CN103281033B - 一种异步电机参数辨识的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种异步电机参数辨识的方法，特别是一种异步电机参数离线辨识的方法，通过向异步电机定子绕组通入两次不同频率的正弦电流信号，根据电机单相试验的T型等效电路计算等效总漏感和互感；向异步电机定子电阻梯形电流信号，检测梯形电流信号上升阶段变频器的输出电压，计算出异步电机的定子漏感，转子漏感；检测梯形电流信号水平阶段变频器的输出电压V，计算出异步电机的转子电阻。采用上述方法后，可以快速的辨识异步电机的参数。同时，通过PI电流控制器使得变频器的输出跟踪给定电流信号。变频器输入电流信号中加入直流偏置可以避免由于变频器管压降以及死区的影响，使电流的过零点畸变。

Description

一种异步电机参数辨识的方法

技术领域

本发明涉及一种异步电机参数辨识的方法，特别是一种异步电机参数离线辨识的方法。

背景技术

随着工业现场的需求对变频器不断提出更高的要求，矢量控制技术被广泛的应用于需要对异步电机进行高性能控制的场合。矢量控制的最终目标是实现对转矩和磁链控制的解耦。从而实现对异步电机高性能控制。实现对异步电机转矩和磁链控制的转矩却很大程度上依赖于对异步电机参数辨识精度的高低。

通常异步电机参数辨识可分为离线辨识和在线辨识。异步电机参数的离线辨识时指在系统运行前，通过变频器对异步电机施加各种激励信号，以达到计算出异步电机参数的目的。然后对变频器相关参数进行设置；而在线辨识时指在系统运行中，通过各种算法，对异步电机进行实时的检查。异步电机在运行过程中，由于温度变化、集肤效应也会使异步电机的参数发生变化。在异步电机参数变化时，在线辨识就会把最新的数据传入变频器的控制系统。

在传统的异步电机参数离线辨识方法中，需要通过堵转和空载实验来完成。其中堵转实验，无法完全分别辨识出定子漏感和转子漏感。由于集肤效应使转子电阻的变化很大，转子电阻的测量存在很大误差。通过空载实验来完成对异步电机互感的辨识，而空载实验在工业现场又往往没有实验条件，无法完成对异步电机参数的辨识。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种在异步电机静止状态下辨识异步电机参数的方法。

为解决上述的技术问题，本发明的一种异步电机参数辨识的方法，包括以下步骤：

a,将异步电机设置为单相试验状态，即将异步电机的一相开路，另外两相接入变频器；

b,向异步电机定子绕组通入两次不同频率的正弦电流信号I_ref，频率分别为f₁和f₂；

c,采样变频器输出电流I和直流母线电压V_dc，根据电机单相试验的T型等效电路计算等效总漏感σL_s和互感L_m；

d,向异步电机定子电阻梯形电流信号；

e,检测梯形电流信号上升阶段变频器的输出电压U，计算出异步电机的定子漏感L_ls，转子漏感L_lr；检测梯形电流信号水平阶段变频器的输出电压V，计算出异步电机的转子电阻R_r。

进一步的，为了控制步骤c中变频器输出电流跟踪步骤b中的输入电流信号，将所述步骤c中采样变频器输出电流I与步骤b中输入电流信号I_ref相比较，然后通过电流PI控制器调节后输入给变频器形成闭环。

更进一步的，所述步骤c中采样变频器输出电流I先经过低通滤波器，然后与步骤b中输入电流信号I_ref相比较。

进一步的，所述步骤c的具体过程如下：

采样变频器输出电流I和直流母线电压V_dc；

通过输入电流信号I_ref，得到输出电压参考值V_ref；

根据电压参考值V_ref和直流母线电压V_dc计算出变频器输出电压占空比D=V_ref*Ts/V_dc；

采样变频器输出电流I和计算得到的电压参考值V_ref经FFT分析后得到电流电压的幅值和相位，进而计算得到等效电路中虚部和实部的阻抗R_ed，R_eq；两次单相试验中得到虚部的差值为ΔR_eq,最后求得等效总漏感σL_s和互感L_m；计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{ed}}=R_s+\frac{{\mathrm{\ω}}^2{L}_m^2{R}_r}{R_r+{\mathrm{\ω}}^2{(L_m+L_{\mathrm{lr}})}^2}\\ R_{\mathrm{eq}}=\mathrm{\ω}{L}_{\mathrm{ls}}+\frac{{\mathrm{\ω}}^2{L}_m{R}_r^2+{\mathrm{\ω}}^3{L}_{\mathrm{lr}}{L}_m(L_m+L_{\mathrm{lr}})}{R_r+{\mathrm{\ω}}^2{(L_m+L_{\mathrm{lr}})}^2}\end{array}\right.$

$\mathrm{\Δ}{R}_{\mathrm{eq}}=\frac{R_{r2}}{{\mathrm{\ω}}_2{L}_m}-\frac{R_{r1}}{{\mathrm{\ω}}_1{L}_m}$

$L_m=\frac{R_{\mathrm{ed}2}-R_s}{{\mathrm{\ω}}_2\mathrm{\Δ}{R}_{\mathrm{eq}}}-\frac{R_{\mathrm{ed}1}-R_s}{{\mathrm{\ω}}_1\mathrm{\Δ}{R}_{\mathrm{eq}}}$

$\mathrm{\σ}{L}_s=\frac{R_{\mathrm{eq}2}}{{\mathrm{\ω}}_2}$

其中，异步电机定子漏感L_ls，转子漏感L_lr，电机互感L_m，定子电阻R_s和转子电阻R_r。

进一步的，所述步骤e的具体过程如下：

检测梯形电流信号上升阶段变频器的输出电压U，此时定子电流为零，转子电流为零，电流变化率设为K；另外设定子漏感、转子漏感分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{L}_{\mathrm{ls}}=\mathrm{d\σ}{L}_s\\ L_{\mathrm{lr}}=(1-d)\mathrm{\σ}{L}_s\end{array}\right.$

根据基尔霍夫定理d²k²(σL_s)²+(k²σL_sL_m-k²σL_s-kσL_sU-kσL_s)d+Uk-k²L_m＝0求出d,从而根据步骤c中求得的等效总漏感σL_s=L_ls+L_lr求出定子、转子漏感；

检测梯形电流信号水平阶段变频器的输出电压V，此时电流变化率为零，不存在定子、转子漏感，求出转子电阻为

进一步的，所述步骤b通入的正弦电流信号I_ref和步骤d中通入的梯形电流信号中都加入了直流偏置I_dc。

进一步的，所述步骤b中通入的两种不同频率正弦电流信号，其频率都大于10HZ。

采样上述方法后，通过对定子电阻分别通入两种频率不同的正弦交流信号和梯形电流信号，然后分别检测变频器的输出端信号参数，根据输出端信号参数计算求出异步电机的各项参数。同时，通过PI电流控制器使得变频器的输出跟踪给定电流信号。变频器输入电流信号中加入直流偏置可以避免由于变频器管压降以及死区的影响，使电流的过零点畸变。

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为本发明异步电机参数辨识变频器控制图。

图2为本发明异步电机单相试验的等效连接图。

图3为本发明异步电机单相试验的T型等效电路。

图4为本发明步骤d中输入的梯形电流信号示意图。

具体实施方式

本发明是要在电机静止状态下，辨识异步电机定子漏感L_ls，转子漏感L_lr，电机互感L_m和转子电阻R_r的一种方法。本发明的异步电机参数便是的方法包括以下步骤：

a,将异步电机设置为单相试验状态，即将异步电机的一相开路，另外两相接入变频器。如图1所示，将异步电机接入变频器三相输出。其中开关管S₅和S₆常闭，使电机C相开路。在通入交流电流时，电机仍保持静止状态。开关管S₄常开，使电机B相连接直流母线负端。开关管S₁为斩波状态，通过控制占空比，控制变频器输出电流。开关管S₁处于斩波状态，是为了便于通过PI电流控制器调节开关管的开关状态，从而使得变频器的输出端电流能够跟踪给定电流信号。图2为按照图1方式连接的电机单相试验的等效连接图。

b,向异步电机定子绕组通入两次不同频率的正弦电流信号I_ref，频率分别为f₁和f₂，设其中f₁<f₂，两种频率选择大于10HZ的电流信号。为了避免由于变频器管压降以及死区的影响，使电流的过零点畸变，本发明的两次不同频率的正弦电流信号中加入了直流偏置I_dc，两次不同频率的正弦电流信号可表达为：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{ref}1}=I\sin \left({\mathrm{\&omega;}}_{1}t\right)+I_{\mathrm{dc}}\\ I_{\mathrm{ref}2}=I\sin \left({\mathrm{\&omega;}}_{2}t\right)+I_{\mathrm{dc}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

c,采样变频器输出电流I和直流母线电压V_dc，根据电机单相试验的T型等效电路计算等效总漏感σL_s和互感L_m。所述步骤c的具体过程如下：

采样变频器输出电流I和直流母线电压V_dc，这里为了使得变频器输出电流跟踪给定的电流信号，将变频器的输出电流I与步骤b中电流信号I_ref相比较，然后通过电流PI控制器调节后输入给变频器形成闭环。这样经PI电流控制器调节输出参考电压V_ref，变频器根据参考电压的幅值，调节开关管的占空比（步骤a中S₁为斩波状态），达到控制电流的目的。更进一步的，为了消除开关噪声，所述步骤c中采样变频器输出电流I先经过低通滤波器，然后与步骤b中输入电流信号I_ref相比较。

通过输入电流信号I_ref，得到输出电压参考值V_ref；

根据电压参考值V_ref和直流母线电压V_dc计算出变频器输出电压占空比D=V_ref*Ts/V_dc；

采样变频器输出电流I和计算得到的电压参考值V_ref经FFT分析后得到电流电压的幅值和相位。根据如图3所示的按照步骤a中所述的连接方式形成的T型等效电路计算得到等效电路中虚部和实部的阻抗R_ed，R_eq；其计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{ed}}=R_s+\frac{{\mathrm{\&omega;}}^2{L}_m^2{R}_r}{R_r+{\mathrm{\&omega;}}^2{(L_m+L_{\mathrm{lr}})}^2}\\ R_{\mathrm{eq}}=\mathrm{\&omega;}{L}_{\mathrm{ls}}+\frac{{\mathrm{\&omega;}}^2{L}_m{R}_r^2+{\mathrm{\&omega;}}^3{L}_{\mathrm{lr}}{L}_m(L_m+L_{\mathrm{lr}})}{R_r+{\mathrm{\&omega;}}^2{(L_m+L_{\mathrm{lr}})}^2}\end{array}\right.---\left(2\right)$

由于感抗远大于转子电阻，所审议实部可近似为：R_ed＝R_s+R_r。考虑集肤效应，两次单相实验中得到虚步的差值为ΔR_eq，

$\mathrm{\&Delta;}{R}_{\mathrm{eq}}=\frac{R_{r2}}{{\mathrm{\&omega;}}_2{L}_m}-\frac{R_{r1}}{{\mathrm{\&omega;}}_1{L}_m}---\left(3\right)$

可计算出L_m为：

$L_m=\frac{R_{\mathrm{ed}2}-R_s}{{\mathrm{\&omega;}}_2\mathrm{\&Delta;}{R}_{\mathrm{eq}}}-\frac{R_{\mathrm{ed}1}-R_s}{{\mathrm{\&omega;}}_1\mathrm{\&Delta;}{R}_{\mathrm{eq}}}---\left(4\right)$

在单相试验中，选择f₂时的交流信号，根据式（2）可近似得到总漏感值σL_s=L_ls+L_lr。

$\mathrm{\&sigma;}{L}_s=\frac{R_{\mathrm{eq}2}}{{\mathrm{\&omega;}}_2}---\left(5\right)$

其中，异步电机定子漏感L_ls，转子漏感L_lr，电机互感L_m，定子电阻R_s和转子电阻R_r。

d,向异步电机定子电阻梯形电流信号，这里所述的梯形电流信号如图4所示，与步骤b中通入的正弦电流信号一样，为了避免由于变频器管压降以及死区的影响，使电流的过零点畸变，所述梯形电流信号中加入了直流偏置I_dc。

e,在通过步骤d向异步电机定子电阻通入梯形电流信号后，检测梯形电流信号上升阶段变频器的输出电压，为了便于检测，如图4所示在电流信号穿越I_dc的t₂处。即测试点1，测量输出电压U。此时定子电流为零，转子电流为零，电流变化率设为K；另外设定子漏感、转子漏感分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{L}_{\mathrm{ls}}=\mathrm{d\&sigma;}{L}_s\\ L_{\mathrm{lr}}=(1-d)\mathrm{\&sigma;}{L}_s\end{array}\right.---\left(6\right)$

根据基尔霍夫定理d²k²(σL_s)²+(k²σL_sL_m-k²σL_s-kσL_sU-kσL_s)d+Uk-k²L_m＝0求出d,再根据式（5）计算出总漏感值σL_s和式（6）得出异步电机的定子漏感L_ls，转子漏感L_lr。

然后检测梯形电流信号水平阶段变频器的输出电压，为了方便检测如图4所示，检测在梯形电流信号的t₃时刻，即测试点2，测量输出电压为V。因为此时为梯形电流信号的水平阶段，电流变化率为零，对转子电阻无集肤效应影响。计算出异步电机的转子电阻为：

$R_r=\frac{V-{\mathrm{IR}}_s}{I}---\left(7\right)$

到此，通过给异步电机定子通入单相正弦信号和梯形电流信号，分别计算出了电机的定子漏感，转子漏感，电机互感以及在无集肤效应下的转子电阻。

Claims (5)

1.一种异步电机参数辨识的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a,将异步电机设置为单相试验状态，即将异步电机的一相开路，另外两相接入变频器；

b,向异步电机定子绕组通入两次不同频率的正弦电流信号I_ref，频率分别为f₁和f₂；

c,采样变频器输出电流I和直流母线电压V_dc，根据电机单相试验的T型等效电路计算等效总漏感σL_s和互感L_m；

d,向异步电机定子电阻施加梯形电流信号；

e,检测梯形电流信号上升阶段变频器的输出电压U，计算出异步电机的定子漏感L_ls，转子漏感L_lr；检测梯形电流信号水平阶段变频器的输出电压V，计算出异步电机的转子电阻R_r；

所述步骤c的具体过程如下：

采样变频器输出电流I和直流母线电压V_dc；

通过输入正弦电流信号I_ref，得到输出电压参考值V_ref；

根据电压参考值V_ref和直流母线电压V_dc计算出变频器输出电压占空比D＝V_ref*Ts/V_dc；

采样变频器输出电流I和计算得到的电压参考值V_ref经FFT分析后得到电流电压的幅值和相位，进而计算得到等效电路中实部和虚部的阻抗R_ed，R_eq；两次单相试验中得到虚部的差值为ΔR_eq,最后求得等效总漏感σL_s和互感L_m；计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{ed}}=R_s+\frac{{\mathrm{\&omega;}}^2{L}_m^2{R}_r}{R_r+{\mathrm{\&omega;}}^2{(L_m+L_{\mathrm{lr}})}^2}\\ R_{\mathrm{eq}}={\mathrm{\&omega;L}}_{\mathrm{ls}}+\frac{{\mathrm{\&omega;}}^2{L}_m{R}_r^2+{\mathrm{\&omega;}}^3{L}_{\mathrm{lr}}{L}_m(L_m+L_{\mathrm{lr}})}{R_r+{\mathrm{\&omega;}}^2{(L_m+L_{\mathrm{lr}})}^2}\end{array}\right.$

$\mathrm{\&Delta;}{R}_{\mathrm{eq}}=\frac{R_{r2}}{{\mathrm{\&omega;}}_2{L}_m}-\frac{R_{r1}}{{\mathrm{\&omega;}}_1{L}_m}$

$L_m=\frac{R_{\mathrm{ed}2}-R_s}{{\mathrm{\&omega;}}_2\mathrm{\&Delta;}{R}_{\mathrm{eq}}}-\frac{R_{\mathrm{ed}1}-R_s}{{\mathrm{\&omega;}}_1\mathrm{\&Delta;}{R}_{\mathrm{eq}}}$

$\mathrm{\&sigma;}{L}_s=\frac{R_{\mathrm{eq}2}}{{\mathrm{\&omega;}}_2}$

式中，L_ls为异步电机定子漏感；L_lr为转子漏感；L_m为电机互感；R_s为定子电阻；R_r为转子电阻；T_s为脉冲周期；ω为电机转子角速度；ω₁为频率f₁时电机转子角速度；ω₂为频率f₂时电机转子角速度；R_r1为频率f₁时电机转子电阻；R_r2为频率f₂时电机转子电阻；R_ed1为频率f₁时等效电路中实部阻抗；R_ed2为频率f₂时等效电路中实部阻抗；R_eq2为频率f₂时等效电路中虚部阻抗；

所述步骤e的具体过程如下：

检测梯形电流信号上升阶段变频器的输出电压U，此时定子电流为零，转子电流为零，电流变化率设为K；另外设定子漏感、转子漏感分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{L}_{1s}=\mathrm{d\&sigma;}{L}_s\\ L_{\mathrm{lr}}=(1-d)\mathrm{\&sigma;}{L}_s\end{array}\right.$

根据基尔霍夫定理d²K²(σL_s)²+(K²σL_sL_m-K²σL_s-KσL_sU-KσL_s)d+UK-K²L_m＝0求出d,从而根据步骤c中求得的等效总漏感σL_s＝L_ls+L_lr求出定子、转子漏感；

检测梯形电流信号水平阶段变频器的输出电压V，此时电流变化率为零，不存在定子、转子漏感，求出转子电阻为

2.按照权利要求1所述的一种异步电机参数辨识的方法，其特征在于：为了控制步骤c中变频器输出电流跟踪步骤b中的输入电流信号，将所述步骤c中采样变频器输出电流I与步骤b中输入的正弦电流信号I_ref相比较，然后通过电流PI控制器调节后输入给变频器形成闭环。

3.按照权利要求2所述的一种异步电机参数辨识的方法，其特征在于：所述步骤c中采样变频器输出电流I先经过低通滤波器，然后与步骤b中输入的正弦电流信号I_ref相比较。

4.按照权利要求1所述的一种异步电机参数辨识的方法，其特征在于：所述步骤b通入的正弦电流信号I_ref和步骤d中通入的梯形电流信号中都加入了直流偏置I_dc。

5.按照权利要求1所述的一种异步电机参数辨识的方法，其特征在于：所述步骤b中通入的两种不同频率正弦电流信号，其频率都大于10Hz。