CN102914740A - 快速辨识异步电机参数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及异步电机控制技术，特别是一种快速辨识异步电机参数的方法，通过一次实验向电机输入给定电流，然后检测电机绕组电流和逆变器直流母线电压。将得到的电机绕组电流和逆变器直流母线电压进行FFT变换后得到直流分量以及各频率分量的幅值和相位，再根据电机等效模型和公式计算得到电机各参数值。采用上述方法后，只需要通过一次单相实验就可以计算出异步电机的参数，单相试验不需要旋转电机，这样在一些不能旋转电机的情况下可以顺利的检测出异步电机的参数。

Description

快速辨识异步电机参数的方法

技术领域

本发明涉及异步电机控制技术，特别是一种快速辨识异步电机参数的方法。 

背景技术

随着半导体技术和控制技术的发展，对异步电机的控制达到了与直流电机相当的调速性能,现在的异步电机驱动系统多使用间接磁场定向或无速度传感器磁场定向控制技术,异步电机磁场定向控制将电机的励磁电流和转矩电流解耦，用转子磁场定向方法实现转矩的瞬时控制，无论是间接磁场定向还是无速度传感器磁场定向控制,都需要准确的电机参数，因此电机参数的辨识是矢量控制的关键技术。 

异步电机参数辨识可分为在线式和离线式。在线式辨识需要系统正常工作并且有准确的速度信息,常用的主要方法有：卡尔曼滤波、模型参考自适应法和最小方差等。这些方法计算量大,实时性不强,同时可能需要特殊的激励信号,而且在无速度传感器系统中,电机转速和转子电阻的同时辨识是很困难的。离线式辨识可以不需要速度信息，它在电机静态时进行参数辨识，目前常用的异步电机参数离线辨识方法主要为利用直流试验测试定子电阻，堵转试验辨识定、转子漏感和转子电阻，空载试验辨识定、转子间的互感。在一些情形中辨识电机参数时不能旋转电机，需要在停转下获得主电感和转子时间常数，这些试验全在单相试验中完成，因此，直流试验和单相试验能辨识异步电机的所有参数。 

中国发明专利公开说明书CN 1354557A公开了一种异步电机参数辨识方法，其通过直流伏安法测试电机的定子电阻；用短路试验方法获得电机的转子电阻 和定、转子漏感；用空载试验方法获取电机的定、转子互感及空载电流，通过对变频调速系统中的导通压降、开关延时和死区时间的补偿，提高辨识参数的精度和稳定性。通过两个频率点的堵转试验，采用两点法计算额定滑差频率处的转子电阻值，克服集肤效应的影响获取准确的转子电阻值，使其完全满足适量控制系统的要求。 

发明内容

本发明需要解决的技术问题是如何通过一次实验快速辨识逆变器供电异步电机系统中异步电机参数。 

为解决上述的技术问题，本发明快速辨识异步电机参数的方法包括以下步骤， 

a,向电机施加包含直流分量和两个不同频率交流分量的给定电流信号，所述交流频率分别为f₁和f₂； 

b,通过控制逆变器的开关状态使得电机三相绕组处于单相试验状态； 

c,通过检测装置分别检测电机三相绕组电流和直流母线电容电压； 

d,通过直流母线电容电压计算得到电机绕组端电压； 

e,通过对电机三相绕组电流和电机绕组端电压进行FFT变换提取直流分量和各频率下的电压、电流幅值和相位； 

f,通过直流分量计算电机定子电阻，根据电机等效模型和步骤e中获得的电压、电流幅值和相位计算得到电机定、转子漏感，转子电阻，定、转子间电感。 

进一步的，所述电机三相绕组单相试验状态为电机三相绕组中的一相绕组处于开路状态或者其中两相绕组短接。 

进一步的，所述两个不同交流分量f₁和f₂的频率范围为16Hz-36Hz。 

进一步的，将步骤a中向电机施加的给定电流信号与步骤c检测的电机绕组电流进行比较，通过电流环补偿网络形成闭环。 

进一步的，所述步骤c中检测装置包括检测电机三相绕组电流的霍尔电流传感器和检测直流母线电容电压的霍尔电压传感器。 

进一步的，所述步骤d计算电机绕组端电压为将直流母线电压乘以IGBT开关的占空比，同时减去IGBT开通时的导通压降。 

采用上述方法后，只需要通过一次单相实验就可以计算出异步电机的参数，单相试验不需要旋转电机，这样在一些不能旋转电机的情况下可以顺利的检测出异步电机的参数。 

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。 

图1为本发明逆变器供电异步电机系统。 

图2为本发明异步电机参数辨识电机第一种连接方式的电路示意图。 

图3为本发明异步电机参数辨识电机第二种连接方式的电路示意图。 

图4为本发明异步电机参数辨识电机等效模型电路示意图。 

图5为本发明异步电机参数辨识方法的结构框图。 

具体实施方式

图1为逆变器供电的异步电机简化系统原理图，图中异步电机用三相绕组模型代替。本发明快速辨识异步电机参数的方法采用一次单相试验，当采用逆变器进行单相试验时，逆变器的开关状态没有按照传统的动态正常工作时的PWM方式进行调制，而是采用静态下某些开关一直处于开通状态或者关断状态，为 了得到辨识需要的直流电压，将电机U,V，W三相绕组中的一相绕组处于开路状态，如图2所示，或者将两相(V，W相或者U,V相或者U,W相)桥臂的控制信号相同，即将电机的两相绕组短接，如图3所示。 

综上所述，如图5所示，本发明方法第一步向电机施加包含直流分量和两个不同频率交流分量的给定电流信号，给定电流 

I_g=I_m+I₁*sin(ω₁t)+I₁*sin(ω₂t) 

其中，I_m为直流分量，I₁*sin(ω₁t)、I₁*sin(ω₂t)为两个不同频率交流分量，考虑到电机的集肤效应和齿槽效应，两个交流分量f₁和f₂的频率范围16Hz-36Hz，即电机工作频率的中频带。为了保证电机给定电流信号的稳定，将步骤a中向电机施加的给定电流信号与步骤c检测的电机绕组电流进行比较，两者做差后通过电流环补偿网络，形成闭环。电流环补偿网络输出作为电压参考信号，利用该信号进行调制驱动逆变器，这样经电流环补偿后的输出可以使电机工作在给定电流的稳定状态。这里的电流环补偿网络采用PI比例积分控制器。 

然后步骤b是通过控制逆变器的开关状态使得电机三相绕组处于单相试验状态。在这里我们通过控制逆变器开关状态选择电机的两相绕组短接（如图3所示）。 

步骤c通过霍尔电流传感器检测三相绕组电流，霍尔电压传感器检测直流母线电压。同时，由于电机绕组连接逆变器时，逆变器直流母线电压不能直接加在定子绕组上，需要对直流母线电压进行调制，得到与给定电流成正比关系的电压U_s，所以步骤d通过直流母线电容电压计算得到电机绕组端电压。该电压与直流母线电压的关系为： 

U_s=U_dc*D-Vce 

式中，U_s为定子绕组电压，U_dc为直流母线电压，D为IGBT开关的占空比，Vce为IGBT的导通压降。 

步骤e是通过对电机三相绕组电流和电机绕组端电压进行FFT变换提取直流分量和各频率下的电压、电流幅值和相位。这里设定经过FFT变换后所提取的直流分量的电压为U_{s_dc}，直流分量的电流为I_{s_dc}；频率f1分量的电压幅值为V(ω₁)，电压相位为θ_V(ω1)，电流幅值为I(ω₁)，电流相位为θ_I(ω1)；频率f2分量的电压幅值为V(ω₂)，电压相位为θ_V(ω2)，电流幅值为I(ω₂)，电流相位为θ_I(ω2)。 

步骤f是通过直流分量计算电机定子电阻，根据电机等效模型和步骤e中获得的电压、电流幅值和相位计算得到电机定、转子漏感，转子电阻，定、转子间电感。其实现方法如下： 

1.电机定子电阻计算 

由于电机绕组的电阻值在静态时为一定值，不随着激励信号频率的变化而变化，因此可以根据测试得到的定子绕组直流电压和直流电流值可以计算定子电阻， 

R_s=U_{s_dc}/I_{s_dc}    (1) 

U_{s_dc}为定子绕组直流电压，I_{s_dc}为流过定子绕组的直流电流，R_s为计算得到的定子绕组的电阻。 

2.转子电阻；定、转子的电感以及定、转子间的互感计算 

由于电感只有在交流激励信号时起作用，由上述的FFT变换可以得到第一工作频率下的等效阻抗， 

Zeq(ω₁)=V(ω₁)/I(ω₁)   (2) 

V(ω₁)和I(ω₁)分别为检测到的第一频率信号经过FFT变换后的电压幅值信号和电流幅值信号。 

同时经过FFT变换可以得到相位信号，即电机的功率因数，其计算值为： 

PF(ω₁)=cos(θ_V(ω1)-θ_I(ω1)) (3) 

θ_V(ω1)和θ_I(ω1)分别为检测到的第一频率信号经过FFT变换后的电压相位信号和电流相位信号。 

根据公式（2）和公式（3）可以得到第一工作频率的电阻和电抗； 

等效电阻：Req(ω₁)=Zeq(ω₁)*PF(ω₁) 

等效电抗： $X_{\mathrm{eq}}\left({\mathrm{\ω}}_1\right)=\sqrt{Z_{\mathrm{eq}}\left({\mathrm{\ω}}_1\right)*Z_{\mathrm{eq}}\left({\mathrm{\ω}}_1\right)-R_{\mathrm{eq}}\left({\mathrm{\ω}}_1\right)*R_{\mathrm{eq}}\left({\mathrm{\ω}}_1\right)}$

定、转子的漏感： 

转子电阻：Rr=Req(ω₁)-Rs 

用同样方法可以得到第二工作频率时的等效电阻、等效电抗、定转子间的漏抗、转子电阻等。 

如图4所示的电机等效模型电路，其中 

漏感系数： $\mathrm{\σ}=(1-\frac{L_m^2}{L_s{L}_r})$

转子等效电阻： $R_r^{\′}={\left(\frac{L_m}{L_r}\right)}^2{R}_r$

转子等效电感： $L_m^{\′}=\frac{L_m^2}{L_r}$

式中，Rs为定子绕组电阻，Rr为转子电阻，Ls为定子绕组电感；Lr为转子电感；Lm为定、转子间的互感，由图4可以得到输入二端口网络的等效电阻和等效电抗，如式4所示： 

Z_eq=R_eq+jX_eq    (4) 

式(4)中： 

$R_{\mathrm{eq}}=R_s+\frac{X_m^{\′2}{R}_r^{\′}}{R^{\′2}+X_m^{\′2}}$

$X_{\mathrm{eq}}=X_1^{\′}+\frac{X_m^{\′}{R}_r^{\′}}{R^{\′2}+X_m^{\′2}}$

从表达式(4)可以看出，当输入侧激励为直流量时，其输入阻抗即为电机定子绕组的电阻，当输入激励含有交流分量时，其等效阻抗为： 

$R_{\mathrm{eq}}\left({\mathrm{\ω}}_1\right)=R_s+\frac{{\left({\mathrm{\ω}}_1{L}_m^{\′}\right)}^2{R}_r^{\′}}{R^{\′2}+{\left({\mathrm{\ω}}_1{L}_m^{\′}\right)}^2}---\left(5\right)$

$R_{\mathrm{eq}}\left({\mathrm{\ω}}_2\right)=R_s+\frac{{\left({\mathrm{\ω}}_2{L}_m^{\′}\right)}^2{R}_r^{\′}}{R^{\′2}+{\left({\mathrm{\ω}}_2{L}_m^{\′}\right)}^2}---\left(6\right)$

由于定子电阻不随激励信号频率的变化而变化，通过式（5）和（6）可以得到： 

$R_r^{\′}=\frac{[R_{\mathrm{eq}}\left({\mathrm{\ω}}_1\right)-R_s][R_{\mathrm{eq}}\left({\mathrm{\ω}}_2\right)-R_s]({{\mathrm{\ω}}_1}^2-{{\mathrm{\ω}}_2}^2)}{[R_{\mathrm{eq}}\left({\mathrm{\ω}}_2\right)-R_s]{{\mathrm{\ω}}_1}^2-[R_{\mathrm{eq}}\left({\mathrm{\ω}}_1\right)-R_s]{{\mathrm{\ω}}_2}^2}---\left(7\right)$

$L_m^{\′}=\frac{R_r^{\′}}{{\mathrm{\ω}}_2}\sqrt{\left|\frac{[R_{\mathrm{eq}}\left({\mathrm{\ω}}_2\right)-R_s]}{[R_{\mathrm{eq}}\left({\mathrm{\ω}}_2\right)-R_s]-R_r^{\′}}\right|}---\left(8\right)$

$L_s^{\′}=\frac{X_{\mathrm{eq}}\left({\mathrm{\ω}}_2\right)}{{\mathrm{\ω}}_2}-\frac{L_m^{\′}{R}_r^{\′}}{R_r^{\′2}+{\mathrm{\ω}}_2^2{L}_m^{\′2}}---\left(9\right)$

由上述计算结果可以得到电机的基本参数： 

L_s=L′_s+L′_m    (10) 

$L_m=\sqrt{L_m^{\′}{L}_r}---\left(11\right)$

$R_r={\left(\frac{L_r}{L_m}\right)}^2{R}_r^{\′}---\left(12\right)$

因为前面Req(ω₁)、Req(ω₂)已经通过式（2）和式（3）计算得到，定子电阻Rs已经通过式（1）计算求得，因此可以根据式（11）和（12）依次求得定、转子间互感，转子电阻。 

Claims (6)

1.一种快速辨识异步电机参数的方法，其特征在于，包括以下步骤，

a,向电机施加包含直流分量和两个不同频率交流分量的给定电流信号，所述交流频率分别为f₁和f₂；

b,通过控制逆变器的开关状态使得电机三相绕组处于单相试验状态；

c,通过检测装置分别检测电机三相绕组电流和直流母线电容电压；

d,通过直流母线电容电压计算得到电机绕组端电压；

e,通过对电机三相绕组电流和电机绕组端电压进行FFT变换提取直流分量和各频率下的电压、电流幅值和相位；

f,通过直流分量计算电机定子电阻，根据电机等效模型和步骤e中获得的电压、电流幅值和相位计算得到电机定、转子漏感，转子电阻，定、转子间电感。

2.按照权利要求1所述的快速辨识异步电机参数的方法，其特征在于：所述电机三相绕组单相试验状态为电机三相绕组中的一相绕组处于开路状态或者其中两相绕组短接。

3.按照权利要求1所述的快速辨识异步电机参数的方法，其特征在于：所述两个不同交流分量f₁和f₂的频率范围为16Hz-36Hz。

4.按照权利要求1所述的快速辨识异步电机参数的方法，其特征在于：将步骤a中向电机施加的给定电流信号与步骤c检测的电机绕组电流进行比较，通过电流环补偿网络形成闭环。

5.按照权利要求1所述的快速辨识异步电机参数的方法，其特征在于：所述步骤c中检测装置包括检测电机三相绕组电流的霍尔电流传感器和检测直流母线电容电压的霍尔电压传感器。

6.按照权利要求1所述的快速辨识异步电机参数的方法，其特征在于：所述步骤d计算电机绕组端电压为将直流母线电压乘以IGBT开关的占空比，同时减去IGBT开通时的导通压降。

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