CN102983807B - 异步电机转子时间常数在线识别系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种异步电机转子时间常数在线识别系统，包括分解角度计算单元、前馈电压分解单元、反馈电压采样单元、反馈电压分解单元以及时间常数计算单元，其中：所述分解角度计算单元，用于根据励磁电流和转矩电流获得分解角度；所述前馈电压分解单元，用于使用分解角度对前馈电压进行分解计算；所述反馈电压采样单元，用于采样被控电机的输出端获得反馈电压；所述反馈电压分解单元，用于使用所述分解角度对反馈电压进行分解计算；所述时间常数计算单元，用于根据前馈电压和反馈电压的分解结果计算并更新转子时间常数。本发明还提供一种对应的方法。本发明通过电压分解实现了转子时间常数的在线实时辨识，且该过程不受定子电阻变化影响。

Description

异步电机转子时间常数在线识别系统及方法

技术领域

本发明涉及电机控制领域，更具体地说，涉及一种异步电机转子参数在线识别系统及方法。

背景技术

在异步电机的转子磁场定向控制中，若要实现转矩电流和励磁电流的正确分解，必须得到准确的转子时间常数。通过离线辨识可以准确测量到电机的电感和转子电阻，从而计算得到高精度的转子时间常数。然而在实际应用中，异步电机拖动负载运行时电机自身会产生热量，引起电机转子电阻温度升高，使得电机转子电阻发生变化。这种情况下如不对电机转子时间常数进行在线校正，转矩电流和励磁电流将不能得到正确分解，直接影响异步机转矩控制的精度。因此有必要在线实时对转子时间常数进行辨识和更新。

已有转子电阻在线辨识都基于磁通观测实现，即通过对比当前控制量与磁通观测量之间的差异进行转子时间常数增益的计算。虽然磁通观测方案有所差异，但是磁通观测的输入参数通常包括电机端电压、电流、电机电感和定子电阻。

由于定子电阻也具有随电机绕组温度升高而变化的特点，从而影响磁通估计的准确性，因此基于磁通观测的时间常数在线辨识方案很难得到高精度的转子时间常数。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对上述定子电阻阻值因温度升高而变化并影响电机控制精度的问题，提供一种异步电机转子时间常数在线识别系统及方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案是，提供一种异步电机转子时间常数在线识别系统，包括分解角度计算单元、前馈电压分解单元、反馈电压采样单元、反馈电压分解单元以及时间常数计算单元，其中：所述分解角度计算单元，用于从被控电机的励磁电流指令和转矩电流指令获得励磁电流和转矩电流，并根据所述励磁电流和转矩电流获得分解角度；所述前馈电压分解单元，用于根据励磁电流和转矩电流计算前馈电压并使用分解角度对所述前馈电压进行分解计算；所述反馈电压采样单元，用于采样被控电机的输出端获得反馈电压；所述反馈电压分解单元，用于使用所述分解角度对反馈电压进行分解计算；所述时间常数计算单元，用于对所述前馈电压的分解结果和反馈电压的分解结果之差进行积分计算获得转子时间常数的增益系数，并使用所述转子时间常数的增益系数更新转子时间常数；所述时间常数计算单元包括第一判断子单元、第二判断子单元；所述第一判断子单元用于判断被控电机同步频率是否高于额定频率或或低于第一预设值；所述第二判断子单元用于判断转矩励磁电流比是否小于第二预设值；所述时间常数计算单元在所述同步频率高于额定频率、低于第一预设值或转矩励磁电流比小于第二预设值时使积分输入为零、否则将所述前馈电压的分解结果和反馈电压的分解结果之差作为积分输入进行积分计算获得转子时间常数的增益系数。

在本发明所述的异步电机转子时间常数在线识别系统中，所述分解角度计算单元通过以下公式计算分解角度Φ：Φ＝arctan(Id*/Iq*)，其中Id*为励磁电流，Iq*为转矩电流。

在本发明所述的异步电机转子时间常数在线识别系统中，所述前馈电压分解单元通过以下公式计算前馈电压Vd*：

Vd*＝Rs×Id*-We×σLs×Iq*；

通过以下公式计算前馈电压Vd*的分解结果：

Vd*＇＝-We×λq＇；

其中λq＇＝σLs×Iq*cosΦ+λd*×sinΦ，λd*＝Lm×Id*，σ＝1–Ls×Lr/(Lm×Lm)，σLs＝Lm–Ls×Lr/Lm，We、Rs、σ、Lm、Ls、Lr分别为被控电机的磁场同步角速度、定子电阻、漏感系数、互感、定子电感、转子电感。

在本发明所述的异步电机转子时间常数在线识别系统中，所述反馈电压采样单元通过采样异步电机输出端的三相电压并对所述三相电压进行旋转变换获得电机输出电压的D轴分量Vd和Q轴分量Vq；所述反馈电压分解单元通过以下公式计算反馈电压的分解结果：Vd＇＝cosΦ×Vd–sinΦ×Vq。

本发明还提供一种异步电机转子时间常数在线识别方法，包括以下步骤：

(a)从被控电机的励磁电流指令和转矩电流指令获得励磁电流和转矩电流，并根据所述励磁电流和转矩电流获得分解角度及前馈电压；

(b)采样被控电机的输出端获得反馈电压；

(c)使用所述分解角度分别对前馈电压和反馈电压进行分解计算；

(d)对所述前馈电压的分解结果和反馈电压的分解结果之差进行积分计算获得转子时间常数的增益系数，并使用所述转子时间常数的增益系数更新转子时间常数；

所述步骤(d)中包括：

(d1)判断被控电机同步频率是否高于额定频率或低于第一预设值以及转矩励磁电流比是否小于第二预设值，并在所述同步频率高于额定频率、低于第一预设值或转矩励磁电流比小于第二预设值时执行步骤(d2)，否则执行步骤(d3)；

(d2)使积分输入为零，并执行步骤(d4)；

(d3)将所述前馈电压的分解结果和反馈电压的分解结果之差作为积分输入，并执行(d4)；

(d4)根据积分输入进行积分计算获得转子时间常数的增益系数，并使用所述转子时间常数的增益系数更新转子时间常数。

在本发明所述的异步电机转子时间常数在线识别方法中，所述分解角度Φ为：Φ＝arctan(Id*/Iq*)，其中Id*为励磁电流，Iq*为转矩电流。

在本发明所述的异步电机转子时间常数在线识别方法中，所述步骤(a)中通过以下公式计算前馈电压Vd*：

Vd*＝Rs×Id*-We×σLs×Iq*；

通过以下公式计算前馈电压Vd*的分解结果：

Vd*＇＝-We×λq＇；

其中λq＇＝σLs×Iq*cosΦ+λd*×sinΦ，λd*＝Lm×Id*，σ＝1–Ls×Lr/(Lm×Lm)，σLs＝Lm–Ls×Lr/Lm，We、Rs、σ、Lm、Ls、Lr分别为被控电机的磁场同步角速度、定子电阻、漏感系数、互感、定子电感、转子电感。

在本发明所述的异步电机转子时间常数在线识别方法中，所述步骤(b)中包括：采样被控电机输出端的三相电压并对所述三相电压进行旋转变换获得电机输出电压的D轴分量Vd和Q轴分量Vq；所述步骤(c)中：通过以下公式对反馈电压Vd重新分解获得反馈电压的分解结果：Vd＇＝cosΦ×Vd–sinΦ×Vq。

本发明的异步电机转子时间常数在线识别系统及方法，通过电压分解实现了转子时间常数的在线实时辨识，且该过程不受定子电阻变化影响。本发明可有效改善异步机转子磁场定向的效果，提高转矩控制精度。

附图说明

图1是本发明异步电机转子时间常数在线识别系统实施例的示意图。

图2是本发明异步电机转子时间常数在线识别方法实施例的流程示意图。

图3是图2中时间常数计算的具体实现的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明利用电压重新分解技术对旋转坐标系的D轴和Q轴电压进行重新分解。由于重新分解后D轴电压不包含定子电阻成份，因此可通过对比分解后的指令电压(前馈电压)和反馈电压采用模型参考自适应技术对转子时间常数进行在线辨识和更新。

如图1所示，是本发明异步电机转子时间常数在线识别系统实施例的示意图。本实施例中的时间常数在线识别系统用于辅助进行电机控制，其包括分解角度计算单元11、前馈电压分解单元12、反馈电压采样单元13、反馈电压分解单元14以及时间常数计算单元15。上述分解角度计算单元11、前馈电压分解单元12、反馈电压采样单元13、反馈电压分解单元14以及时间常数计算单元15可集成到现有的电机控制装置(例如变频器或伺服驱动器等)，并结合软件实现。当然，在实际应用中，该系统也可采用独立的硬件及软件实现。

分解角度计算单元11用于从被控电机的励磁电流指令和转矩电流指令获得励磁电流和转矩电流，并根据励磁电流和转矩电流获得分解角度。上述励磁电流指令和转矩电流指令由电机控制装置在运行过程中产生，用以控制电机运行。具体地，分解角度计算单元11可通过以下公式计算分解角度Φ：

Φ＝arctan(Id*/Iq*)，

其中Id*为励磁电流，Iq*为转矩电流。

反馈电压采样单元13用于采样被控电机的输出端获得反馈电压。具体地，该反馈电压采样单元13通过采样被控电机输出端的三相电压并对三相电压进行旋转变换获得电机输出电压的D轴分量Vd和Q轴分量Vq。

反馈电压分解单元14用于使用分解角度对反馈电压进行分解计算。该反馈电压分解单元14可通过以下公式计算反馈电压的分解结果：

Vd＇＝cosΦ×Vd–sinΦ×Vq。

前馈电压分解单元12用于根据励磁电流和转矩电流计算前馈电压并使用分解角度对前馈电压进行分解计算。本实施例中，将直接根据指令参数计算的电压作为前馈电压，具体地，前馈电压分解单元12通过以下公式计算前馈电压Vd*：

Vd*＝Rs×Id*-We×σLs×Iq*；

通过以下公式计算前馈电压Vd*的分解结果：

Vd*＇＝-We×λq＇；

其中λq＇＝σLs×Iq*cosΦ+λd*×sinΦ，λd*＝Lm×Id*，σ＝1–Ls×Lr/(Lm×Lm)，σLs＝Lm–Ls×Lr/Lm，We、Rs、σ、Lm、Ls、Lr分别为被控电机的磁场同步角速度、定子电阻、漏感系数、互感、定子电感、转子电感。

上述前馈电压的分解结果Vd*＇不包含定子电阻，即不受定子电阻影响。若前馈电压Vd*分解后的电压Vd*＇与电机端反馈电压Vd分解后的Vd＇存在偏差，说明此时电机磁场定向出现偏移，即当前控制的转子时间常数与电机当前实际的常数不相符合。

时间常数计算单元15用于对前馈电压的分解结果和反馈电压的分解结果之差进行积分计算获得转子时间常数的增益系数，并使用转子时间常数的增益系数更新转子时间常数。具体地，时间常数计算单元15以前馈电压的分解结果Vd*＇和反馈电压的分解结果Vd＇的差值作为控制量输入给积分模块，计算得到转子时间常数增益系数K，然后将转子时间常数Tr更新为Tr×(1+K)，即实时辨识的转子时间常数Tr＇＝Tr×(1+k)。

电机控制装置可利用更新后的转子时间常数Tr＇通过公式(1)计算控制转差即可重新实现转子磁场的准确定向，实现高精度的转矩控制。

Wsl＝Iq*/(Id*×Tr＇)     (1)

其中，Wsl为转差，Tr＇为实时辨识的转子时间常数。

由于转子电阻在线辨识的精度与电机运行的同步频率及转矩、励磁电流比(Id*/Iq*)相关，为了提高在线辨识的精度，需要对转子电阻在线辨识的输入参数进行判断。

具体地，上述时间常数计算单元15可包括第一判断子单元、第二判断子单元，其中第一判断子单元用于判断被控电机同步频率是否高于额定频率或低于第一预设值(例如额定频率的20％)；第二判断子单元用于判断转矩励磁电流比是否小于第二预设值(例如40％)。时间常数计算单元15在同步频率的幅度大于额定频率、同步频率的幅度低于第一预设值或者转矩励磁电流比小于第二预设值时，使积分输入为零、否则将前馈电压的分解结果和反馈电压的分解结果之差作为积分输入进行积分计算获得转子时间常数的增益系数。

通过以上限定，可以有效提高转子电阻在线辨识精度。与此同时，由于电机一般运行频率高于额定频率的20％，转矩励磁电流比小于40％代表电机负载较轻，转子电阻不准的影响较小，因此以上对积分输入的限制对电机控制的性能影响不大。

如图2所示，是本发明异步电机转子时间常数在线识别方法实施例的流程示意图。本实施例中的方法可又电机控制装置执行，并包括以下步骤：

步骤S21：从被控电机的励磁电流指令和转矩电流指令获得励磁电流Id*和转矩电流Iq*，然后执行步骤S22。

步骤S22：根据获取的励磁电流和转矩电流获得分解角度Φ，然后执行步骤S24及步骤S25。该步骤中，分解角度Φ可通过以下公式计算获得：Φ＝arctan(Id*/Iq*)，其中Id*为励磁电流，Iq*为转矩电流。

步骤S23：采样被控电机的输出端获得反馈电压，该步骤可与步骤S21或步骤S22同时执行。在该步骤中，可先采样被控电机输出端的三相电压，然后对三相电压进行旋转变换获得电机输出电压的D轴分量Vd和Q轴分量Vq。

步骤S24：使用分解角度对反馈电压进行分解计算。在该步骤中，通过以下公式对反馈电压Vd重新分解获得反馈电压的分解结果：Vd＇＝cosΦ×Vd–sinΦ×Vq。

步骤S25：根据励磁电流和转矩电流计算前馈电压Vd*，并使用分解角度对前馈电压进行分解计算。该步骤可与步骤S24同时执行或先于步骤S24执行。

该步骤中，通过以下公式计算前馈电压Vd*：

Vd*＝Rs×Id*-We×σLs×Iq*；

通过以下公式计算前馈电压Vd*的分解结果：

Vd*＇＝-We×λq＇；

其中λq＇＝σLs×Iq*cosΦ+λd*×sinΦ，λd*＝Lm×Id*，σ＝1–Ls×Lr/(Lm×Lm)，σLs＝Lm–Ls×Lr/Lm，We、Rs、σ、Lm、Ls、Lr分别为被控电机的磁场同步角速度、定子电阻、漏感系数、互感、定子电感、转子电感。

步骤S26：在获得前馈电压和反馈电压的分解结果后，对前馈电压的分解结果Vd*＇和反馈电压的分解结果Vd＇之差进行积分计算获得转子时间常数的增益系数，并使用转子时间常数的增益系数更新转子时间常数。

并且上述方法中，还可包括：使用更新后的转子时间常数计算转子的转差。

为提高在线辨识的精度，需对转子电阻在线辨识的输入参数进行判断。由于电机一般运行频率高于额定频率的20％，转矩励磁电流比小于40％，代表电机负载较轻，转子电阻不准的影响较小，因此以上对积分输入的限制对电机控制的性能影响不大。如图3所示，是图2中积分计算的具体流程示意图，其包括：

步骤S261：判断被控电机同步频率是否高于额定频率或低于第一预设值(例如20％)，并在同步频率高于额定频率或低于第一预设值时执行步骤S262，否则执行步骤S263。

步骤S262：判断转矩励磁电流比是否小于第二预设值，并在转矩励磁电流比小于第二预设值时执行步骤S264，否则执行步骤S263。

步骤S263：使积分输入为零，并执行步骤S264。

步骤S264：将前馈电压的分解结果和反馈电压的分解结果之差作为积分输入进行积分计算，获得转子时间常数的增益系数，并使用转子时间常数的增益系数更新转子时间常数。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种异步电机转子时间常数在线识别系统，其特征在于：包括分解角度计算单元、前馈电压分解单元、反馈电压采样单元、反馈电压分解单元以及时间常数计算单元，其中：所述分解角度计算单元，用于从被控电机的励磁电流指令和转矩电流指令获得励磁电流和转矩电流，并根据所述励磁电流和转矩电流获得分解角度；所述前馈电压分解单元，用于根据励磁电流和转矩电流计算前馈电压并使用分解角度对所述前馈电压进行分解计算；所述反馈电压采样单元，用于采样被控电机的输出端获得反馈电压；所述反馈电压分解单元，用于使用所述分解角度对反馈电压进行分解计算；所述时间常数计算单元，用于对所述前馈电压的分解结果和反馈电压的分解结果之差进行积分计算获得转子时间常数的增益系数，并使用所述转子时间常数的增益系数更新转子时间常数；所述时间常数计算单元包括第一判断子单元、第二判断子单元；所述第一判断子单元用于判断被控电机同步频率是否高于额定频率或低于第一预设值；所述第二判断子单元用于判断转矩励磁电流比是否小于第二预设值；所述时间常数计算单元在所述同步频率高于额定频率、低于第一预设值或转矩励磁电流比小于第二预设值时使积分输入为零、否则将所述前馈电压的分解结果和反馈电压的分解结果之差作为积分输入进行积分计算获得转子时间常数的增益系数。

2.根据权利要求1所述的异步电机转子时间常数在线识别系统，其特征在于：所述分解角度计算单元通过以下公式计算分解角度Φ：Φ＝arctan(Id*/Iq*)，其中Id*为励磁电流，Iq*为转矩电流。

3.根据权利要求1所述的异步电机转子时间常数在线识别系统，其特征在于：所述前馈电压分解单元通过以下公式计算前馈电压Vd*：

Vd*＝Rs×Id*-We×σLs×Iq*；

通过以下公式计算前馈电压Vd*的分解结果：

Vd*＇＝-We×λq＇；

其中λq＇＝σLs×Iq*cosΦ+λd*×sinΦ，λd*＝Lm×Id*，σ＝1–Ls×Lr/(Lm×Lm)，σLs＝Lm–Ls×Lr/Lm，We、Rs、σ、Lm、Ls、Lr分别为被控电机的磁场同步角速度、定子电阻、漏感系数、互感、定子电感、转子电感。

4.根据权利要求1所述的异步电机转子时间常数在线识别系统，其特征在于：所述反馈电压采样单元通过采样被控电机输出端的三相电压并对所述三相电压进行旋转变换获得电机输出电压的D轴分量Vd和Q轴分量Vq；所述反馈电压分解单元通过以下公式计算反馈电压的分解结果：

Vd＇＝cosΦ×Vd–sinΦ×Vq。

5.一种异步电机转子时间常数在线识别方法，其特征在于：包括以下步骤：

(a)从被控电机的励磁电流指令和转矩电流指令获得励磁电流和转矩电流，并根据所述励磁电流和转矩电流获得分解角度及前馈电压；

(b)采样被控电机的输出端获得反馈电压；

(c)使用所述分解角度分别对前馈电压和反馈电压进行分解计算；

(d)对所述前馈电压的分解结果和反馈电压的分解结果之差进行积分计算获得转子时间常数的增益系数，并使用所述转子时间常数的增益系数更新转子时间常数；

所述步骤(d)中包括：

(d1)判断被控电机同步频率是否高于额定频率或低于第一预设值以及转矩励磁电流比是否小于第二预设值，并在所述同步频率高于额定频率、低于第一预设值或转矩励磁电流比小于第二预设值时执行步骤(d2)，否则执行步骤(d3)；

(d2)使积分输入为零，并执行步骤(d4)；

(d3)将所述前馈电压的分解结果和反馈电压的分解结果之差作为积分输入，并执行(d4)；

(d4)根据积分输入进行积分计算获得转子时间常数的增益系数，并使用所述转子时间常数的增益系数更新转子时间常数。

6.根据权利要求5所述的异步电机转子时间常数在线识别方法，其特征在于：所述分解角度Φ为：Φ＝arctan(Id*/Iq*)，其中Id*为励磁电流，Iq*为转矩电流。

7.根据权利要求5所述的异步电机转子时间常数在线识别方法，其特征在于：所述步骤(a)中通过以下公式计算前馈电压Vd*：

Vd*＝Rs.Id*-We.σLs.Iq*；

所述步骤(c)中通过以下公式获得前馈电压Vd*的分解结果：

Vd*＝Rs×Id*-We×σLs×Iq*；

通过以下公式计算前馈电压Vd*的分解结果：

Vd*＇＝-We×λq＇；

其中λq＇＝σLs×Iq*cosΦ+λd*×sinΦ，λd*＝Lm×Id*，σ＝1–Ls×Lr/(Lm×Lm)，σLs＝Lm–Ls×Lr/Lm，We、Rs、σ、Lm、Ls、Lr分别为被控电机的磁场同步角速度、定子电阻、漏感系数、互感、定子电感、转子电感。

8.根据权利要求5所述的异步电机转子时间常数在线识别方法，其特征在于：所述步骤(b)中包括：采样被控电机输出端的三相电压并对所述三相电压进行旋转变换获得电机输出电压的D轴分量Vd和Q轴分量Vq；所述步骤(c)中：通过以下公式对反馈电压Vd重新分解获得反馈电压的分解结果：

Vd＇＝cosΦ×Vd–sinΦ×Vq。