则跳转到步骤g；

f)判断第二定时器定时时间是否已到，若定时时间已到，将计算得到的转子电阻在线刷新磁链观测器中的转子电阻值R_r，若定时时间还没到，则跳转到步骤g；此步骤中设置的定时器2的延时判定是由于转子电阻在变化过程中有渐变性，设置的延时判定是为了保证计算所得的转子电阻与实际值吻合，更好的提高电机的性能。

g)在线辨识过程结束，系统中转子电阻值为离线检测值。

步骤e中注入谐波信号为单次注入谐波信号，单次注入谐波信号克服了长期注入谐波信号给电机带来的转矩脉冲的问题，提高了电机运行的稳定性。

所述的注入谐波信号的频率为100HZ，所述的幅值为给定转子磁链幅值的1％。

一种采用权利要求1所述方法的转子电阻辨识装置，包括对电动机运行状态监测并对电动机的状态进行判定的动态监测及稳态判定单元，动态监测及稳定判定单元与转子电阻计算单元连接。

所述的转子电阻计算单元计算单元包括对转子磁链进行观测的转子磁链观测单元以及递推最小二乘法计算单元，转子磁链观测单元观测转子磁链即转子电流，并将所得值传递给递推最小二乘法计算单元。

所述的转子磁链观测单元有低通滤波器和输出饱和补偿单元构成。

在两相静止坐标系下自适应全阶状态观测器满足：

其中，转子时间常数T_r和转子速度ω_r同时用于计算转子磁链两者在自适应全阶状态观测器14中不能够解耦，所以在转子电阻在线辨识模块58中采用独立的改进型电压模型磁链观测器56单独观测转子磁链

两相静止坐标系下满足：

式(2)中的p.为微分算子，

分别为转子磁链和转子电流在两相静止坐标系下的分量，均由图2中的转子磁链观测模块56观测得到，其中：

本文采用自适应遗忘因子递推最小二乘法推算转子电阻

式(2)满足最小二乘格式，动态过程下，式(2)中分子和分母都不为0，算法结构为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\θ}\left[m\right]=\mathrm{\θ}[m-1]+P\left[0\right]u\left[m\right]e\left[m\right]\\ e\left[m\right]=\frac{y\left[m\right]-\mathrm{\θ}[m-1]u\left[m\right]}{1+P\left[0\right]u{\left[m\right]}^2}\end{array}\right.$

式中，

m代表当前时刻值，m-1代表前一时刻值。

综上所述，本发明设计了一种无速度传感器矢量控制系统的电机转子电阻的在线辨识方法，能够根据电机的运行状态，对电机的转子电阻进行检测，并反馈给电机控制器，即能更好的驱动电机进行工作，提供电机的鲁棒性，即使在低速时也能有较好的性能，同时本发明在稳态策略下采用单次注入谐波，避免了长期注入谐波信号给电机带来的转矩脉动，提供了电机运行的稳定性。

Claims (6)

1.异步电机转子电阻的在线辨识方法，其包括以下步骤：

a)电机启动运行，启动时给定电机的指定转速和转子磁链，同时启动第一定时器开始计时，此时全阶状态观测器中的转子电阻为离线检测值；

b)对电动机的运行状态进行检测，即通过辨识当前转速与给定电机转速的正负差值来判定系统是否处于动态状态；

c)如果判定为动态状态，则跳转到步骤d，如果判定为稳定状态，则跳转到步骤e；

d)启动第二定制器开始计时，磁链观测器测算转子磁链及转子电流，并将检测的值传递给递推最小二乘法计算单元，递推最小二乘法计算单元计算出实时状态下的转子电阻，跳转到步骤f；

e)判断第一定时器定时时间是否已到，若定时时间已到，则向无速度传感器矢量控制系统的磁链给定模块注入谐波信号，跳转到步骤d执行，然后跳转到步骤f，若第一定时器的定时时间还没到，则跳转到步骤g；

f)判断第二定时器定时时间是否已到，若定时时间已到，将计算得到的转子电阻在线刷新磁链观测器中的转子电阻值R_r，若定时时间还没到，则跳转到步骤g；

g)在线辨识过程结束，系统中转子电阻值为离线检测值。

2.根据权利要求1所述的异步电机转子电阻的在线辨识方法，其特征在于：步骤e中注入谐波信号为单次注入谐波信号。

3.根据权利要求1所述的异步电机转子电阻的在线辨识方法，其特征在于：所述的注入谐波信号的频率为100HZ，所述的幅值为给定转子磁链幅值的1％。

4.一种采用权利要求1所述方法的转子电阻辨识装置，其特征在于：包括对电动机动稳态进行判定的状态监测判定单元，状态监测判定单元的输出与转子电阻计算单元。

5.根据权利要求4所述的转子电阻辨识装置，其特征在于：所述的转子电阻计算单元包括对转子磁链进行观测的₁转子磁链观测单元以及递推最小二乘法计算单元，转子磁链观测单元观测转子磁链即转子电流，并将所得值传递给递推最小二乘法计算单元。

6.根据权利要求5所述的转子电阻辨识装置，其特征在于：所述的转子磁链观测单元有低通滤波器和输出饱和补偿单元构成。

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