CN103743955B - 一种电机电感的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电机电感的测量方法，该测量方法包括：触发电机电感检测功能；在特定时间施放正向电压或反向电压，高速采集电机电流信号数据；根据采集到的所述电机电流信号数据计算得到电机电感值；该测量方法还包括电机电感的补偿算法，通过特定额定电流施加于电机，获得相应多组数据并拟合，实现全调速范围内电机电感的补偿；通过本发明解决了目前电机电感测量不准的难题，在异步电机交流调速领域得到了更好的控制效果，简化了复杂的电机模型补偿功能，实现了全调速范围内电机电感的精确反馈。

Description

一种电机电感的测量方法

技术领域

本发明涉及电机交流调速领域，尤指一种精确测量电机电感的测量方法。

背景技术

随着异步变频调速带来的优越性，异步电机变频器由于其性能优、可节能的特点，在现代工业，特别是重工业过程生产过程中应用十分广泛。作为高性能变频调速最核心的一项参数，异步电机变频器对于异步电机对象特性的自动辨识、自我学习功能，是必须的过程，也是最重要的一部分。对于没有异步电机参数辨识功能或者自我学习功能较差的变频器来说，只能采用简单的电压/频率控制模式，无法完成高性能调试的要求，更无法满足大功率、精细的复杂流程控制。而在电机参数辨识过程中，难度最大、也是最核心的是对异步电机电感的检测和补偿算法；否则难以完成更加复杂的矢量控制算法，也就无法实现高性能异步变频调速过程。

目前异步电机电感的检测和补偿算法存在以下问题中的一个或者几个：完全依赖电机生产厂商提供的出厂参数，不具备独立的检测和补偿功能；只能通过其他仪器进行离线检测，无法由变频器独立完成检测和补偿功能；只能进行静态的在线检测，测量数据在电机动态调速过程中偏差较大，无法进行有效的补偿；只能进行单个频率下的电机电感检测，无法得到全部调速范围内的电感值，补偿算法复杂且偏差较大，存在巨大的隐患，有可能导致调速失败；电机电感检测功能与补偿算法分离，产生固有的调节偏差，使得实际带载调速过程电机电感预估值与实际值偏差越来越大，有可能导致电机模型计算完全失效，以致于调速失败。

发明内容

本发明目的在于提供一种精确测量电机电感的测量方法，利用异步电机定转子磁场特点，根据磁场学理论和欧姆定律，本发明专利通过变频器装置的固有触发特性，在特定时间段内对交流异步电机定子施加一连串的、特定编码的电压指令信号，与此同时同步开展三相电流信号采样，实现在线的、高精度、适用于全调速范围内的电机电感测量与补偿。

本发明提供的一种电机电感的测量方法具体如下：触发电机电感检测功能；在特定时间施放正向电压或反向电压，高速采集电机电流信号数据；根据采集到的所述电机电流信号数据计算得到电机电感值。

所述触发电机电感检测功能之前还包括：进入电机参数辨识模式后检测电机外部数据信息，监测外部数据信号及相关信息。

所述检测电机外部数据信息还包括：预先开启电机电流信号检测及编码器信号检测部分，消除电机电流信号数据初始部分。

所述在特定时间施放正向电压或反向电压包括：在第一时间对电机中一对定子绕组施加一正向电压，并开始采集电流曲线数据；在第二时间撤销所述正向电压；在第三时间对所述该对定子绕组施加一反向电压，使得电机定子磁场进入线性区域内；在第四时间撤销所述反向电压。

所述在第一时间对电机中一对定子绕组施加一正向电压包括：所述第一时间的选择为整数倍载波周期。

所述在第二时间撤销所述正电压包括：当电机定子电流达到额定电流时，确定当前时间为第二时间并撤销所述正向电压。

所述在第三时间对所述该对定子绕组施加一反向电压包括：当电机定子电流降为额定电流的百分之六十时，确定当前时间为第三时间并对对所述定子绕组施加一反向电压。

所述在第四时间撤销所述反向电压包括：当电机定子电流达到额定电流时，确定当前时间为第四时间并撤销所述反向电压。

所述触发电机电感检测功能与在特定时间施放正向电压或反向电压之间还包括：检测电机转子是否发生旋转，如未发生旋转，则执行在特定时间施放正向电压或反向电压。

所述在特定时间施放正向电压或反向电压，高速采集电机电流信号数据还包括：记录施放电压前初始值，记录衰减终止与进行指数回归；获得电流衰减值。

本发明提供的一种电机电感的测量方法更进一步还包括一种补偿算法，通过特定额定电流施加于电机，获得相应多组数据并拟合，实现全调速范围内电机电感的补偿。

根据采集到的所述电机电流信号数据计算得到电机电感值，其特征在于，所述电机电感值通过以下公式计算得到：

其中Y为电流衰减值，K为常量，e为常量，τ电机电感值，t为衰减时间；通过获得的所述电流衰减值Y与设置的衰减时间t，带入上述公式中，计算得到电机电感值。

根据采集到的所述电机电流信号数据计算得到电机电感值，其特征在于，所述衰减时间t为3倍衰减时间。

所述测量方法还包括电机电感的补偿算法，通过特定额定电流施加于电机，获得相应多组数据并拟合，实现全调速范围内电机电感的补偿。

本发明的有益技术效果在于：不增加额外仪器，实现变频器数在线异步电机电感精确检测；简化电机电感辨识数据处理，实现快速、有效的补偿算法；在全调速范围内进行有效的电机电感值补偿；同时解决了目前电机电感测量不准的难题，在异步电机交流调速领域得到了更好的控制效果，简化了复杂的电机模型补偿功能，实现了全调速范围内电机电感的精确反馈。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1为本发明提供的电机电感的测量方法的流程图；

图2为本发明提供的特定时间施放正向电压或反向电压波形图；

图3为本发明提供的电机电感的测量系统图；

图4为本发明提供的特定时间施放正向电压或反向电压衰减曲线图；

图5为本发明提供的衰减函数曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

本发明实施例提供一种电机电感的测量方法，以下结合附图对本发明进行详细说明。

本发明所提供的电机电感的测量方法，包括：触发电机电感检测功能；在特定时间施放正向电压或反向电压，高速采集电机电流信号数据；根据采集到的所述电机电流信号数据计算得到电机电感值。

请参考图1所示，本发明根据异步电机定转子磁场特点，磁场学理论和欧姆定律，通过变频器装置的固有触发特性，首先触发电机电感检测功能；然后在特定时间内对交流异步电机定子施加正向电压指令，而后取消正向电压，再另一特定时间施加反向电压，而后再取消反向电压，且与此同时同步开展三相电流信号采样，高速采集电机电流信号数据；最后，根据采集到的电机电流信号数据通过拟合算法计算得到当前电机的电感值。所述触发电机电感检测功能之前还包括：进入电机参数辨识模式后检测电机外部数据信息，监测外部数据信号及相关信息。

所述检测电机外部数据信息还包括：预先开启电机电流信号检测及编码器信号检测部分，消除电机电流信号数据初始部分。

所述在特定时间施放正向电压或反向电压包括：在第一时间对电机中一对定子绕组施加一正向电压，并开始采集电流曲线数据；在第二时间撤销所述正向电压；在第三时间对所述该对定子绕组施加一反向电压，使得电机定子磁场进入线性区域内；在第四时间撤销所述反向电压。

所述在第一时间对电机中一对定子绕组施加一正向电压包括：所述第一时间的选择为整数倍载波周期。所述在第二时间撤销所述正电压包括：当电机定子电流达到额定电流时，确定当前时间为第二时间并撤销所述正向电压。所述在第三时间对所述该对定子绕组施加一反向电压包括：当电机定子电流降为额定电流的百分之六十时，确定当前时间为第三时间并对对所述定子绕组施加一反向电压。所述在第四时间撤销所述反向电压包括：当电机定子电流达到额定电流时，确定当前时间为第四时间并撤销所述反向电压。所述触发电机电感检测功能与在特定时间施放正向电压或反向电压之间还包括：检测电机转子是否发生旋转，如未发生旋转，则执行在特定时间施放正向电压或反向电压。所述在特定时间施放正向电压或反向电压，高速采集电机电流信号数据还包括：记录施放电压前初始值，记录衰减终止与进行指数回归；获得电流衰减值。

请参考图2所示，本发明在完成特定时间施放正向电压或方向电压，具体如下所示：

从图中可以看出，当前电机从初始零时刻开始，触发变频器内部电机参数辨识功能后，启动异步电机电感检测过程，并且开始高速采集电机定子绕组电流信号、编码器高精度定位信号。(此时在电机两端是不施加任何的电压信号，电机定子中没有任何残留磁场，同时也不存在任何外部大型磁场干扰，电机转子中也不存在任何残留磁场和感应磁场，电机转子不承受任何旋转磁场的磁力影响，电机转子处于完全的静止状态。以此防止任何干扰情况的出现。)

在特定的t₀时刻，通过变频器内部逻辑触发部分，对电机某对定子绕组施加适当的正向电压U₊，对异步电机定子绕组上产生电压阶跃冲击，电机定子绕组中电感分量阻碍电机定子绕组中电流的上升率，高速采集相关的电流上升曲线数据，用作为后期电机电感计算的部分数据来源。在一定电角度后，连续对电机其他两相定子施加相同的电压冲击信号，从而维持电机转子静止。

在t₀时刻施加电压阶跃冲击后的t₁时刻，取消对应的正向电压，t₁时刻的选取非常重要，并且根据外部电机参数的不同，t₁时刻的选取也是不同的。

t₁时刻的选择是非常重要的，因为电机定子绕组上的电压阶跃冲击时间太长，会导致电机定子磁场充分建立，电机绕组感应出磁场，定转子磁场相互作用，使得电机转子开始旋转，从而改变定子磁场大小，改变电机定子电流采样值的大小，从而影响电机电感测量精度，甚至导致电机控制模型的失败；电机定子绕组上的电压阶跃冲击时间太短，会导致电机定子中电流上升率，进而导致电机定子绕组中电流衰减过程，同时在固定的采样频率下，电流衰减时间太短会导致采样间隔相对太大，在进行数据拟合过程中采样误差太大，最终导致信号拟合失败，无法正确测量和估计电机电感实际值。

在t₁时刻撤销电压阶跃冲击后的t₂时刻，对电机定子绕组施加适当的反向电压U_—，开始对电机进行反向电压冲击，测量对应的电机定子电流，并时刻监控电机转子旋转情况，保证电机转子静止，电机内部磁场稳定。

根据不同电机的参数不同，t₂时刻的选取也不相同。反向电压U_—的选取与正向电压U₊激发的电流响应息息相关，在影响电机其他参数的同时，也是对第一次电压冲击的数据进行再次检验，实现了动态的电压调节。

在t₃时刻撤销反向电压冲击，保证电机转子静止，电机内部磁场稳定。

从零时刻到t₄时刻，是整个一次完整的电机电感检测过程，对三相电机定子绕组进行一系列的反复电压冲击，对相应的高速电流采样数据拟合和分析计算，也同时可以得到了全调速范围内的电流冲击响应，即可在线完成电机电感的精确测量。

由于电机定子绕组的集肤效应和铁心涡流作用，在初始状态下从t₀时刻到t₁时刻电机定子励磁电压建立励磁磁场缓慢而且非线性因素影响大，而从t₂时刻到t₃时刻更能真实反映电机电感实际值。因此，对t₃时刻到t₄时刻的高速电机电流采样数据进行拟合分析，最终获得高精度的电机电感测量值。

采用特定的参数设定选择，进入电机参数辨识模式，可以在安全、可控的工作情况下，开启电机电感测量过程。

本发明实施例还提供一种实际生产中电机电感测量过程的电机电感的测量系统图，具体流程如图3所示：

首先，步骤101选择电机模式并设定相关参数，然后进入步骤102电机参数辨识模式后，时刻监测外部数字量信号、模拟量信号和编码器信号反馈，保证变频器装置和电机在无故障的安全情况下，并且电机转子没有任何外部扰动，电机不受外部强磁场干扰，电机内部磁场消失殆尽。如果发生电机转子旋转，从而影响了电机磁场定位，引发了电机定子磁场方向和大小的改变，使得电机定子电流发生了改变，影响了信号拟合精度和误差分析，导致电机电感测量的误差加大。

然后如图3所示，在开始步骤104触发电机电感检测前，需要预先开启电机定子电流信号检测和编码器信号检测部分，步骤103检测电机外部数据信息才能够有效剔除电机电流采样信号中的初始直流分量部分，才能得到有效的电机定子电流冲击响应。

其后步骤105检测电机转子是否发生旋转，如发生旋转，则电机电感测量失败。如未发生旋转，则进行下一步骤106发送特定时间施放正向电压或反向电压指令，在前述中已描述，再次不再累赘。

当施放正向电压或反向电压指令发出后，同步执行步骤107检查电机转子是否发生旋转，如旋转则电机电感测量失败，如未发生旋转，则执行步骤108高速同步采集电机电流信号数据。

通过已获得的电机电流信号数据，利用拟合算法执行步骤109计算出电机电感值，从而电机电感测量成功(步骤110)。

上述步骤中，如步骤102进入电机参数辨识模式失败，或者步骤103中检测电机外部数据信息时，发现电机外部存在干扰，又或者是步骤105，步骤107中电机转子发生旋转，那么将直接导致电机电感测量失败。(步骤111)

由于电机定子与外部电路形成自然能量释放回路，在完成外部电压激励触发后，电机电流开始进入非线性衰减过程。在整个非线性衰减过程中，电机电流一直是一个时间常数不停改变的指数衰减过程，而且由于数字采样系统自身固有的特点，无法保证系统能够得到定子电流的最大值，因此需要对高速采样的数据进行拟合，然后利用外推法得到实际电流最大值。具体衰减曲线图请参考图4所示。

常用的数据拟合方法是最小二乘法，是针对线性函数数据分析的有效方法；而指数函数曲线为非线性超越函数曲线，必须进行一些变换才能应用该方法。数学理论上的等效往往非常理想，是解析方法，不存在转换损失等；而实际的数值处理方法，受到数据类型转换，计算机非线性函数导致的误差。在数据拟合和数据回归领域，对于误差分析，只能进行正向分析，利用标准正确数据进行数据拟合和分析，再认为加入噪声信号，分析该方法的误差范围。采用标准的指数函数Y＝e^-t，e为常量，时间t范围为0.001到10，目的是预估0时刻的指数函数Y的值。正确的标准值为1。

在实际情况下，无法取得全部的衰减过程数据，甚至是10倍左右的衰减时间曲线，因此本发明在指数回归到过程中，也采用一段连续衰减过程，大约3倍衰减时间，来模拟实际情况。之所以采用3倍的衰减时间，是因为最初的3倍衰减时间内，函数值已经衰减到了初始值的5％，满足了所谓的3西格玛的国际标准原则了(这里考虑到的是测量和生产中的概率统计问题，不再细谈原因)，请参考图5所示。

本发明优选的实施例中提供的电机电感计算公式为：其中Y为电流衰减值，K为常量，e为常量，τ电机电感值，t为衰减时间；通过获得的所述电流衰减值Y与设置的衰减时间t，带入上述公式中，计算得到电机电感值。

因此，指数回归到目的是辨识出以时间为基准，目的是辨识参数后与实际值Y的误差绝对值最小，这样得到的拟合最接近。实际过程中实际值Y和时间T都会有干扰，也都会有抖动，都会导致拟合误差，并且效果是一致的。这里面只考虑到时间正确，而受到干扰的是模拟量测量值；一方面考虑到DSP的时间基准晶振较高，因此带来的时间偏差很小；另一方面考虑到模拟量测量值的误差百分比与时间来比，偏差比较大。在不加入干扰信号的情况下，分析前3秒的数据，利用最小二乘法进行拟合，得到的拟合参数完全是标准指数函数，没有任何偏差；分析最后的3秒数据，利用最小二乘法进行拟合，也复现了标准指数函数。这里就是比较接近数学解析分析，因此没有出现数值算法中普遍出现的计算机截断误差，本发明对其进行相应改进，如人为加入0.5％的随机噪声信号，再次分析前3秒数据和最后3秒数据，然后进行最小二乘法拟合，利用估计参数对0时刻进行指数回归，并且与标准值进行对比误差分析。在实际工作生产中处理结果如下：

前3秒数据处理结果为：

y0is0.995173；distis0.482739％.

最后3秒数据处理结果为：

y0is0.007747；distis99.225281％.

实际模拟结果也验证了上述设计的理论分析，同样的模拟量干扰信号，对小信号干扰明显，导致的指数回归偏差非常大，远远超过了接受范围；而同样的模拟量干扰信号，针对指数回归算法，对算法的干扰很小，数据估计结果精度很高。

在工作中生产中，对于窗口指数回归的核心算法具体如下：

T_＝mean(T)；

lnY＝log(Y)；

lnY_＝mean(lnY)；

Tau＝

-1*(sum(T.*T)-length(T)*(T_)^2)/(sum(T.*lnY)-length(T)*T_*lnY_)；

K＝exp(lnY_+T_/Tau)；

通过记录第一次采样t₀时刻到t₁时刻的初始值，然后在记录衰减终止，这样就可以划分出95％的采样数据，然后进行指数回归。

因为上述预估过程，就是对电机定子电感转折点的静态预估，预计值直接作用于第二次t₂时刻到t₃时刻采样过程，所以实现了粗略的转折点预估功能。而且对于t₃时刻的预估，不是简单的指数上升过程，而是采用3倍衰减时间常数的窗口指数回归方式，实现动态预估，大大提高了预估精度，防止电机定子磁场进入非线性饱和区域。

考虑到实际情况下无法取得全部的衰减过程数据，电机定子电流检测精度，系统定时采样时间抖动，都会对数据拟合和分析带来不同程度的误差。在满足3西格玛的国际标准情况下，采集电流衰减95％的过程，就可以得到高精度的电机电感测量值，测量精度为99.52％。

本发明实施例根据上述测量算法提供一种补偿算法，具体如下：

上述方式是针对电机定子额定电流的预估方法，适用于定子大电流冲击下的电机电感测量；对于全调速范围内的补偿算法，完全不能够适应，因此需要进行一系列的上述实验自动测试，通过特定额定电流施加于电机，获得相应多组数据并拟合，实现全调速范围内电机电感的补偿。比如，测试电流根据需要选择10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％额定电流进行，通过分段获得多组数据并拟合的方式，从而实现全调速范围内电机定子电感的补偿。

本发明通过综合的数据外推、分段截取、高效信号拟合方法，得到了第一次初始电机电感预估值。利用已有的预估值进行再次测量，利用不同电压指令的电机电流响应不同进行不断的修正，通过递归的手段得到最终的高精度电机电感测量值，通过分段进行多次测试，获得数据并综合拟合，从而大大提高补偿算法的精准度。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电机电感的测量方法，其特征在于，所述测量方法包括：

进入电机参数辨识模式后检测电机外部数据信息，监测外部数据信号及相关信息；

触发电机电感检测功能；

在特定时间施放正向电压或反向电压，高速采集电机电流信号数据；

根据采集到的所述电机电流信号数据计算得到电机电感值；

所述在特定时间施放正向电压或反向电压包括：在第一时间对电机中一对定子绕组施加一正向电压，并开始采集电流曲线数据；监控电机转子旋转情况，保证电机转子静止，在第二时间撤销所述正向电压；在第三时间对该对定子绕组施加一反向电压，使得电机定子磁场进入线性区域内；在第四时间撤销所述反向电压，监控电机转子旋转情况，保证电机转子静止；

所述在第二时间撤销所述正向电压包括：当电机定子电流达到额定电流时，确定当前时间为第二时间并撤销所述正向电压。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述检测电机外部数据信息还包括：预先开启电机电流信号检测及编码器信号检测部分，消除电机电流信号数据初始部分。

3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述在第一时间对电机中一对定子绕组施加一正向电压包括：所述第一时间的选择为整数倍载波周期。

4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述在第三时间对该对定子绕组施加一反向电压包括：当电机定子电流降为额定电流的百分之六十时，确定当前时间为第三时间并对对所述定子绕组施加一反向电压。

5.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述在第四时间撤销所述反向电压包括：当电机定子电流达到额定电流时，确定当前时间为第四时间并撤销所述反向电压。

6.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述触发电机电感检测功能与在特定时间施放正向电压或反向电压之间还包括：检测电机转子是否发生旋转，如未发生旋转，则执行在特定时间施放正向电压或反向电压。

7.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述在特定时间施放正向电压或反向电压，高速采集电机电流信号数据还包括：记录施放电压前初始值，记录衰减终止与进行指数回归；获得电流衰减值。

8.根据权利要求7所述的测量方法，根据采集到的所述电机电流信号数据计算得到电机电感值，其特征在于，所述电机电感值通过以下公式计算得到：

其中Y为电流衰减值，K为常量，e为常量，τ电机电感值，t为衰减时间；通过获得的所述电流衰减值Y与设置的衰减时间t，带入上述公式中，计算得到电机电感值。

9.根据权利要求8所述的测量方法，根据采集到的所述电机电流信号数据计算得到电机电感值，其特征在于，所述衰减时间t为3倍衰减时间。

10.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述测量方法还包括电机电感的补偿算法，通过特定额定电流施加于电机，获得相应多组数据并拟合，实现全调速范围内电机电感的补偿。