CN103023421B - 基于功率计算的转差估计系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于功率计算的转差估计系统，包括电流采样单元、电流转换单元、电流调节单元以及转差计算单元，其中：所述电流采样单元，用于采样异步电机三相电流；所述电流转换单元，用于根据所述三相电流转换获得反馈电流D轴分量和Q轴分量；所述电流调节单元，用于获得D轴定子电压、Q轴定子电压；所述转差计算单元，用于根据D轴定子电压、Q轴定子电压、反馈电流D轴分量、Q轴分量以及转子时间常数获得转差。本发明还提供一种对应的方法。本发明通过有功功率和无功功率比值进行转差估算，使得调速过程中因转子时间常数Tr引起的转子磁场定向误差变小，从而有效改善异步机转子磁场定向的效果，提高转矩控制精度。

Description

基于功率计算的转差估计系统及方法

技术领域

本发明涉及异步电机控制领域，更具体地说，涉及一种基于功率计算的转差估计系统及方法。

背景技术

为了实现异步电机转子磁场定向控制，需要获得转子实际转速和控制用的转差。目前转子的转差通过以下方式获得：首先通过离线辨识方式，高精度地测量得到电机的转子电感Lr和转子电阻Rr；然后利用公式(1)，计算得到转子时间常数Tr；接着通过已知的转子时间常数Tr和控制采用的转矩电流指令Isq*和励磁电流指令Isd*，利用公式(2)计算转差Wsl。从而通过上述获得的转差实现异步机的转子磁场定向控制。

Tr＝Lr/Rr               (1)

Wsl＝Isq*/(Isd*×Tr)    (2)

其中，Isq*、Isd*分别为转矩电流指令、励磁电流指令。

然而上述方式中采用的电流指令Isq*、Isd*计算电机转差是对理论上采用电流反馈Isq、Isd的一种近似。当电机的电流指令与电流反馈存在偏差，即电流无法闭环控制时该近似计算就不成立了。

此外，还有通过以下方式计算获得转差：首先通过离线辨识方式，高精度地测量得到电机的转子电感Lr和转子电阻Rr；然后利用公式(1)，计算得到转子时间常数Tr；最后通过已知的Tr和控制采用的反馈转矩电流Isq和反馈励磁电流Isd，利用公式(3)进行转差Wsl的计算。

Wsl＝Isq/(Isd×Tr)       (3)

其中，Isq、Isd分别为反馈转矩电流、反馈励磁电流。

该方案中采用理论上的反馈电流Isq、Isd计算转差，但当公式(1)中用于转差计算的时间常数Tr不准确时，电机转子定向控制角度也将出现偏差。从而由控制角度分解获得的反馈电流Isq、Isd与实际磁场角度分解的反馈电流不一致由此计算获得的转差也将偏离理论值。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对上述异步电机转子磁场定向控制中使用的转差存在偏差的问题，提供一种基于功率计算的转差估计系统及方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案是，提供一种基于功率计算的转差估计系统，包括电流采样单元、电流转换单元、电流调节单元以及转差计算单元，其中：所述电流采样单元，用于采样异步电机三相电流；所述电流转换单元，用于通过磁场角度对所述三相电流进行转换获得反馈电流D轴分量和Q轴分量；所述电流调节单元，用于根据反馈电流D轴分量、Q轴分量、转矩电流指令及励磁电流指令获得D轴定子电压、Q轴定子电压；所述转差计算单元，用于根据D轴定子电压、Q轴定子电压、反馈电流D轴分量、Q轴分量以及转子时间常数获得转差；

所述转差计算单元通过以下计算式获得转差Wsl：

Wsl＝(Usq×Isq+Usd×Isd-Rs×(Is^2))×Tr/(Usq×Isd-Usd×Isq-Ws×σLs×(Is^2))，

其中Usq、Usd、Isq、Isd、Rs、Ws、σLs分别为Q轴定子电压、D轴定子电压、反馈电流Q轴分量、反馈电流D轴分量、电机定子电阻、当前电机控制使用的同步频率及电流漏感；Is^2＝Iu^2+Iv^2+Iw^2，Iu、Iv、Iw为采样的异步电机三相电流；Tr为转子时间常数且Tr＝Lr/Rr，Lr为转子电感，Rr为转子电阻。

在本发明所述的基于功率计算的转差估计系统中，所述转差估计系统还包括电机控制单元，用于通过所述转差对异步电机转子磁场进行定向控制。

在本发明所述的基于功率计算的转差估计系统中，所述转差估计系统还包括磁场角度计算单元，用于根据采样获得的转子转速与前一周期获得的转差相加获得控制电机的同步频率，并对所述同步频率进行角度积分累加获得磁场角度。

在本发明所述的基于功率计算的转差估计系统中，所述转子电感、转子电阻、电流漏感通过离线辨识获得。

本发明还提供一种基于功率计算的转差估计方法，包括以下步骤：

(a)采样异步电机的三相电流，并通过磁场角度对所述三相电流进行转换获得反馈电流D轴分量和Q轴分量；

(b)将输入的反馈电流D轴分量、Q轴分量、转矩电流指令及励磁电流指令输入电流调节器获得D轴定子电压、Q轴定子电压；

(c)根据D轴定子电压、Q轴定子电压、反馈电流D轴分量、Q轴分量以及转子时间常数获得转差；

所述步骤(c)中通过以下计算式获得转差Wsl：

Wsl＝(Usq×Isq+Usd×Isd-Rs×(Is^2))×Tr/(Usq×Isd-Usd×Isq-Ws×σLs×(Is^2))，

其中Usq、Usd、Isq、Isd、Rs、Ws、σLs分别为Q轴定子电压、D轴定子电压、反馈电流Q轴分量、反馈电流D轴分量、电机定子电阻、当前电机控制使用的同步频率及电流漏感；Is^2＝Iu^2+Iv^2+Iw^2，Iu、Iv、Iw为采样的异步电机三相电流；Tr为转子时间常数且Tr＝Lr/Rr，Lr为转子电感，Rr为转子电阻。

在本发明所述的基于功率计算的转差估计方法中，所述步骤(c)之后包括：通过所述转差对异步电机转子磁场进行定向控制。

在本发明所述的基于功率计算的转差估计方法中，所述步骤(a)中的磁场角度通过以下方式获得：

(a1)采样获得转子转速，并将该转速与前一周期获得的转差相加获得控制电机的同步频率；

(a2)对所述同步频率进行角度积分累加获得所述磁场角度。

在本发明所述的基于功率计算的转差估计方法中，所述转子电感、转子电阻、电流漏感通过离线辨识获得。

本发明基于功率计算的转差估计系统及方法，通过有功功率和无功功率比值进行转差估算，使得调速过程中因转子时间常数Tr引起的转子磁场定向误差变小，从而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是本发明基于功率计算的转差估计系统实施例的示意图。

图2是获得磁场角度的示意图。

图3是本发明基于功率计算的转差估计方法实施例的流程示意图。

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。

如图1所示，是本发明基于功率计算的转差估计系统实施例的示意图。本实施例中的转差估计系统包括电流采样单元、电流转换单元11、电流调节单元12以及转差计算单元13。上述电流采样单元、电流转换单元11、电流调节单元12以及转差计算单元13可集成到异步电机控制装置(例如变频器或伺服驱动器等)并结合软件实现。在实际应用中，上述电流采样单元、电流转换单元11、电流调节单元12以及转差计算单元13也可采用单独的硬件和软件实现。

电流采样单元用于采样异步电机输出端的三相电流Iu、Iv、Iw。

电流转换单元11用于通过磁场角度将采样的三相电流Iu、Iv、Iw进行坐标转换，获得反馈电流D轴分量Isd和Q轴分量Isq。上述磁场角度的初始值选取自0到360度间的某一随机角度，当前采样周期的三相电流Iu、Iv、Iw使用由前一周期的转差计算获得的磁场角度进行坐标变换。

具体地，上述磁场角度可通过一个磁场角度计算单元计算获得。如图2所示，该磁场角度计算单元根据采样获得的转子转速Wr与前一周期获得的转差Wsl相加获得控制电机的同步频率Ws，并对该同步频率Ws进行角度积分累加获得磁场角度。

电流调节单元12用于根据反馈电流D轴分量Isd、Q轴分量Isq、转矩电流指令Isq*及励磁电流指令Isq*获得D轴定子电压Usd、Q轴定子电压Usq。具体地，上述电流调节单元12可采用一个PI调节器，该PI调节器的输入端分别接反馈电流D轴分量Isd、Q轴分量Isq、转矩电流指令Isq*及励磁电流指令Isq*，输出端输出D轴定子电压Usd、Q轴定子电压Usq。

转差计算单元13用于根据D轴定子电压Usd、Q轴定子电压Usq、反馈电流D轴分量Isd、Q轴分量Isq以及转子时间常数Tr获得转差Wsl。具体地，上述转差计算单元通过以下计算式(4)获得转差Wsl：

Wsl＝(Usq×Isq+Usd×Isd-Rs×(Is^2))×Tr/(Usq×Isd-Usd×Isq-Ws×σLs×(Is^2))         (4)

其中Usq、Usd、Isq、Isd、Rs、Ws、σLs分别为Q轴定子电压、D轴定子电压、反馈电流Q轴分量、反馈电流D轴分量、电机定子电阻、当前电机控制使用的同步频率及电流漏感；Is^2＝Iu^2+Iv^2+Iw^2，Iu、Iv、Iw为采样的异步电机三相电流；Tr为转子时间常数且Tr＝Lr/Rr，Lr为转子电感，Rr为转子电阻。

具体地，上述转差计算式(4)可通过以下方式获得：

异步电机转子磁场定向的电机模型中的异步机转子磁场旋转坐标系dq轴分解的定子电压稳态公式为：

Usd＝Rs×Isd–Ws×σLs×Isq      (5)

Usq＝Rs×Isq+Ws×Ls×Isd         (6)

σLs＝Ls–Lm×Lm/Lr              (7)

其中，Usd、Usq、Rs、Ws、σLs、Ls、Lr、Lm分别为分解后d轴定子电压、分解后q轴定子电压、电机定子电阻、电机控制的同步频率、电流漏感、电机定子电感、电机转子电感、电机互感。Rs、Ls、Lr、Lm四个参数都可通过离线辨识得到。

异步电机转子磁场定向的电机模型中的有功功率Prea和无功功率Pact的计算公式分别为：

Prea＝Usq×Isq-Usd×Isq       (8)

Pact＝Usq×Isq+Usd×Isd       (9)

将异步电机转子磁场旋转坐标系dq轴分解的定子电压稳态公式(5)-(7)分别代入异步电机有功功率计算公式(8)和无功功率计算公式(9)可得

Prea＝Usq×Isd-Usd×Isq

＝Ws×Ls×Isd×Isd+Ws×σLs×Isq×Isq

＝Ws×σLs×(Is^2)+Ws×(Isd^2)×Lm×Lm/Lr      (10)

Pact＝Usq×Isq+Usd×Isd

＝Rs×(Is^2)+Ws×Isd×Isq×Lm×Lm/Lr           (11)

其中，Is^2为电机UVW三相电流Iu、Iv、Iw的合成幅度，与磁场定向角度无关。Is^2的计算公式为：Is^2＝Iu^2+Iv^2+Iw^2。

对式(10)和式(11)分别变形得到式(12)和式(13)。

Ws×(Isd^2)×Lm×Lm/Lr＝Prea-Ws×σLs×(Is^2)      (12)

Ws×Isd×Isq×Lm×Lm/Lr＝Pact-Rs×(Is^2)           (13)

将式(13)除以式(12)得到：

Isq/Isd＝(Pact-Rs×(Is^2))/(Prea-Ws×σLs×(Is^2))     (14)

由于式(14)中Prea、Prea的计算即使采用错误定向角度也没有影响，Ws为控制电机的同步频率，其它参数均为可离线辨识的电机参数。根据式(14)可以估计得到按照正确磁场角度分解的反馈转矩电流Isq’和励磁电流Isd’之比，即：

Isq’/Isd’

＝(Usq×Isq+Usd×Isd-Rs×(Is^2))/(Usq×Isd-Usd×Isq-Ws×σLs×(Is^2))          (15)

将式(15)代入式(2)即得到转差计算式(4)。在计算式(4)中再代入离线辨识的转子时间按常数Tr即可计算得到电机当前的实际转差Wsl。

在上述的基于功率计算的转差估计系统中，还可包括一个电机控制单元，用于通过转差计算单元13输出的转差对异步电机转子磁场进行定向控制。

如图3所示，是本发明基于功率计算的转差估计方法实施例的流程图。该方法包括以下步骤：

步骤S31：采样异步电机的三相电流。

步骤S32：通过磁场角度将三相电流进行转换获得反馈电流D轴分量和Q轴分量。该步骤中的磁场角度的初始值选取自0到360度间的某一随机角度，当前采样周期的三相电流Iu、Iv、Iw使用由前一周期的转差计算获得的磁场角度进行坐标变换。具体地，当前采样周期使用的磁场角度可通过以下方式获得：采样获得转子转速，并将该转速与前一周期获得的转差相加获得控制电机的同步频率；对所述同步频率进行角度积分累加获得磁场角度。

步骤S33：将输入的反馈电流D轴分量、Q轴分量、转矩电流指令及励磁电流指令输入电流调节器获得D轴定子电压、Q轴定子电压。

步骤S34：根据D轴定子电压、Q轴定子电压、反馈电流D轴分量、Q轴分量以及转子时间常数获得转差。

在该步骤中，可通过以下计算式获得转差Wsl：

Wsl＝(Usq×Isq+Usd×Isd-Rs×(Is^2))×Tr/(Usq×Isd-Usd×Isq-Ws×σLs×(Is^2))

其中Usq、Usd、Isq、Isd、Rs、Ws、σLs分别为Q轴定子电压、D轴定子电压、反馈电流Q轴分量、反馈电流D轴分量、电机定子电阻、当前电机控制使用的同步频率及电流漏感；Is^2＝Iu^2+Iv^2+Iw^2，Iu、Iv、Iw为采样的异步电机三相电流；Tr为转子时间常数且Tr＝Lr/Rr，Lr为转子电感，Rr为转子电阻。上述转子电感、转子电阻、电流漏感通过离线辨识获得。

在获得转差后还可包括：通过转差对异步电机转子磁场进行定向控制。

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)

1.一种基于功率计算的转差估计系统，其特征在于：包括电流采样单元、电流转换单元、电流调节单元以及转差计算单元，其中：所述电流采样单元，用于采样异步电机三相电流；所述电流转换单元，用于通过磁场角度将所述三相电流进行转换获得反馈电流D轴分量和Q轴分量；所述电流调节单元，用于根据反馈电流D轴分量、Q轴分量、转矩电流指令及励磁电流指令获得D轴定子电压、Q轴定子电压；所述转差计算单元，用于根据D轴定子电压、Q轴定子电压、反馈电流D轴分量、Q轴分量以及转子时间常数获得转差；

所述转差计算单元通过以下计算式获得转差Wsl：

Wsl＝(Usq×Isq+Usd×Isd-Rs×(Is^2))×Tr/(Usq×Isd-Usd×Isq-Ws×σLs×(Is^2))，

其中Usq、Usd、Isq、Isd、Rs、Ws、σLs分别为Q轴定子电压、D轴定子电压、反馈电流Q轴分量、反馈电流D轴分量、电机定子电阻、当前电机控制使用的同步频率及电流漏感；Is^2＝Iu^2+Iv^2+Iw^2，Iu、Iv、Iw为采样的异步电机三相电流；Tr为转子时间常数且Tr＝Lr/Rr，Lr为转子电感，Rr为转子电阻。

2.根据权利要求1所述的基于功率计算的转差估计系统，其特征在于：所述转差估计系统还包括电机控制单元，用于通过所述转差对异步电机转子磁场进行定向控制。

3.根据权利要求1所述的基于功率计算的转差估计系统，其特征在于：所述转差估计系统还包括磁场角度计算单元，用于根据采样获得的转子转速与前一周期获得的转差相加获得控制电机的同步频率，并对所述同步频率进行角度积分累加获得磁场角度。

4.根据权利要求1所述的基于功率计算的转差估计系统，其特征在于：所述转子电感、转子电阻、电流漏感通过离线辨识获得。

5.一种基于功率计算的转差估计方法，其特征在于：包括以下步骤：

(a)采样异步电机的三相电流，并通过磁场角度对所述三相电流进行转换获得反馈电流D轴分量和Q轴分量；

(b)将输入的反馈电流D轴分量、Q轴分量、转矩电流指令及励磁电流指令输入电流调节器获得D轴定子电压、Q轴定子电压；

(c)根据D轴定子电压、Q轴定子电压、反馈电流D轴分量、Q轴分量以及转子时间常数获得转差；

所述步骤(c)中通过以下计算式获得转差Wsl：

Wsl＝(Usq×Isq+Usd×Isd-Rs×(Is^2))×Tr/(Usq×Isd-Usd×Isq-Ws×σLs×(Is^2))，

其中Usq、Usd、Isq、Isd、Rs、Ws、σLs分别为Q轴定子电压、D轴定子电压、反馈电流Q轴分量、反馈电流D轴分量、电机定子电阻、当前电机控制使用的同步频率及电流漏感；Is^2＝Iu^2+Iv^2+Iw^2，Iu、Iv、Iw为采样的异步电机三相电流；Tr为转子时间常数且Tr＝Lr/Rr，Lr为转子电感，Rr为转子电阻。

6.根据权利要求5所述的基于功率计算的转差估计方法，其特征在于：所述步骤(c)之后包括：通过所述转差对异步电机转子磁场进行定向控制。

7.根据权利要求5所述的基于功率计算的转差估计方法，其特征在于：所述步骤(a)中的磁场角度通过以下方式获得：

(a1)采样获得转子转速，并将该转速与前一周期获得的转差相加获得控制电机的同步频率；

(a2)对所述同步频率进行角度积分累加获得所述磁场角度。

8.根据权利要求5所述的基于功率计算的转差估计方法，其特征在于：所述转子电感、转子电阻、电流漏感通过离线辨识获得。