CN103051278A - 基于磁通估计的转子时间常数在线辨识系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于磁通估计的转子时间常数在线辨识系统，包括采样单元、磁场角度计算单元、第一电流转换单元、第二电流转换单元、控制量计算单元以及时间常数计算单元，其中：所述采样单元，用于采样异步电机输出端的三相电压及三相电流；所述磁场角度计算单元，用于计算估计磁场角度；所述第一电流转换单元，用于获得实际励磁电流和实际转矩电流；所述第二电流转换单元，用于获得控制励磁电流和控制转矩电流；所述控制量计算单元，用于计算控制量；所述时间常数计算单元，用于计算并更新转子时间常数。本发明还提供一种对应的方法。本发明通过估计磁场角度分解电流和控制角度分解电流之间的关系计算得到转子时间常数，提高转矩控制精度。

Description

基于磁通估计的转子时间常数在线辨识系统及方法

技术领域

本发明涉及电机控制领域，更具体地说，涉及一种基于磁通估计的转子时间常数在线辨识系统及方法。

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。

现有的异步机转子磁场定向控制方案中，通过离线辨识方式，可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，并通过已知的转子时间常数Tr和控制采用的转矩电流指令Iq*和励磁电流指令Id*，利用公式（2）进行转差Wsl的计算，从而实现异步机的转子磁场定向控制。

Tr=Lr/Rr   （1）

Wsl=Iq*/(Id*×Tr)   （2）

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，转差Wsl频率计算结果与理论值将存在偏差。此时，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，同时带来了异步电机的弱磁区电压容易饱和等问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对上述异步电机由于电阻升温变化而导致转差偏差，并影响转矩控制精度的问题，提供一种基于磁通估计的转子时间常数在线辨识系统及方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案是，提供一种基于磁通估计的转子时间常数在线辨识系统，包括采样单元、磁场角度计算单元、第一电流转换单元、第二电流转换单元、控制量计算单元以及时间常数计算单元，其中：所述采样单元，用于采样异步电机输出端的三相电压及三相电流；所述磁场角度计算单元，用于根据采样的三相电压及三相电流计算估计磁场角度；所述第一电流转换单元，用于使用所述估计磁场角度对采样的三相电流进行电流转换，获得实际励磁电流和实际转矩电流；所述第二电流转换单元，用于使用控制角度对采样的三相电流进行电流转换，获得控制励磁电流和控制转矩电流；所述控制量计算单元，用于根据实际励磁电流、实际转矩电流、控制励磁电流和控制转矩电流计算控制量；所述时间常数计算单元，用于对控制量进行积分计算获得时间常数增益系数，并使用所述时间常数增益系数计算并更新转子时间常数。

在本发明所述的基于磁通估计的转子时间常数在线辨识系统中，所述磁场角度计算单元通过以下公式计算估计磁场角度δ：

其中

为转子磁通在α、β轴分量，U_sα、U_sβ为定子电压在α、β轴分量，i_sα、i_sβ为定子电流在α、β轴分量，Lr为转子电感，Ls为定子电感、Lm为互感、Rs为定子电阻，σLs为漏感。

在本发明所述的基于磁通估计的转子时间常数在线辨识系统中，所述第一电流转换单元通过以下公式计算实际励磁电流Id^和实际转矩电流Iq^：

Id^=cosδ*i_sα+sinδ*i_sβ，

Iq^=cosδ*i_sβ+sinδ*i_sα，

所述第二电流转换单元通过以下公式计算控制励磁电流Id和控制转矩电流Iq：

Id=cosθ*i_sα+sinθ*i_sβ，

Iq=cosθ*i_sβ+sinθ*i_sα，

其中θ为间接磁通定向控制的同步角度。

在本发明所述的基于磁通估计的转子时间常数在线辨识系统中，所述控制量计算单元通过以下表达式计算控制量：Iq^×Id–Iq×Id^。

在本发明所述的基于磁通估计的转子时间常数在线辨识系统中，所述控制量计算单元包括第一判断子单元，用于判断实际转矩电流Iq^是否大于等于零；所述控制量计算单元在实际转矩电流Iq^大于等于零时将Iq^×Id–Iq×Id^作为控制量，否则将Iq×Id^–Iq^×Id作为控制量。

本发明还提供一种基于磁通估计的转子时间常数在线辨识方法，包括以下步骤：

（a）采样异步电机输出端的三相电压及三相电流，并根据采样的三相电压及三相电流计算估计磁场角度；

（b）使用估计磁场角度对采样的三相电流进行电流转换，获得实际励磁电流和实际转矩电流；并使用控制角度对采样的三相电流进行电流转换，获得控制励磁电流和控制转矩电流；

（c）根据实际励磁电流、实际转矩电流、控制励磁电流和控制转矩电流计算控制量；

（d）对所述控制量进行积分计算获得时间常数增益系数，并使用所述时间常数增益系数计算并更新转子时间常数。

在本发明所述的基于磁通估计的转子时间常数在线辨识方法中，所述步骤（a）中，所述估计磁场角度δ通过以下公式计算获得：

其中

为转子磁通在α、β轴分量，U_sα、U_sβ为定子电压在α、β轴分量，i_sα、i_sβ为定子电流在α、β轴分量，Lr为转子电感，Ls为定子电感、Lm为互感、Rs为定子电阻，σLs为漏感。

在本发明所述的基于磁通估计的转子时间常数在线辨识方法中，所述步骤（b）中实际励磁电流Id^和实际转矩电流Iq^通过以下公式计算获得：

Id^=cosδ*i_sα+sinδ*i_sβ，

Iq^=cosδ*i_sβ+sinδ*i_sα，

所述控制励磁电流Id和控制转矩电流Iq通过以下公式计算获得：

Id=cosθ*i_sα+sinθ*i_sβ，

Iq=cosθ*i_sβ+sinθ*i_sα，

其中θ为间接磁通定向控制的同步角度。

在本发明所述的基于磁通估计的转子时间常数在线辨识方法中，所述步骤（c）中通过以下表达式计算控制量：Iq^×Id–Iq×Id^。

在本发明所述的基于磁通估计的转子时间常数在线辨识方法中，所述步骤（c）中，包括：

（c1）判断实际转矩电流Iq^是否大于等于零，并在实际转矩电流Iq^大于等于零时执行步骤（c2），否则执行步骤（c3）；

（c2）将Iq^×Id–Iq×Id^作为控制量；

（c3）将Iq×Id^–Iq^×Id作为控制量。

本发明的基于磁通估计的转子时间常数在线辨识系统及方法，通过估计磁场角度分解电流和控制角度分解电流之间的关系计算得到转子时间常数，可以实现转子时间常数的在线实时辨识，可以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是本发明基于磁通估计的转子时间常数在线辨识系统实施例的示意图。

图2是本发明基于磁通估计的转子时间常数在线辨识方法实施例的流程示意图。

图3是图2中控制量计算的示意图。

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。

本发明利用磁通估计的实际磁场作为参考，通过对比控制指令中的磁场电流分解与估计磁场电流分解之间的关系，以此作为控制量实时对转子时间常数进行在线修正。

由于在稳态条件下，采用当前错误转子时间常数计算的转差与采用电机实际准确转子时间常数计算的转子时间常数计算得到的转差相等。由此得到：

Wsl=Iq/(Id×Tr)   （3）

Wsl^=Iq^/(Id^×Tr^)   （4）

Wsl=Wsl   ^（5）

其中，Tr、Tr^分别为当前计算采用的转子时间常数（控制指令中使用的时间常数）和电机当前实际的时间常数；Iq、Iq^分别为当前计算采用的转矩电流（控制指令中的转矩电流）和电机当前实际的转矩电流；Wsl、Wsl^分别为采用当前控制量计算的转差和采用估计磁场分解量及正确转子时间常数Tr^计算的转差。

由以上公式（3）-（5）可得：

Tr^–Tr=Tr^×(Iq^×Id–Iq×Id^)/(Isq^×Id)   （6）

若以(Iq^×Id–Iq×Id^)/(Iq^×Id)作为在线辨识的输入控制量，可以得到电机实际转子时间常数与当前使用时间参数（即输入的控制指令使用的时间常数）之间的差别。若对该控制量进行积分，即可估计得到电机实际转子时间常数与当前使用时间参数之间的增益系数K。

如图1所示，是本发明基于磁通估计的转子时间常数在线辨识系统实施例的示意图。本实施例中的辨识系统包括采样单元11、磁场角度计算单元13、第一电流转换单元12、第二电流转换单元14、控制量计算单元15以及时间常数计算单元16，其中采样单元11、磁场角度计算单元13、第一电流转换单元12、第二电流转换单元14、控制量计算单元15以及时间常数计算单元16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），并通过软件实现。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。

采样单元11用于采样异步电机输出端（定子）的三相电压及三相电流。该采样单元11还通过3/2变换将采样的三相电流和三相电压分别转换为α、β轴分量。

磁场角度计算单元13用于根据采样的三相电压及三相电流计算估计磁场角度δ。具体地，该磁场角度计算单元13可通过以下公式计算估计磁场角度δ：

其中

为转子磁通在α、β轴分量，U_sα、U_sβ为定子电压在α、β轴分量，i_sα、i_sβ为定子电流在α、β轴分量，Lr为转子电感，Ls为定子电感、Lm为互感、Rs为定子电阻，σLs为漏感。

第一电流转换单元12用于使用估计磁场角度δ对采样的三相电流进行电流转换，获得实际励磁电流和Id^实际转矩电流Iq^。该第一电流转换单元12可通过以下公式计算实际励磁电流Id^和实际转矩电流Iq^：

Id^=cosδ*i_sα+sinδ*i_sβ

Iq^=cosδ*i_sβ+sinδ*i_sα

第二电流转换单元14用于使用控制角度δ*（控制电机运转的指令中所使用）对采样的三相电流进行电流转换，获得控制励磁电流Id和控制转矩电流Iq。该第二电流转换单元14可通过以下公式计算控制励磁电流Id和控制转矩电流Iq：

Id=cosθ*i_sα+sinθ*i_sβ，

Iq=cosθ*i_sβ+sinθ*i_sα，

其中θ为间接磁通定向控制的同步角度（从控制指令获取）。

控制量计算单元15用于根据实际励磁电流Id^、实际转矩电流Iq^、控制励磁电流Id和控制转矩电流Iq计算控制量。该控制量计算单元15可通过以下表达式计算控制量：(Iq^×Id–Iq×Id^)。

时间常数计算单元16用于对控制量进行积分计算获得时间常数增益系数K，并使用时间常数增益系数K计算并更新转子时间常数，即Tr^=Tr×(K+1)。

由异步机转子磁场定向控制原理可知，实际转矩电流Iq^幅度可能为零或者接近零，采用表达式(Iq^×Id–Iq×Id^)计算控制量时必定存在计算溢出的问题；同理，由于控制励磁电流Id始终大于零，因此可以将以上控制量进行改进。具体地，可使控制量计算单元15包括第一判断子单元，通过该第一判断子单元判断实际转矩电流Iq^是否大于等于零。控制量计算单元15在实际转矩电流Iq^大于等于零时将Iq^×Id–Iq×Id^作为控制量，否则将Iq×Id^–Iq^×Id作为控制量。

在上述系统中，还可包括一个转差计算单元，该转差计算单元将时间常数计算单元16计算获得的新的转子时间常数代入公式（3）可得实时修正后的转差计算表达式（7）并通过该转差计算表达式计算转差（该转差可直接用于实现速度闭环控制）。

Wsl=Iq/(Id×Tr×(K+1))   （7）

如图2所示，是本发明基于磁通估计的转子时间常数在线辨识方法实施例的流程示意图。该方法可由电机控制装置执行，并包括以下步骤：

步骤S21：采样异步电机输出端（定子）的三相电压及三相电流。

步骤S22：使用控制角度（来自控制指令）对采样的三相电流进行电流转换，获得控制励磁电流和控制转矩电流。上述控制励磁电流Id和控制转矩电流Iq通过以下公式计算获得：

Id=cosθ*i_sα+sinθ*i_sβ，

Iq=cosθ*i_sβ+sinθ*i_sα，

其中θ为间接磁通定向控制的同步角度（从控制指令获取）。

步骤S23：根据采样的三相电压及三相电流计算估计磁场角度。该步骤中国，通过以下公式计算估计磁场角度δ：

其中

为转子磁通在α、β轴分量，U_sα、U_sβ为定子电压在α、β轴分量，i_sα、i_sβ为定子电流在α、β轴分量，Lr为转子电感，Ls为定子电感、Lm为互感、Rs为定子电阻，σLs为漏感。

步骤S24：使用估计磁场角度对采样的三相电流进行电流转换，获得实际励磁电流和实际转矩电流。上述实际励磁电流Iq^和实际转矩电流Id^通过以下公式计算获得：

Id^=cosδ*i_sα+sinδ*i_sβ

Iq^=cosδ*i_sβ+sinδ*i_sα

上述步骤S23、S24可与步骤S22同时执行。

步骤S25：根据实际励磁电流、实际转矩电流、控制励磁电流和控制转矩电流计算控制量。该步骤中，可通过以下表达式计算控制量：(Iq^×Id–Iq×Id^)。

步骤S26：对所述控制量进行积分计算获得时间常数增益系数，并使用时间常数增益系数计算并更新转子时间常数。

由于实际转矩电流Iq^幅度可能为零或者接近零，采用表达式(Iq^×Id–Iq×Id^)计算控制量时必定存在计算溢出的问题，如图3所示，上述步骤S25可进一步包括：

步骤S251：计算控制量初始值，即(Iq^×Id–Iq×Id^)。

步骤S252：判断实际转矩电流Iq^是否大于等于零，并在实际转矩电流Iq^大于等于零时执行步骤S254，否则执行步骤S253。

步骤S253：控制量初始值取反，并执行步骤S254。

步骤S254：将控制量作为积分输入，以计算时间常数。

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 (10)

1.一种基于磁通估计的转子时间常数在线辨识系统，其特征在于：包括采样单元、磁场角度计算单元、第一电流转换单元、第二电流转换单元、控制量计算单元以及时间常数计算单元，其中：所述采样单元，用于采样异步电机输出端的三相电压及三相电流；所述磁场角度计算单元，用于根据采样的三相电压及三相电流计算估计磁场角度；所述第一电流转换单元，用于使用所述估计磁场角度对采样的三相电流进行电流转换，获得实际励磁电流和实际转矩电流；所述第二电流转换单元，用于使用控制角度对采样的三相电流进行电流转换，获得控制励磁电流和控制转矩电流；所述控制量计算单元，用于根据实际励磁电流、实际转矩电流、控制励磁电流和控制转矩电流计算控制量；所述时间常数计算单元，用于对控制量进行积分计算获得时间常数增益系数，并使用所述时间常数增益系数计算并更新转子时间常数。 

2.根据权利要求1所述的基于磁通估计的转子时间常数在线辨识系统，其特征在于：所述磁场角度计算单元通过以下公式计算估计磁场角度d： 

，

，

，

其中φ_rα、φ_rβ为转子磁通在α、β轴分量，U_sα、U_sβ为定子电压在α、β轴分量，i_sα、i_sβ为定子电流在α、β轴分量，Lr为转子电感，Ls为定子电感、Lm为互感、Rs为定子电阻，σLs为漏感。

3.根据权利要求1所述的基于磁通估计的转子时间常数在线辨识系统，其特征在于：所述第一电流转换单元通过以下公式计算实际励磁电流Id^和实际转矩电流Iq^：

，

，

所述第二电流转换单元通过以下公式计算控制励磁电流Id和控制转矩电流Iq：

，

，

其中θ为间接磁通定向控制的同步角度。

4.根据权利要求1所述的基于磁通估计的转子时间常数在线辨识系统，其特征在于：所述控制量计算单元通过以下表达式计算控制量： Iq^×Id – Iq×Id^。

5.根据权利要求4所述的基于磁通估计的转子时间常数在线辨识系统，其特征在于：所述控制量计算单元包括第一判断子单元，用于判断实际转矩电流Iq^是否大于等于零；所述控制量计算单元在实际转矩电流Iq^大于等于零时将Iq^×Id – Iq×Id^作为控制量，否则将Iq×Id ^– Iq^×Id作为控制量。

6.一种基于磁通估计的转子时间常数在线辨识方法，其特征在于：包括以下步骤：

（a）采样异步电机输出端的三相电压及三相电流，并根据采样的三相电压及三相电流计算估计磁场角度；

（b）使用估计磁场角度对采样的三相电流进行电流转换，获得实际励磁电流和实际转矩电流；并使用控制角度对采样的三相电流进行电流转换，获得控制励磁电流和控制转矩电流；

（c）根据实际励磁电流、实际转矩电流、控制励磁电流和控制转矩电流计算控制量；

（d）对所述控制量进行积分计算获得时间常数增益系数，并使用所述时间常数增益系数计算并更新转子时间常数。 

7.根据权利要求6所述的基于磁通估计的转子时间常数在线辨识方法，其特征在于：所述步骤（a）中，所述估计磁场角度d通过以下公式计算获得：

，

，

，

其中φ_rα、φ_rβ为转子磁通在α、β轴分量，U_sα、U_sβ为定子电压在α、β轴分量，i_sα、i_sβ为定子电流在α、β轴分量，Lr为转子电感，Ls为定子电感、Lm为互感、Rs为定子电阻，σLs为漏感。

8.根据权利要求6所述的基于磁通估计的转子时间常数在线辨识方法，其特征在于：所述步骤（b）中实际励磁电流Id^和实际转矩电流Iq^通过以下公式计算获得：

，

，

所述控制励磁电流Id和控制转矩电流Iq通过以下公式计算获得：

，

，

其中θ为间接磁通定向控制的同步角度。

9.根据权利要求6所述的基于磁通估计的转子时间常数在线辨识方法，其特征在于：所述步骤（c）中通过以下表达式计算控制量： Iq^×Id – Iq×Id^。

10.根据权利要求6所述的基于磁通估计的转子时间常数在线辨识方法，其特征在于：所述步骤（c）中，包括：

（c1）判断实际转矩电流Iq^是否大于等于零，并在实际转矩电流Iq^大于等于零时执行步骤（c2），否则执行步骤（c3）；

（c2）将Iq^×Id – Iq×Id^作为控制量；

（c3）将Iq×Id ^– Iq^×Id作为控制量。

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