CN103888042B - 交流异步电机互感参数的离线识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种交流异步电机互感参数的离线识别方法，基于交流异步电机、与所述交流异步电机的输入端相连的逆变器、通过PWM信号控制逆变器输出电流的控制器和用于检测交流异步电机的电流的传感器，所述传感器将检测到的电流传输给控制器用于调整PWM信号，所述交流异步电机包括定子和转子，这种交流异步电机互感参数的离线识别方法，不需要增加额外的装置或者电路，只是需要知道交流异步电机的定转子的电阻值，而交流异步电机定转子的电阻值得测量较为简单，参数的精度能够满足FOC控制的需要，达到了交流异步电机在静止的条件下识别互感参数，识别方法较为简单，方便于工程实施。

Description

交流异步电机互感参数的离线识别方法

技术领域

本发明涉及交流异步电机，尤其涉及一种交流异步电机互感参数的离线识别方法。

背景技术

目前随着电机控制技术的迅速发展，交流异步电机驱动系统使用的越来越广泛。在之前很长的一段时间，交流异步电机驱动系统所用的控制算法主要是VF变频控制，但是随着磁场定向控制算法(FOC)提出以后，很多的产品为了提高自身的性能开始将FOC控制算法大量的应用于控制程序中。交流异步电机FOC控制算法中需要一些电机内部参数，其中互感参数的估计包括离线参数辨识和在线参数矫正两部分，离线参数辨识是指在电机运行之前，对其施加一系列激励信号，通过检测电机响应来获得电机的相关参数。一般通用控制器的电机参数自整定功能采用的都是传统的离线辨识方法，需要对电机进行堵转试验和空载试验。但对于部分特定工作环境、大功率电机、特别是高压电机而言，上述两个实验都难以进行。这是因为：首先，大功率电机力矩过大，人工难以锁住其输出转轴，所以堵转试验难以实现；其次，部分电机在系统调试前已经与负载固定安装完成，属于不可拆卸或难以拆卸的状态，所以空载试验也难以进行。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了解决传统的对于交流异步电机的离线参数识别方法复杂而难以实现的问题，本发明提供了一种交流异步电机互感参数的离线识别方法来解决上述问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种交流异步电机互感参数的离线识别方法，基于交流异步电机、与所述交流异步电机的输入端相连的逆变器、通过PWM信号控制逆变器输出电流的控制器和用于检测交流异步电机的电流的传感器，所述传感器将检测到的电流传输给控制器用于调整PWM信号，所述交流异步电机包括定子和转子，包括以下步骤：

步骤一，通过以下步骤辨识定子电阻Rs：

S10，所述控制器控制逆变器对所述定子施加幅值为U的第一直流电压；

S11，通过所述传感器检测到定子的电流达到稳态时采集稳态电流Imax并输入控制器；

S12，所述控制器利用公式(1)计算得到所述定子电阻Rs，

$Rs=\frac{U}{Imax}---\left(1\right);$

步骤二，通过以下步骤辨识转子电阻Rr：

S20，所述控制器控制逆变器对所述定子施加频率为ω，幅值为U的单相交流电压；

S21，通过所述传感器检测交流异步电机的定子的交流电流I_a并输入控制器；

S22，所述控制器利用公式(2)计算得到所述转子电阻Rr，

$R_r=\frac{U}{I_a}*cos\mathrm{\α}-R_S---\left(2\right),$

其中，α为交流异步电机的超前电流的角度；

步骤三，通过以下步骤辨识互感参数Lm：

S30，通过所述控制器控制逆变器再次对所述定子施加幅值为U的第二直流电压并开始计时；

S31，当所述传感器检测到定子的电流大于Imax*Rs/(Rr+Rs)时开始记录时间；

S32，设ΔI＝[Imax*Rr/(Rr+Rs)]/5，则Imax＝Imax*Rs/(Rr+Rs)+ΔI*5，当所述传感器检测到定子的电流分别为

I1＝Imax*Rs/(Rr+Rs)+ΔI，记录第二直流电压的施加时间为T1，

I2＝Imax*Rs/(Rr+Rs)+ΔI*2，记录第二直流电压的施加时间为T2，

I3＝Imax*Rs/(Rr+Rs)+ΔI*3，记录第二直流电压的施加时间为T3，

I4＝Imax*Rs/(Rr+Rs)+ΔI*4，记录第二直流电压的施加时间为T4；

S32，通过控制器将预置的所述交流异步电机的T型等效模型的传递函数进行拉普拉斯变换得到

$\frac{I\left(s\right)}{U\left(s\right)}=\frac{1}{R_S}*\frac{1+T_{r}s}{1+(T_s+T_r)s+{\mathrm{\σT}}_s{T}_r{s}^2}---\left(3\right),$

其中： $T_r=\frac{L_m+L_r}{R_r},T_s=\frac{L_m+L_s}{R_s},\mathrm{\σ}=1-\frac{{L_m}^2}{(L_m+L_s)(L_m+L_r)},$ Lr转子漏电感、Ls定子漏电感、Tr转子时间常数、Ts定子时间常数；

S33，由于对所述定子施加的为直流电压，处在很低的频域内，因此对式(3)进行简化得到

$\frac{I\left(s\right)}{U\left(s\right)}=\frac{1}{R_S}*\frac{1+T_{r}s}{1+(T_s+T_r)s}---\left(4\right),$

然后将式(4)变换成

$\frac{I\left(s\right)}{U\left(s\right)}=\frac{T_r}{R_S(T_s+T_r)}+\frac{T_s}{R_S(T_s+T_r)}*\frac{1}{1+(T_s+T_r)s}---\left(5\right),$

因为L_m＞＞L_r和L_m＞＞L_r这一公知常识，将U(s)＝Imax*Rs代入式(5)中得到

$I\left(s\right)=I_{max}*\frac{R_s}{R_s+R_r}+I_{max}*\frac{R_r}{R_s+R_r}*\frac{1}{1+(T_s+T_r)s}---\left(6\right),$

设 $\frac{R_s}{R_s+R_r}=k,\frac{R_r}{R_s+R_r}=1-k$ 并代入式(6)中得到

$I\left(s\right)=I_{max}*k+I_{max}*(1-k)*\frac{1}{1+(T_s+T_r)s}---\left(7\right),$

将式(7)进行拉普拉斯反变换得到

$I=I_{max}*k+I_{max}*(1-k)*(1-e^{-\frac{T}{T_s+T_r}})---\left(8\right),$

将式(8)整理可得

$T_s+T_r=\frac{-T}{In\frac{I_{max}-I}{I_{\max }(1-k)}}---\left(9\right),$

将T＝T1，I＝I1代入式(9)求得Lm1，

将T＝T2，I＝I2代入式(9)求得Lm2，

将T＝T3，I＝I3代入式(9)求得Lm3，

将T＝T4，I＝I4代入式(9)求得Lm4，

最后取Lm1、Lm2、Lm3和Lm4的平均值，即

$L_m=\frac{L_{m1}+L_{m2}+L_{m3}+L_{m4}}{4}---\left(10\right);$

在施加上述第一直流电压、第二直流电压和单向交流电压时进行死区补偿，从而进一步增加互感参数Lm的准确性。

以上互感参数的离线识别方法的基本原理为：通过T型等效模型可以看出，在交流异步电机两端施加直流电压时，由于Lr、Ls远远小于Lm，所以在短时间内电流迅速上升，同时Lm开始慢慢的起作用，当电流稳定后，最终Lm将Rr、Lr短路，在Lm开始慢慢的起作用时可将整个模型等效为一阶惯性系统，通过测得电流响应来推算Lm值。

作为优选，所述步骤一、步骤二和步骤三中U为母线电压的0.05倍，为保证最终计算得到的Lm值的准确性，幅值U的根据不同的电机需要适当的调整，定子电阻Rs越小，幅值U越小，选择幅值U时要确保电流不超过额定电流。

由于施加的单向交流电压的频率在交流异步电机的额定频率左右时，cosα不会太大也不会太小，能够保证最终识别到的Lm值的准确性，所述步骤S20中的ω为所述交流异步电机的额定频率或略低于所述交流异步电机的额定频率。

本发明的有益效果是，这种交流异步电机互感参数的离线识别方法，不需要增加额外的装置或者电路，只是需要知道交流异步电机的定转子的电阻值，而交流异步电机定转子的电阻值得测量较为简单，参数的精度能够满足FOC控制的需要，达到了交流异步电机在静止的条件下识别互感参数，识别方法较为简单，方便于工程实施。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明交流异步电机互感参数的离线识别方法所利用的测试装置的结构示意图。

图2是本发明交流异步电机互感参数的离线识别方法中交流异步电机的T型等效模型的电路图。

图3是本发明交流异步电机互感参数的离线识别方法中施加直流电压时交流异步电机的定子的电流响应图。

图4是本发明交流异步电机互感参数的离线识别方法的流程图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

本发明提供了一种交流异步电机互感参数的离线识别方法，如图1所示，基于交流异步电机、与交流异步电机的输入端相连的逆变器、通过PWM信号控制逆变器输出电流的控制器和用于检测交流异步电机的电流的传感器，逆变器连接有直流稳态电源，传感器将检测到的电流传输给控制器用于调整PWM信号，交流异步电机之后还依次连接有扭矩仪和测功仪，交流异步电机包括定子和转子，如图4所示，包括以下步骤：

步骤一，通过以下步骤辨识定子电阻Rs：

S10，控制器控制逆变器对定子施加幅值为U的第一直流电压，U为母线电压的0.05倍；

S11，通过传感器检测到定子的电流达到稳态时采集稳态电流Imax并输入控制器；

S12，控制器利用公式(1)计算得到定子电阻Rs，

$Rs=\frac{U}{Imax}---\left(1\right);$

步骤二，通过以下步骤辨识转子电阻Rr：

S20，控制器控制逆变器对定子施加频率为ω，幅值为U的单相交流电压，U为母线电压的0.05倍，ω为交流异步电机的额定频率；

S21，通过传感器检测交流异步电机的定子的交流电流I_a并输入控制器；

S22，控制器利用公式(2)计算得到转子电阻Rr，

$R_r=\frac{U}{I_a}*cos\mathrm{\α}-R_S---\left(2\right),$

其中，α为交流异步电机的超前电流的角度；

步骤三，如图3所示，通过以下步骤辨识互感参数Lm：

S30，通过控制器控制逆变器再次对定子施加幅值为U的第二直流电压并开始计时，U为母线电压的0.05倍；

S31，当传感器检测到定子的电流大于Imax*Rs/(Rr+Rs)时开始记录时间；

S32，设ΔI＝[Imax*Rr/(Rr+Rs)]/5，则Imax＝Imax*Rs/(Rr+Rs)+ΔI*5，当传感器检测到定子的电流分别为

I1＝Imax*Rs/(Rr+Rs)+ΔI，记录第二直流电压的施加时间为T1，

I2＝Imax*Rs/(Rr+Rs)+ΔI*2，记录第二直流电压的施加时间为T2，

I3＝Imax*Rs/(Rr+Rs)+ΔI*3，记录第二直流电压的施加时间为T3，

I4＝Imax*Rs/(Rr+Rs)+ΔI*4，记录第二直流电压的施加时间为T4；

S32，如图2所示，通过控制器将预置的交流异步电机的T型等效模型的传递函数进行拉普拉斯变换得到

$\frac{I\left(s\right)}{U\left(s\right)}=\frac{1}{R_S}*\frac{1+T_{r}s}{1+(T_s+T_r)s+{\mathrm{\σT}}_s{T}_r{s}^2}---\left(3\right),$

其中： $T_r=\frac{L_m+L_r}{R_r},T_s=\frac{L_m+L_s}{R_s},\mathrm{\σ}=1-\frac{{L_m}^2}{(L_m+L_s)(L_m+L_r)},$ Lr转子漏电感、Ls定子漏电感、Tr转子时间常数、Ts定子时间常数；

S33，由于对定子施加的为直流电压，处在很低的频域内，因此对式(3)进行简化得到

$\frac{I\left(s\right)}{U\left(s\right)}=\frac{1}{R_S}*\frac{1+T_{r}s}{1+(T_s+T_r)s}---\left(4\right),$

然后将式(4)变换成

$\frac{I\left(s\right)}{U\left(s\right)}=\frac{T_r}{R_S(T_s+T_r)}+\frac{T_s}{R_S(T_s+T_r)}*\frac{1}{1+(T_s+T_r)s}---\left(5\right),$

因为L_m＞＞L_r和L_m＞＞L_r这一公知常识，所以则将 U(s)＝Imax*Rs代入式(5)中得到

$I\left(s\right)=I_{max}*\frac{R_s}{R_s+R_r}+I_{max}*\frac{R_r}{R_s+R_r}*\frac{1}{1+(T_s+T_r)s}---\left(6\right),$

设 $\frac{R_s}{R_s+R_r}=k,\frac{R_r}{R_s+R_r}=1-k$ 并代入式(6)中得到

$I\left(s\right)=I_{max}*k+I_{max}*(1-k)*\frac{1}{1+(T_s+T_r)s}---\left(7\right),$

将式(7)进行拉普拉斯反变换得到

$I=I_{max}*k+I_{max}*(1-k)*(1-e^{-\frac{T}{T_s+T_r}})---\left(8\right),$

将式(8)整理可得

$T_s+T_r=\frac{-T}{In\frac{I_{max}-I}{I_{\max }(1-k)}}---\left(9\right),$

将T＝T1，I＝I1代入式(9)求得Lm1，

将T＝T2，I＝I2代入式(9)求得Lm2，

将T＝T3，I＝I3代入式(9)求得Lm3，

将T＝T4，I＝I4代入式(9)求得Lm4，

最后取Lm1、Lm2、Lm3和Lm4的平均值，即

$L_m=\frac{L_{m1}+L_{m2}+L_{m3}+L_{m4}}{4}---\left(10\right);$

在施加上述第一直流电压、第二直流电压和单向交流电压时进行死区补偿，从而进一步增加互感参数Lm的准确性。

以上互感参数的离线识别方法的基本原理为：通过T型等效模型可以看出，在交流异步电机两端施加直流电压时，由于L_m＞＞L_r和L_m＞＞L_r，所以在短时间内电流迅速上升，同时Lm开始慢慢的起作用，当电流稳定后，最终Lm将Rr、Lr短路，在Lm开始慢慢的起作用时可将整个模型等效为一阶惯性系统，通过测得电流响应来推算Lm值。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (3)

1.一种交流异步电机互感参数的离线识别方法，基于交流异步电机、与所述交流异步电机的输入端相连的逆变器、通过PWM信号控制逆变器输出电流的控制器和用于检测交流异步电机的电流的传感器，所述传感器将检测到的电流传输给控制器用于调整PWM信号，所述交流异步电机包括定子和转子，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一，通过以下步骤辨识定子电阻R_s：

S10，所述控制器控制逆变器对所述定子施加幅值为U的第一直流电压；

S11，通过所述传感器检测到定子的电流达到稳态时采集稳态电流I_max并输入控制器；

S12，所述控制器利用公式(1)计算得到所述定子电阻R_s，

$R_S=\frac{U}{I_{max}}---\left(1\right);$

步骤二，通过以下步骤辨识转子电阻R_r：

S20，所述控制器控制逆变器对所述定子施加频率为ω，幅值为U的单相交流电压；

S21，通过所述传感器检测交流异步电机的定子的交流电流I_a并输入控制器；

S22，所述控制器利用公式(2)计算得到所述转子电阻R_r，

$R_r=\frac{U}{I_a}*\cos \mathrm{\α}-R_S---\left(2\right),$

其中，α为交流异步电机的超前电流的角度；

步骤三，通过以下步骤辨识互感参数L_m：

S30，通过所述控制器控制逆变器再次对所述定子施加幅值为U的第二直流电压并开始计时；

S31，当所述传感器检测到定子的电流大于I_max*R_s/(R_r+R_s)时开始记录时间；

S32，设ΔI＝[I_max*R_r/(R_r+R_s)]/5，则I_max＝I_max*R_s/(R_r+R_s)+ΔI*5，当所述传感器检测到定子的电流分别为

I1＝I_max*R_s/(R_r+R_s)+ΔI，记录第二直流电压的施加时间为T1，

I2＝I_max*R_s/(R_r+R_s)+ΔI*2，记录第二直流电压的施加时间为T2，

I3＝I_max*R_s/(R_r+R_s)+ΔI*3，记录第二直流电压的施加时间为T3，

I4＝I_max*R_s/(R_r+R_s)+ΔI*4，记录第二直流电压的施加时间为T4；

S32，通过控制器将预置的所述交流异步电机的T型等效模型的传递函数进行拉普拉斯变换得到

$\frac{I\left(s\right)}{U\left(s\right)}=\frac{1}{R_S}*\frac{1+T_{r}s}{1+(T_s+T_r)s+{\mathrm{\σT}}_s{T}_r{s}^2}---\left(3\right),$

其中： $T_r=\frac{L_m+L_r}{R_r},$ $T_s=\frac{L_m+L_s}{R_s},$ $\mathrm{\σ}=1-\frac{{L_m}^2}{(L_m+L_s)(L_m+L_r)},$ L_r转子漏电感、L_s定子漏电感、T_r转子时间常数、T_s定子时间常数；

S33，对式(3)进行简化得到

$\frac{I\left(s\right)}{U\left(s\right)}=\frac{1}{R_S}*\frac{1+T_{r}s}{1+(T_s+T_r)s}---\left(4\right),$

然后将式(4)变换成

$\frac{I\left(s\right)}{U\left(s\right)}=\frac{T_r}{R_S(T_s+T_r)}+\frac{T_s}{R_S(T_s+T_r)}*\frac{1}{1+(T_s+T_r)s}---\left(5\right),$

将 U(s)＝I_max*R_s代入式(5)中得到

$I\left(s\right)=I_{max}*\frac{R_s}{R_s+R_r}+I_{max}*\frac{R_r}{R_s+R_r}*\frac{1}{1+(T_s+T_r)s}---\left(6\right),$

设 $\frac{R_s}{R_s+R_r}=k,$ $\frac{R_r}{R_s+R_r}=1-k$ 并代入式(6)中得到

$I\left(s\right)=I_{max}*k+I_{max}*(1-k)*\frac{1}{1+(T_s+T_r)s}---\left(7\right),$

将式(7)进行拉普拉斯反变换得到

$I=I_{max}*k+I_{max}*(1-k)*(1-e^{-\frac{T}{T_s+T_r}})---\left(8\right),$

将式(8)整理可得

$T_s+T_r=\frac{-T}{In\frac{I_{max}-I}{I_{max}(1-k)}}---\left(9\right),$

将T＝T1，I＝I1代入式(9)求得L_m1，

将T＝T2，I＝I2代入式(9)求得L_m2，

将T＝T3，I＝I3代入式(9)求得L_m3，

将T＝T4，I＝I4代入式(9)求得L_m4，

最后取L_m1、L_m2、L_m3和L_m4的平均值，即

$L_m=\frac{L_{m1}+L_{m2}+L_{m3}+L_{m4}}{4}---\left(10\right).$

2.如权利要求1所述的交流异步电机互感参数的离线识别方法，其特征在于：所述步骤一、步骤二和步骤三中U为母线电压的0.05倍。

3.如权利要求2所述的交流异步电机互感参数的离线识别方法，其特征在于：所述步骤S20中的ω为所述交流异步电机的额定频率或略低于所述交流异步电机的额定频率。