CN103326657A - 异步电机定子电阻在线识别系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种异步电机定子电阻在线识别系统，包括分解角度计算单元、电压获取单元、反馈电流获取单元以及电阻计算单元，其中：所述分解角度计算单元，用于从电机控制指令获得励磁电流指令Id*和转矩电流指令Iq*，并根据所述励磁电流指令和转矩电流指令计算分解角度Φ；所述电压获取单元，用于分别从变频器的D轴电流调节器和Q轴电流调节器获得输出电压Vd和Vq；所述反馈电流获取单元，用于获得异步电机当前的励磁电流Id和转矩电流Iq；所述电阻计算单元，用于计算定子电阻Rs。本发明还提供了一种对应的方法。本发明可在异步电机运行过程快速识别定子电阻。
Description
技术领域
本发明涉及电机控制领域，更具体地说，涉及一种异步电机定子电阻在线识别系统及方法。
背景技术
异步电机由于结构简单，制造、使用、维护方便，运行可靠性高，重量轻，成本低，是各类电动机中应用最广、需要量最大的一种。各国的以电为动力的机械中，约有90%左右为异步电机。
异步电机在无速度传感器矢量控制模式下，需要采样电机电压、电机电流和一些电机参数作为控制输入量，从而估计得到电机转子当前的转速。上述转速估计算法需用到的电机参数包括互感、转子电感、定子电阻、转子电阻等。其中，定子电阻的识别精度严重影响电机低转速的带载能力和控制稳定性。
目前，工业应用场合通常使用以下两种方法获得电机定子电阻：（1）通过在线辨识得到电机定子电阻，即要求异步电机可带负载启动运行；（2）通过离线识别电机定子电阻，但是识别后因为电机运行过程中温度升高定子电阻阻值发生变化。
然而，上述两种方式均有可能得不到理想的控制性能。例如采用在线辨识得到电机定子电阻方式中，对控制异步电机的变频器的容量需足够大；而采用离线识别方式获得的定子电阻时，由于电机带载运行后电机绕组发热，并导致定子电阻发生变化，从而电机电阻变化后，在异步电机低速运行时无法达到理想的控制性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对上述异步电机定子电阻识别精度不足的问题，提供一种异步电机定子电阻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，提供一种异步电机定子电阻在线识别系统，包括分解角度计算单元、电压获取单元、反馈电流获取单元以及电阻计算单元，其中：所述分解角度计算单元，用于从电机控制指令获得励磁电流指令Id*和转矩电流指令Iq*，并根据所述励磁电流指令和转矩电流指令计算分解角度Φ=arctan(Id*/Iq*)；所述电压获取单元，用于分别从变频器的D轴电流调节器和Q轴电流调节器获得输出电压Vd和Vq；所述反馈电流获取单元，用于获得异步电机当前的的励磁电流Id和转矩电流Iq；所述电阻计算单元，用于根据以下计算式计算定子电阻Rs：Rs=(cosΦ×Vq+sinΦ×Vd-We×Lm×Lm×Id×Iq/(|Is|×Lr))/|Is|，其中We为同步频率，Lm为电机互感，Lr为转子电感，Is为定子电流幅度且Is^2=Iq^2+Id^2。
在本发明所述的异步电机定子电阻在线识别系统中，所述系统还包括积分计算单元及阻值输出单元，其中：所述积分计算单元，用于将所述电阻计算单元计算获得的定子电阻Rs与离线识别的定子电阻Rs0之差做积分计算以获得定子电阻增益k；所述阻值输出单元，用于通过所述定子电阻增益k计算获得平滑变化的定子电阻值Rs^=（1+k）×Rs0。
在本发明所述的异步电机定子电阻在线识别系统中，所述反馈电流获取单元通过采样异步电机转速并根据所述转速计算获得异步电机当前的励磁电流Id和转矩电流Iq。
在本发明所述的异步电机定子电阻在线识别系统中，所述反馈电流获取单元通过采样异步电机输入端的三相电流并对三相电流进行3/2变换和2/2变换获得异步电机当前的的励磁电流Id和转矩电流Iq。
本发明还提供一种异步电机定子电阻在线识别方法，包括以下步骤：
（a）从电机控制指令获得励磁电流指令Id*和转矩电流指令Iq*，并根据所述励磁电流指令和转矩电流指令计算分解角度Φ=arctan(Id*/Iq*)；
（b）分别从变频器的D轴电流调节器和Q轴电流调节器获得输出电压Vd和Vq，并获得异步电机当前的励磁电流Id和转矩电流Iq；
（c）根据以下计算式计算定子电阻Rs：Rs=(cosΦ×Vq+sinΦ×Vd-We×Lm×Lm×Id×Iq/(|Is|×Lr))/|Is|，其中We为同步频率，Lm为电机互感，Lr为转子电感，Is为定子电流幅度且Is^2=Iq^2+Id^2。
在本发明所述的异步电机定子电阻在线识别方法中，所述步骤（c）之后包括：将所述定子电阻Rs与离线识别的定子电阻Rs0之差做积分计算以获得定子电阻增益k，并通过所述定子电阻增益k计算获得平滑变化的定子电阻值Rs^=（1+k）×Rs0。
在本发明所述的异步电机定子电阻在线识别方法中，所述步骤（b）中，通过采样异步电机转速并根据所述转速计算获得异步电机当前的励磁电流Id和转矩电流Iq。
在本发明所述的异步电机定子电阻在线识别方法中，所述步骤（b）中，通过采样异步电机输入端的三相电流并对三相电流进行3/2变换和2/2变换获得异步电机当前的的励磁电流Id和转矩电流Iq。
本发明的异步电机定子电阻在线识别系统及方法，通过将输出电压重新分解到电流坐标系，然后用分解后坐标系的Q轴电压在线估计定子电阻，可在异步电机运行过程快速识别定子电阻。本发明还通过对比在线计算定子电阻和离线识别电阻之间的误差，并利用误差积分得到定子电阻增益，从而输出平滑变化的定子电阻值。
附图说明
图1是本发明异步电机定子电阻在线识别系统第一实施例的示意图。
图2是本发明异步电机定子电阻在线识别系统第二实施例的示意图。
图3是本发明异步电机定子电阻在线识别方法实施例的流程示意图。
图4是获得电阻增益及平滑变化的电子电阻值的示意图。
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。
本发明利用电压重新分解技术，将旋转坐标系的D轴输出电压Vd和Q轴输出电压Vq在励磁电流和转矩电流夹角Φ基础上进行重新分解，重新分解后D轴电压Vd＇不包含定子电阻成份，定子电阻的分压被完全分离到Q轴上，通过对分解后Q轴反馈电压计算可以直接得到在线的定子电阻。
具体地，本发明利用励磁电流和转矩电流之夹角作为分解角度Φ，对旋转坐标系D轴和Q轴电压重新分解，得到分解后D轴和Q轴的反馈电压。其中：
Φ=arctan(Id*/Iq*) （1）
Vq＇=cosΦ×Vq+sinΦ×Vd （2）
Vd＇=cosΦ×Vd-sinΦ×Vq （3）
上式中，Φ为分解角度，Id*为励磁电流指令，Iq*为转矩电流指令。Vq为Q轴电流调节器输出的电压，Vd为D轴电流调节器输出的电压，Vq＇为重分解后Q轴反馈电压，Vd＇为重分解后D轴反馈电压。
根据转子磁场定向稳态的电压方程，已知电机定子电阻、电感、转矩电流指令和励磁电流指令的条件下，忽略死区等扰动电压的影响，理论上可以直接计算得到D轴和Q轴电压的幅度大小，即
Vq=Rs×Iq+We×Ls×Id （4）
Vd=Rs×Id-We×σLs×Iq （5）
上式中Rs为定子电阻，We为同步频率，Ls为定子电感，σLs为电机漏感。
将式（4）和式（5）代入式（2）和式（3）后，可以得到利用分解角度Φ对Vq和Vd分解后得到Vd＇和Vq＇的计算式：
Vd＇=-We×λq＇ （6）
λq＇＝σLs×Iq×cosΦ+λd×sinΦ （7）
λd=Lm×Id （8）
上式中，λq＇为重分解后Q轴磁通，λd为转子D轴磁通，Lm为电机互感。由于采用转子磁场定向，λq=0，从而λd即为电机的合成磁通。
Vq＇=Rs×|Is|+We×λd＇ （9）
λd＇＝-σLs×Iq×sinΦ+Ls×Id×cosΦ （10）
上式中，λd＇为重分解后D轴磁通，|Is|为定子电流幅度且Is^2=Iq^2+Id^2。
通过对式（9）变型计算，可以推导出定子电阻Rs公式：
Rs=(Vq＇-We×λd＇)/|Is| （11）
将式（10）和式（2）代入式（11）后即可得到定子电阻在线辨识完整的计算公式：
Rs=(cosΦ×Vq+sinΦ×Vd-We×Lm×Lm×Id×Iq/(|Is|×Lr))/|Is| （12）
如图1所示，是本发明异步电机定子电阻在线识别系统第一实施例的示意图。本实施例的异步电机定子电阻在线识别系统包括分解角度计算单元11、电压获取单元12、反馈电流获取单元13以及电阻计算单元14。上述分解角度计算单元11、电压获取单元12、反馈电流获取单元13以及电阻计算单元14可由集成到变频器的数字信号处理单元的软件配合相应的外围电路实现，也可由单独的硬件及软件实现。
分解角度计算单元11用于从电机控制指令获得励磁电流指令Id*和转矩电流指令Iq*，并根据励磁电流指令和转矩电流指令计算分解角度Φ=arctan(Id*/Iq*)。电压获取单元12用于分别从变频器的D轴电流调节器和Q轴电流调节器获得输出电压Vd和Vq。反馈电流获取单元13用于获得异步电机当前的的励磁电流Id和转矩电流Iq。电阻计算单元14用于根据以下计算式计算定子电阻Rs：Rs=(cosΦ×Vq+sinΦ×Vd-We×Lm×Lm×Id×Iq/(|Is|×Lr))/|Is|，其中We为同步频率，Lm为电机互感，Lr为转子电感，Is为定子电流幅度且Is^2=Iq^2+Id^2。
上述电阻计算单元14计算获得的定子电阻Rs即可作为识别的定子电阻，用于异步电机控制。
在上述系统中，反馈电流获取单元13可通过采样异步电机转速并根据转速计算获得异步电机当前的励磁电流Id和转矩电流Iq；或者通过采样异步电机输入端的三相电流并对三相电流进行3/2变换和2/2变换获得异步电机当前的的励磁电流Id和转矩电流Iq。
如图2所示，是本发明异步电机定子电阻在线识别系统第二实施例的示意图。本实施例的异步电机定子电阻在线识别系统除了包括分解角度计算单元21、电压获取单元22、反馈电流获取单元23以及电阻计算单元24外，还包括积分计算单元25及阻值输出单元26。上述积分计算单元25及阻值输出单元26也可由集成到变频器的数字信号处理单元的软件配合相应的外围电路实现，或由单独的硬件及软件实现。
上述积分计算单元25用于将电阻计算单元计算获得的定子电阻Rs与离线识别的定子电阻Rs0之差做积分计算，以获得定子电阻增益k。阻值输出单元26用于通过定子电阻增益k计算获得平滑变化的定子电阻值Rs^并将该定子电阻值Rs^作为最终结果输出，其中Rs^=（1+k）×Rs0。
如图3所示，是本发明异步电机定子电阻在线识别方法实施例的流程示意图，该方法可由控制异步电机运行的变频器执行并包括以下步骤：
步骤S31：从电机控制指令获得励磁电流指令Id*和转矩电流指令Iq*，并根据所述励磁电流指令和转矩电流指令计算分解角度Φ=arctan(Id*/Iq*)。
步骤S32：分别从变频器的D轴电流调节器和Q轴电流调节器获得输出电压Vd和Vq，并获得异步电机当前的的励磁电流Id和转矩电流Iq。
在实际应用中，可通过通过采样异步电机转速并根据采样的转速计算获得异步电机当前的励磁电流Id和转矩电流Iq；或者通过采样异步电机输入端的三相电流并对三相电流进行3/2变换和2/2变换获得异步电机当前的的励磁电流Id和转矩电流Iq。
步骤S33：根据以下计算式计算定子电阻Rs：Rs=(cosΦ×Vq+sinΦ×Vd-We×Lm×Lm×Id×Iq/(|Is|×Lr))/|Is|，其中We为同步频率，Lm为电机互感，Lr为转子电感，Is为定子电流幅度且Is^2=Iq^2+Id^2。
如图4所示，在上述的异步电机定子电阻在线识别方法中，还可通过对比在线计算定子电阻Rs和离线识别电阻Rs0之间的误差，并利用误差积分得到定子电阻增益k，从而通过定子电阻增益k计算获得平滑变化的定子电阻值Rs^=（1+k）×Rs0。
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)
1.一种异步电机定子电阻在线识别系统，其特征在于：包括分解角度计算单元、电压获取单元、反馈电流获取单元以及电阻计算单元，其中：所述分解角度计算单元，用于从电机控制指令获得励磁电流指令Id*和转矩电流指令Iq*，并根据所述励磁电流指令和转矩电流指令计算分解角度Φ=arctan(Id*/Iq*)；所述电压获取单元，用于分别从变频器的D轴电流调节器和Q轴电流调节器获得输出电压Vd和Vq；所述反馈电流获取单元，用于获得异步电机当前的的励磁电流Id和转矩电流Iq；所述电阻计算单元，用于根据以下计算式计算定子电阻Rs：Rs=(cosΦ×Vq+sinΦ×Vd-We×Lm×Lm×Id×Iq/(|Is|×Lr))/|Is|，其中We为同步频率，Lm为电机互感，Lr为转子电感，Is为定子电流幅度且Is^2=Iq^2+Id^2。
2.根据权利要求1所述的异步电机定子电阻在线识别系统，其特征在于：所述系统还包括积分计算单元及阻值输出单元，其中：所述积分计算单元，用于将所述电阻计算单元计算获得的定子电阻Rs与离线识别的定子电阻Rs0之差做积分计算以获得定子电阻增益k；所述阻值输出单元，用于通过所述定子电阻增益k计算获得平滑变化的定子电阻值Rs^=（1+k）×Rs0。
3.根据权利要求1或2所述的异步电机定子电阻在线识别系统，其特征在于：所述反馈电流获取单元通过采样异步电机转速并根据所述转速计算获得异步电机当前的励磁电流Id和转矩电流Iq。
4.根据权利要求1或2所述的异步电机定子电阻在线识别系统，其特征在于：所述反馈电流获取单元通过采样异步电机输入端的三相电流并对三相电流进行3/2变换和2/2变换获得异步电机当前的的励磁电流Id和转矩电流Iq。
5.一种异步电机定子电阻在线识别方法，其特征在于：包括以下步骤：
（a）从电机控制指令获得励磁电流指令Id*和转矩电流指令Iq*，并根据所述励磁电流指令和转矩电流指令计算分解角度Φ=arctan(Id*/Iq*)；
（b）分别从变频器的D轴电流调节器和Q轴电流调节器获得输出电压Vd和Vq，并获得异步电机当前的励磁电流Id和转矩电流Iq；
（c）根据以下计算式计算定子电阻Rs：Rs=(cosΦ×Vq+sinΦ×Vd-We×Lm×Lm×Id×Iq/(|Is|×Lr))/|Is|，其中We为同步频率，Lm为电机互感，Lr为转子电感，Is为定子电流幅度且Is^2=Iq^2+Id^2。
6.根据权利要求5所述的异步电机定子电阻在线识别方法，其特征在于：所述步骤（c）之后包括：将所述定子电阻Rs与离线识别的定子电阻Rs0之差做积分计算以获得定子电阻增益k，并通过所述定子电阻增益k计算获得平滑变化的定子电阻值Rs^=（1+k）×Rs0。
7.根据权利要求5或6所述的异步电机定子电阻在线识别方法，其特征在于：所述步骤（b）中，通过采样异步电机转速并根据所述转速计算获得异步电机当前的励磁电流Id和转矩电流Iq。
8.根据权利要求5或6所述的异步电机定子电阻在线识别方法，其特征在于：所述步骤（b）中，通过采样异步电机输入端的三相电流并对三相电流进行3/2变换和2/2变换获得异步电机当前的的励磁电流Id和转矩电流Iq。
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| Date | Code | Title | Description |
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20191125 Address after: 215000 No.16, Youxiang Road, Yuexi, Wuzhong District, Suzhou City, Jiangsu Province Patentee after: SUZHOU INOVANCE TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: 518101 Guangdong city of Shenzhen province Baoan District no 70 District Liu Xian two road Hongwei Dong Industrial Zone E Co-patentee before: SUZHOU INOVANCE TECHNOLOGY Co.,Ltd. Patentee before: SHENZHEN INOVANCE TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20150715 |