CN103956957B - 一种异步电机转子电阻辨识方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种异步电机转子电阻辨识方法及装置，其中方法包括：在给定励磁电流信号的基础上叠加至少一个低频交流信号，将叠加后的信号作为激励信号；在所述激励信号的作用下，监测转子磁链电压模型中的磁链信号和转子磁链电流模型中的磁链信号；对所述转子磁链电压模型中的磁链信号作谐波提取处理得到转子磁链基准值，并对所述转子磁链电流模型中的磁链信号作谐波提取处理得到转子磁链估计值；计算所述转子磁链基准值与估计值之间的差值，对所述差值进行比例积分调节处理得到电机转子当前的电阻值。可见本发明的技术方案计算复杂度低且能够实时测试转子电阻，满足电机的实际应用需求。

Description

一种异步电机转子电阻辨识方法和装置

技术领域

本发明涉及电力领域，特别是涉及一种异步电机转子电阻辨识方法和装置。

背景技术

交流电机特别是异步电机由于具有结构简单、制造方便、价格低廉、运行可靠、可用于较恶劣的环境等优点，已经广泛应用于各类生产机械和生活机械中。随着异步电机的广泛应用，其控制方法也在不断发展，目前最常用的控制方法是基于转子磁链定向的矢量控制方法，它通过坐标变化将给定子电流信号进行解耦，得到励磁电流和转矩电流，并对这两个信号分别加以控制，使异步电机获得媲美于直流调速系统的性能。矢量控制方法的关键在于对磁场进行正确的定位，而正确定位必须依赖于电机的物理参数来完成解耦控制，因此，准确地辨识电机参数是矢量控制发挥其优势的先决条件。

电机参数包含定子电阻、转子电阻、定子漏感、转子漏感、互感等，其中，转子电阻阻值会随着电机温度变化而变化，严重时转子电阻阻值在电机的温度变化剧烈时阻值变化率达到50％，会严重影响控制性能。通常在电机出厂之前，根据异步电机等效电路的方法测得转子电阻。但是，由于制造工艺差别，同一批的电机的转子电阻阻值也会存在一定差别。另外，在电机的实际运行中，传统的方法不能实时辨识转子电阻阻值。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种异步电机转子电阻辨识方法和装置，在电机正常运行下，在输入信号上叠加至少一个低频信号作为激励信号，再根据转子磁链电压模型和转子磁链电流模型计算的转子磁链的大小 来辨识转子电阻的实际值。该方案的计算复杂度低且能够可实时测试转子电阻，满足电机的实际应用需求。

本发明提供以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种异步电机转子电阻辨识方法，所述方法包括：

在给定励磁电流信号的基础上叠加至少一个低频交流信号，将叠加后的信号作为激励信号；

在所述激励信号的作用下，监测转子磁链电压模型中的磁链信号和转子磁链电流模型中的磁链信号；

对所述转子磁链电压模型中的磁链信号作谐波提取处理得到转子磁链基准值，并对所述转子磁链电流模型中的磁链信号作谐波提取处理得到转子磁链估计值；

计算所述转子磁链基准值与所述转子磁链估计值之间的差值，对所述差值进行比例积分调节处理得到电机转子当前的电阻值。

优选的，所述在所述激励信号的作用下，监测转子磁链电压模型中的磁链信号和转子磁链电流模型中的磁链信号，包括：

测量电机在所述激励信号的作用下的三相定子实际电流，对所述三相定子实际电流作坐标变换得到空间矢量αβ电流分量；

测量电机在所述激励信号的作用下的三相定子实际电压，对所述三相定子实际电压作坐标变换得到空间矢量αβ电压分量；

根据转子磁链电压模型和转子磁链电流模型的数学公式分别计算αβ轴上的磁链信号。

优选的，所述测量电机在所述激励信号的作用下的三相定子实际电流，对所述三相定子实际电流作坐标变换得到空间矢量αβ电流分量，包括：

利用电流传感器测量电机在所述激励信号的作用下的三相定子实际电流，或者，采用DC总线单电阻电流采样的方式来检测电机在所述激励信号的作用下的三相定子实际电流；

利用Clark变换矩阵对所述三相定子实际电流进行坐标变换，得到空间矢量αβ电流分量。

优选的，所述测量电机在所述激励信号的作用下的三相定子实际电压，对所述三相定子实际电压作坐标变换得到空间矢量αβ电压分量，包括：

利用定子电压的重构方法计算得到三相定子实际电压；

利用Clark变换矩阵对所述三相定子实际电压进行坐标变换，得到空间矢量αβ电压分量。

优选的，所述计算所述转子磁链基准值与所述转子磁链估计值之间的差值，对所述差值进行比例积分调节处理得到电机转子当前的电阻值，包括：

计算所述转子磁链基准值与所述转子磁链估计值之间的差值；

利用比例积分调节器对所述差值作调节处理得到调解值；

计算所述调解值与电机转子辨识前电阻值之间的和值，将所述和值作为电机转子当前的电阻值。

优选的，在给定励磁电流信号的基础上叠加两个低频交流信号，将叠加后的信号作为激励信号，所述两个低频交流信号的频率分别是1赫兹和5赫兹；

则所述对所述转子磁链电压模型中的磁链信号作谐波提取处理得到转子磁链基准值，以及对所述转子磁链电流模型中的磁链信号作谐波提取处理得到转子磁链估计值，包括：

对所述转子磁链电压模型中的磁链信号作谐波提取处理，得到频率为是1赫兹的转子磁链分量和频率为5赫兹的转子磁链分量，计算这两个分量的平均值作为转子磁链基准值；

对所述转子磁链电流模型中的磁链信号作谐波提取处理，得到频率为是1赫兹的转子磁链分量和频率为5赫兹的转子磁链分量，计算这两个分量的平均值作为转子磁链估计值。

第二方面，本发明提供了一种异步电机转子电阻辨识装置，所述装置包括：

激励单元，用于在给定励磁电流信号的基础上叠加至少一个低频交流信号，将叠加后的信号作为激励信号；

监测单元，用于在所述激励信号的作用下，监测转子磁链电压模型中的磁链信号和转子磁链电流模型中的磁链信号；

谐波提取单元，用于分别对所述转子磁链电压模型中的磁链信号作谐波提取处理得到转子磁链基准值，并对所述转子磁链电流模型中的磁链信号作谐波提取处理得到转子磁链估计值；

阻值计算单元，用于计算所述转子磁链基准值与所述转子磁链估计值之间的差值，对所述差值进行比例积分调节处理得到电机转子当前的电阻值。

优选的，所述监测单元，包括：

电流测量子单元，用于测量电机在所述激励信号的作用下的三相定子实际电流，对所述三相定子实际电流作坐标变换得到空间矢量αβ电流分量；

电压测量子单元，用于测量电机在所述激励信号的作用下的三相定子实际电压，对所述三相定子实际电压作坐标变换得到空间矢量αβ电压分量；

计算磁链子单元，用于根据转子磁链电压模型和转子磁链电流模型的数学公式分别计算αβ轴上的转子磁链信号。

优选的，所述电流测量子单元，包括：

检测模块，用于利用电流传感器测量电机在所述激励信号的作用下的三相定子实际电流，或者，采用Dc总线单电阻电流采样的方式来检测电机在所述激励信号的作用下的三相定子实际电流；

第一变换模块，用于利用Clark变换矩阵对所述三相定子实际电流进行坐标变换，得到空间矢量αβ电流分量。

优选的，所述电压测量子单元，包括：

重构模块，用于利用定子电压的重构方法计算得到三相定子实际电压；

第二变换模块，用于利用Clark变换矩阵对所述三相定子实际电压进行坐标变换，得到空间矢量αβ电压分量。

优选的，所述阻值计算单元，包括：

差值计算子单元，用于计算所述转子磁链基准值与所述转子磁链估计值之间的差值；

调节子单元，用于利用比例积分调节器对所述差值作调节处理得到调解值；

阻值计算子单元，用于计算所述调解值与电机转子辨识前电阻值之间的和值，将所述和值作为电机转子当前的电阻值。

优选的，所述激励单元具体用于在给定励磁电流信号的基础上叠加两个低频交流信号，将叠加后的信号作为激励信号，所述两个低频交流信号的频率分别是1赫兹和5赫兹；

则所述谐波提取单元，包括：

第一谐波提取子单元，用于对所述转子磁链电压模型中的磁链信号作谐波提取处理，得到频率为是1赫兹的转子磁链分量和频率为5赫兹的转子磁链分量，计算这两个分量的平均值作为转子磁链基准值；

第二谐波提取子单元，用于对所述转子磁链电流模型中的磁链信号作谐波提取处理，得到频率为是1赫兹的转子磁链分量和频率为5赫兹的转子磁链分量，计算这两个分量的平均值作为转子磁链估计值。

本发明提供的上述技术方案，在矢量控制系统正常控制电机的过程中，在给定励磁电流信号的基础上叠加至少一个低频交流信号，将叠加后的信号作为激励信号；在所述激励信号的作用下，监测转子磁链电压模型中的磁链信号和转子磁链电流模型中的磁链信号；对所述转子磁链电压模型中的磁链信号作谐波提取处理得到转子磁链基准值，以及对转子磁链电流模型中的磁链信号作谐波提取处理得到转子磁链估计值；计算所述转子磁链基准值与估计值之间的差值，对所述差值进行比例积分调节处理得到电机转子当前的电阻值。由于温度变化或者其他应用引起转子电阻阻值发生变化，转子励磁时间常数也会随之变化，电流模型中的转子磁链也随之发生变化，而电压模型中的转子磁链不会受到影响，因此，以电压模型转子磁链作为基准值，电流模型转子磁链作为估计值，利用基准值与估计值的差值来辨识转子实际的电阻值。这种辨识转子电阻的方式，基于电机实际运行中的电流电压状态，能够实时性地测试转子的电阻值，且整个过程计算复杂度低，能够满足电机的实际应用需求。

附图说明　

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面 描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明揭示的异步电机转子电阻辨识方法实施例1的流程图；

图2为本发明揭示的转子磁场定向矢量控制系统结构图；

图3为本发明揭示的转子电阻辨识原理框图；

图4为本发明揭示的异步电机转子电阻辨识装置实施例1的结构图。

具体实施方式　

为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

实施例一　 

参阅图1，示出的本发明实施例异步电机转子电阻辨识方法实施例1的流程图，该方法包括：

步骤101，在给定励磁电流信号的基础上叠加至少一个低频交流信号，将叠加后的信号作为激励信号。

本实施例的技术方案是在矢量控制系统的基础上实现的，为了清楚地描述技术方案，首先对异步电机和矢量控制系统进行解释说明。

电机是指把电能转化为机械能的一种设备，它包括固定部分、旋转部分和其他附件(如端盖、轴承、轴承端盖、风扇等)；其中，固定部分称为定子(stator)，旋转部分称为转子(rator)。电机是利用通电线圈(也就是定子绕组)产生旋转磁场并作用于转子(如鼠笼式型闭合铝框、绕线型线圈)形成磁电动力旋转扭矩。电动机按照使用电压的不同分为直流电动机和交流电动机，电力系统中的电动机大部分是交流电机，可以是同步电机或者异步电机(电机定子磁场转速与转子旋转转速不保持同步速)。目前，市场上应用最广泛的就是异步电机。

矢量控制系统的工作原理是通过测试和控制异步电机定子电流矢量，根据磁场定向原理，将定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量(励磁电流) 和产生转矩的电流分量(转矩电流)，分别控制这两个分量的幅值和相位，即实现控制定子电流矢量。

下面以具体的转子磁场定向矢量控制系统为例，对本实施例的实现场景进行解释说明。参与图2，示出的转子磁场定向矢量控制系统结构图。

在图2中，ASR(Aｄｊｕｓｔａｂｌｅ 　Ｓｐｅｅｄ 　Ｒｅｇｕｌａｔｏｒ)为转速调节器，ＡＣＭＲ(Ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ　Ｃｕｒｒｅｎｔ 　ｏｆ 　Ｍａｇｎｅｔｉｃ 　Ｒｅｇｕｌａｔｏｒ)为定子电流励磁分量调节器，ＡＣＴＲ(Ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ　 Ｃｕｒｒｅｎｔ　 ｏｆ 　Ｔｏｒｑｕｅ 　Ｒｅｇｕｌａｔｏｒ)为定子电流转矩分量调节器。转速调节器是用于调节定子电流的转矩分量，以抵消转子磁链变化以及负载转矩的变化对转速带来的波动，最后达到平衡时，电机转子实际转速ω等于转子给定转速ω^*，电磁转矩T_e等于负载转矩T_L。根据ＡＳＲ调节原理可知给定电磁转矩为：

$T_e^{*}=k_p\·({\mathrm{\ω}}^{*}-\mathrm{\ω})+k_i\·\∫({\mathrm{\ω}}^{*}-\mathrm{\ω})\mathrm{dt}---\left(1\right)$

磁链定向矢量控制系统的关键是准确定向，上述系统采用转子磁链矢量Ψ_r作为基准矢量。由于按照转子磁链定向能够实现转矩和磁链的解耦，也就是说，负载转矩的变化不影响磁链。

磁链是指导电线圈或电流回路所链环的磁通量。磁链等于导电线圈匝数Ｎ与穿过该线圈各匝的平均磁通量φ的乘积，也被称为磁通匝。

采用此方案来实现定向矢量控制，就必须获得转子磁链矢量ψ_r的空间位置。具体实现流程为：

利用定子给定电流转矩分量和转子给定磁链计算给定转速差而定子给定电流转矩分量和可按照以下公式计算：

$i_{\mathrm{st}}^{*}=\frac{L_r}{n_p\·L_m}\·\frac{T_e^{*}}{{\mathrm{\ψ}}_r^{*}}---\left(2\right)$

${\mathrm{\ω}}_S^{*}=\frac{L_m}{T_r\·{\mathrm{\ψ}}_r^{*}}\·i_{\mathrm{st}}^{*}---\left(3\right)$

在上述公式(2)和(3)中，L_r表示每相转子绕组的等效电感；n_p表示电机的极对数；L_m表示电机定转子互感；T_r表示转子磁链常数T_r＝L_r/R_r，其中R_r表示电机的转子电阻。

上述转子给定磁链的大小，可根据矢量控制系统的实际性能需求以及系统其它参数来确定。

根据给定转速差和电机转子实际转速ω，计算得到旋转坐标系的旋转角速度对旋转角速度积分得到矢量变换角度θ，具体公式如下：

$\mathrm{\θ}=\∫{\mathrm{\ω}}_1^{*}\mathrm{dt}=\∫({\mathrm{\ω}}_s^{*}+\mathrm{\ω})\mathrm{dt}---\left(4\right)$

在实际应用中，可以采用速度编码器或者通过控制算法计算得到上述电机转子实际转速ω。利用公式(4)计算得到的矢量变换角度θ具体用于实现三相到旋转两相的坐标变换中。

以上描述都是针对转矩调节，下面对电机励磁调节进行解释说明。

首先要获取定子给定电流励磁分量具体公式如下：

$i_{\mathrm{sm}}^{*}=\frac{{\mathrm{\ψ}}_r^{*}}{L_m}---\left(5\right)$

为了实时校正给定励磁与实际励磁的误差，还必须获取ｍｔ坐标系下的定子实际电流励磁分量i_sm和定子实际电流转矩分量i_st。在实际应用中，可通过以下方式获取这两个分量：

测量电机的三相定子实际电流i_a、i_b、i_c，对所述三相定子实际电流作坐标变换得到空间矢量αβ电流分量i_sα和i_sβ。该坐标变换可以采用Ｃｌａｒｋ变换，即，三相－两相坐标系变化(3/2变换)。

ａ、ｂ、ｃ坐标轴分别代表电机参量分解的三相坐标系，而α、β则表示电机参量分解的静止两相坐标系。具体坐标变换公式如下：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{s\α}}\\ i_{\mathrm{s\β}}\end{array}\right]=\frac{\sqrt{3}}{2}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]---\left(6\right)$

将上述空间矢量αβ轴上的分量再经过坐标变换，将其变换到dq坐标上，该坐标变换可以采用ＰＡＲＫ变换，即，2ｓ/2ｒ变换，其中ｓ表示静止，ｒ表示旋转，该坐标变化是从两相静止坐标系到两相旋转坐标系dq的电机相电流变换，经过该坐标变化得到定子实际电流励磁分量i_sd和定子实际电流转矩分量i_sq。具体公式如下：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{sd}}\\ i_{\mathrm{sq}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{s\α}}\\ i_{\mathrm{s\β}}\end{array}\right]---\left(7\right)$

其中，矢量变换角度θ通过上述公式(4)计算得到。 

电机的定子电流调节器包括定子电流励磁分量调节器、定子电流转矩分量调节器、前馈补偿部分，定子电流调节器使电机输出给定转子磁链和电磁转矩。其中，定子电流励磁分量调节器和定子电流转矩分量调节器均包括ＰＩ调节器，前馈补偿部分是为了加快系统的相应速度，提高系统控制性能。

电机的定子电流调节器工作原理可通过以下公式来体现：

V_dsd＝R_s·i_sd-ω·σL_s·i_sq    　　　　　　　　　　　　　　　　　(8)

$V_{\mathrm{qsd}}=R_s\·i_{\mathrm{sq}}+\mathrm{\ω}\·{\mathrm{\σL}}_s\·i_{\mathrm{sd}}+\mathrm{\ω}\·{\mathrm{\ψ}}_r^{*}\·\frac{L_s}{L_r}---\left(9\right)$

上述公式中R_s表示定子电阻；L_s表示定子每相绕组的等效自感；σ表示漏感系数；

$\mathrm{\σ}=1-\frac{L_m^2}{L_s{L}_r}---\left(10\right)$

根据上述公式计算得到的数据，就可以获得电压实际励磁分量u_sd和电压实际转矩分量u_sq，然后经过空间矢量脉冲宽度调制(Ｓｐａｃｅ 　Ｖｅｃｔｏｒ 　Ｐｕｌｓｅ　 Ｗｉｄｔｈ　 Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，ＳＶＰＷＭ)调制，可以发出所需的电压，控制变流器的绝缘栅门极晶体管(Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ 　Ｇａｔｅ 　Ｂｉｐｏｌａｒ 　Ｔｒａｎｓｌａｔｏｒ，ＩＧＢＴ)桥臂，输出脉冲宽度调变(Ｐｕｌｓｅ　 Ｗｉｄｔｈ 　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，ＰＷＭ)形式的脉冲波来实现对电机的控制。

本实施例中，为了提供电机转子电阻辨识的测试环境，需要让系统满足持续激励条件，以保证转子电阻可以被辨识。本实施例通过在输入信号上叠加至少一个低频交流信号来满足激励条件。

由于，系统输入信号，即给定励磁电流信号的频率会根据调速的需求不断调整，因此，可以添加多个低频交流信号，以便在后续谐波提取处理时能够正常进行，所添加的交流信号的频率可以随意设置。本实施例中所叠加的低频交流信号为正弦或者余弦信号，由于正弦、余弦信号具有信号保真性，经过系统处理之后输出后，其频率是不会发生变化的。本方案正是要利用正弦或者余弦的此性能，以保证后续的谐波提取操作顺利进行。

步骤102，在所述激励信号的作用下，监测转子磁链电压模型中的磁链信号和转子磁链电流模型中的磁链信号。

通过上述对矢量控制系统工作原理的描述可知：步骤102可以通过以下方式来实现，该方式包括：步骤1021～1023。

步骤1021，测量电机在所述激励信号的作用下的三相定子实际电流，对所述三相定子实际电流作坐标变换得到空间矢量αβ电流分量。

在实际应用中，可先利用电流传感器测量电机在所述激励信号的作用下的三相定子实际电流，或者，也可以先采用ＤＣ总线单电阻电流采样的方式来检测电机在所述激励信号的作用下的三相定子实际电流；再利用Ｃｌａｒｋ变换矩阵对所述三相定子实际电流进行坐标变换，得到空间矢量αβ电流分量。

步骤1022，测量电机在所述激励信号作用下的三相定子实际电压，对所述三相定子实际电压作坐标变换得到空间矢量αβ电压分量。

在实际应用中，由于定子电压为ＰＷＭ形式的脉冲波，所以直接测量比较困难，因此，可以通过电压重构的方式来测量定子电压实际值。

因此，在实际应用中，可先利用定子电压的重构方法计算得到三相定子实际电压；再利用Ｃｌａｒｋ变换矩阵对所述三相定子实际电压进行坐标变换，得到空间矢量αβ电压分量。

步骤1023，根据转子磁链电压模型和转子磁链电流模型的数学公式分别计算αβ轴上的磁链信号。

在实际应用中，首先构建转子磁链电压模型和转子磁链电流模型，具体是根据电压方程中感应电动势等于磁链变化率的关系，对电动势作积分处理得到磁链，得到转子磁链电压模型用数学公式表达如下：

${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\α}}^u=\frac{L_r}{L_m}[\∫(u_{\mathrm{s\α}}-R_S\·i_{\mathrm{s\α}})\mathrm{dt}-{\mathrm{\σL}}_s\·i_{\mathrm{s\α}}]---\left(11\right)$

${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\β}}^u=\frac{L_r}{L_m}[\∫(u_{\mathrm{s\β}}-R_S\·i_{\mathrm{s\β}})\mathrm{dt}-{\mathrm{\σL}}_s\·i_{\mathrm{s\β}}]---\left(12\right)$

根据描述磁链与电流关系的磁链方程来计算转子磁链，所得出的模型称之为电流模型，转子磁链电流模型用数学公式表达如下：

${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\α}}^i=\frac{1}{T_{r}p+1}[L_m{i}_{\mathrm{s\α}}-\mathrm{\ω}\·T_r\·{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\β}}^i]---\left(13\right)$

${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\β}}^i=\frac{1}{T_{r}p+1}[L_m{i}_{\mathrm{s\β}}-\mathrm{\ω}\·T_r\·{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\α}}^i]---\left(14\right)$

上述公式(11)～(14)中，分别表示电压模型中转子磁链ψ_r在αβ轴上的分量；分别表示电流模型中转子磁链ψ_r在αβ轴上的分量；u_sα、u_sβ分别表示三相定子实际电压在αβ轴上的分量；i_sα、i_sβ分别表示三相定子实 际电流在αβ轴上的分量；R_s表示定子电阻；　σ表示漏感系数；L_m表示电机定子转子的互感；L_r表示转子每项绕组的等效自感；L_S表示定子每相绕组的等效自感；T_r表示转子磁励时间常数；p表示微分算子；ω表示电机转速。

利用上述公式(11)～(14)计算得到转子磁链电压模型中的磁链信号和转子磁链电流模型中的磁链信号，即，电压模型中转子磁链在αβ轴上的分量，以及电流模型中转子磁链在αβ轴上的分量。

步骤103，对所述转子磁链电压模型中的磁链信号作谐波提取处理得到转子磁链基准值，并对所述转子磁链电流模型中的磁链信号作谐波提取处理得到转子磁链估计值。

利用上述数学公式(11)～(14)能够计算出转子磁链电压模型中的磁链信号和转子励磁电流模型中的磁链信号，上述对磁链信号作谐波提取处理是指提取频率等于所叠加的至少一个低频交流信号频率的磁链信号。若步骤101只叠加了一个低频交流信号，则所述谐波提取处理是指提取频率等于所叠加的低频交流信号频率的磁链信号；若步骤101中叠加了至少两个低频交流信号，则所述谐波提取处理是指提取频率等于任意一个所叠加的低频交流信号频率的磁链信号；所述谐波提取处理还可以是指提取每一个所叠加的低频交流信号频率的磁链信号，然后将这些所提取的磁链信号平均值作为转子磁链基准值。在实际应用中，可利用傅里叶变换算法实现谐波提取处理功能。

电机转子的电阻值如果没有发生变化，则辨识出的电压模型与电流模型的转子磁链一致。如果电机温度变化或者其他应用引起转子电阻阻值变化，转子励磁时间常数T_r会随着转子电阻阻值的变化而变化，根据上述公式(11)～(12)可知，电压模型转子磁链与转子励磁时间常数没有直接联系，因此，通过电压模型转子磁链作为基准值，也就是期望值，将电流模型转子磁链作为估计值，根据基准值和估计值对转子电阻进行修正，以辨识转子实际的电阻值。

步骤104，计算所述转子磁链基准值与所述转子磁链估计值之间的差值，对所述差值进行比例积分调节处理得到电机转子当前的电阻值。

在实际应用中，本步骤可通过以下方式实现，包括：

计算所述转子磁链基准值与估计值之间的差值；

利用比例积分调节器对所述差值作调节处理得到调解值；

计算所述调解值与电机转子辨识前电阻值之间的和值，将所述和值作为电机转子当前的电阻值。

若矢量控制系统中一直使用的是电机转子电阻的初始值(电机出厂设置的转子电阻值)，则当利用本发明上述方案时，执行上述步骤104时用到的电机转子辨识前电阻值为电阻转子电阻的初始值。

在实际应用中，当矢量控制系统利用本发明方案周期性地辨识转子电阻值时，则每个周期执行上述步骤104时用到的电机转子辨识前电阻值具体是指与当前周期相邻的上一个周期所辨识的转子电阻值。可见步骤104的本质就是对辨识前电机转子电阻值进行修正以确定电机转子当前的电阻值。

从上述数学公式(11)～(14)可以看出经过谐波提取处理得到转子磁链基准值分为αβ轴两个分量，同样的，转子磁链估计值也分为αβ轴两个分量，对应的αβ轴上基准值与估计值分别作差值运算时，得到的αβ轴两个差值。然后，对这两个差值作比例积分处理得到两个调解值，将这两个调解值与转子电阻辨识前电阻值作和值处理，将得到的和值作为转子当前的电阻值。

在实际应用中，针对上述比例积分处理可采用比例积分调节器(ＰＩ调节器)，而ＰＩ调节器的参数整定是其调节的关键因素，ＰＩ调节器的参数包括比例系数K_P和积分系数K_i，关于ＰＩ调节器参数整定的方法有很多，比如：理论计算整定法，它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定调节器参数。这种方法所得到的计算结果，也可以再经过工程实际进行调整和修改。再比如：工程整定方法，它主要依赖工程经验来确定参数大小。

通过上述本发明实施例辨识方法的解释说明，可以得出本发明技术方案的基本原理，参阅图3，示出的本发明电机转子电阻辨识原理框图，在图3中， 是指电机转子辨识前电阻值，是指电机转子当前的电阻值，其余参数可参见上文所述。依据该原理图可知：本发明技术方案在矢量控制系统正常控制电机的条件下，根据电压模型磁链值与电流模型磁链值的之间误差信号辨识电机的转子电阻，大大提高辨识效率。

通过上述方式辨识出电机转子实际的电阻值，将转子实际的电阻值更新到矢量控制系统，以使矢量控制系统获得电机转子实际的电阻值，对电机进行准确控制。在实际应用中，可按照时间周期来重复执行本方案来测试电机 转子的电阻值，也可以在预先设定的特定时间来执行本方案，为矢量控制系统提供最准确的转子的电阻值。

一般情况下，异步电机转子电阻辨识方法可以分为离线辨识和在线辨识。所谓离线辨识是指在系统运行前，通过变频器对异步电机施加各种激励信号，最后计算出异步电机转子的电阻值。所谓在线辨识是指在系统运行中，通过各种算法对异步电机进行实时的检查计算得到异步电机转子实际的电阻值。由于异步电机在运行过程中，由于温度变化、肌肤效应会使异步电机的转子电阻值发生变化。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；而离线辨识无法考虑到实际运行状况对电阻的影响，无法实时监测到转子实际的电阻值。因此，在线辨识的准确度更好，更适应于电机实际需求。

由于电机转子的电阻值会随着温度等运营环境的变化而变化，因此，需要定期或者实时辨识该电阻值，以保证系统正常运行，因此，本发明的上述方案利用在线辨识的优势，以电压模型转子磁链作为期望值，电流模型转子磁链作为估计值辨识出转子实际的电阻值。这种辨识转子电阻的方式，能够实时性地测试电阻值，且整个过程计算复杂度低，能够满足电机的实际应用需求。该方法在实际应用中，可以作为矢量控制系统中控制程序的一部分，在系统正常启动的时候就可以开始在线辨识得到转子实际的电阻值，进一步提高矢量控制系统的控制性能。

在实际应用中，可采用多种方式实现电压的重构，为了简化实现过程，本发明提供一种电压重构方法，利用直流侧电压加开关函数重构定子电压，具体过程如下：

异步电机的三相电压V_an,V_bn,V_cn(下标ｎ为异步电机中性点)可表示为：

$V_{\mathrm{an}}=V_a-V_n=i_a{R}_S+L_S\frac{{\mathrm{di}}_a}{\mathrm{dt}}+e_a---\left(15\right)$

$V_{\mathrm{bn}}=V_b-V_n=i_b{R}_S+L_S\frac{{\mathrm{di}}_b}{\mathrm{dt}}+e_b---\left(16\right)$

$V_{\mathrm{cn}}=V_c-V_n=i_c{R}_S+L_S\frac{{\mathrm{di}}_c}{\mathrm{dt}}+e_c---\left(17\right)$

上述公式(15)～(17)中，e_a、e_b、e_c表示三相反电势，上述三个公式相加得出：

$V_n=\frac{1}{3}(V_a+V_b+V_c)---\left(18\right)$

其中，V_a、V_b、V_c　和直流母线电压U_d与逆变器的三个开关函数(S₁、S₂、S₃)的关系如下：

V_a＝S₁U_d；V_b＝S₂U_d；V_c＝S₃U_d　(19)

通过上述公式(17)和(18)可以得出：

$V_{\mathrm{an}}=U_d(\frac{2}{3}{S}_1-\frac{1}{3}{S}_2-\frac{1}{3}{S}_3)---\left(20\right)$

$V_{\mathrm{bn}}=U_d(\frac{2}{3}{S}_2-\frac{1}{3}{S}_1-\frac{1}{3}{S}_3)---\left(21\right)$

$V_{\mathrm{cn}}=U_d(\frac{2}{3}{S}_3-\frac{1}{3}{S}_1-\frac{1}{3}{S}_2)---\left(22\right)$

通过开关管在一个开关周期T_S的开关函数(S₁、S₂、S₃)，通过以下公式计算得到重构的三相定子实际电压。

由于，交流变频调速系统根据不同的调速要求不断调整输出频率，当叠加的低频交流信号与系统运行频率接近时，则难以提取谐波信号，因此，为了提高提取谐波信号的精度，可以增加两个低频交流分量。基于此，本发明提供了以下优选方案。

在给定励磁电流信号的基础上叠加两个低频交流信号，将叠加后的信号作为激励信号，所述两个低频交流信号的频率分别是1赫兹和5赫兹；

则分别对所述转子磁链电压模型中的磁链信号作谐波提取处理得到转子磁链基准值，以及对转子磁链电流模型中的磁链信号作谐波提取处理得到转子磁链估计值，包括：

对所述转子磁链电压模型中的磁链信号作谐波提取处理，得到频率为是1赫兹转子磁链分量和频率为5赫兹的转子磁链分量，计算这两个分量的平均值作为转子磁链基准值；

对转子磁链电流模型中的磁链信号作谐波提取处理，得到频率为是1赫兹转子磁链分量和频率为5赫兹的转子磁链分量，计算这两个分量的平均值作为转子磁链估计值。

在实际应用中，当系统运行在5赫兹附近时，则谐波提取处理，提取1赫兹转子磁链分量来辨识转子的电阻值。当系统运行1赫兹附近时，则谐波提取处理，提取5赫兹转子磁链分量来辨识转子的电阻值。当系统运行在其他频率点时，可通过提取1赫兹转子磁链分量作为转子磁链基准值，或者提取5赫兹转子磁链分量作为转子磁链基准值，或者提取1赫兹和5赫兹的转子频率分量，计算这两个频率分量的平均值，将该平均值作为转子磁链基准值。

当然，在实际应用中，也可以叠加其他频率的低频交流信号，具体频率大小可根据实际需求设置，在此不做具体要求。在实际应用中，可以周期性地利用本申请技术方案来辨识电阻，也可以不定期地利用本申请技术方案来辨识电阻值。

实施例二

与上述本发明实施例异步电机转子电阻辨识方法相对应的，本发明实施例提供异步电机转子电阻辨识装置，参阅图4，示出的异步电机转子电阻辨识装置实施例1的结构图，该装置可包括：激励单元401、监测单元402、谐波提取单元403和阻值计算单元404，下面结合该装置工作原理对各功能单元进行解释说明。

激励单元401，用于在给定励磁电流信号的基础上叠加至少一个低频交流信号，将叠加后的信号作为激励信号；

监测单元402，用于在所述激励信号的作用下，监测转子磁链电压模型中的磁链信号和转子磁链电流模型中的磁链信号；

谐波提取单元403，用于分别对所述转子磁链电压模型中的磁链信号作谐波提取处理得到转子磁链基准值，并对所述转子磁链电流模型中的磁链信号作谐波提取处理得到转子磁链估计值；

阻值计算单元404，用于计算所述转子磁链基准值与所述转子磁链估计值之间的差值，对所述差值进行比例积分调节处理得到电机转子当前的电阻值。

优选的，所述监测单元，包括：

电流测量子单元，用于测量电机在所述激励信号的作用下的三相定子实际电流，对所述三相定子实际电流作坐标变换得到空间矢量αβ电流分量；

电压测量子单元，用于测量电机在所述激励信号的作用下的三相定子实际电压，对所述三相定子实际电压作坐标变换得到空间矢量αβ电压分量；

计算磁链子单元，用于根据转子磁链电压模型和转子磁链电流模型的数学公式分别计算αβ轴上的转子磁链信号。

优选的，所电流测量子单元，包括：

检测模块，用于利用电流传感器测量电机在所述激励信号的作用下的三相定子实际电流，或者，采用ＤＣ总线单电阻电流采样的方式来检测电机在所述激励信号的作用下的三相定子实际电流；

第一变换模块，用于利用Ｃｌａｒｋ变换矩阵对所述三相定子实际电流进行坐标变换，得到空间矢量αβ电流分量。

优选的，所述电压测量子单元，包括：

重构模块，用于利用定子电压的重构方法计算得到三相定子实际电压；

第二变换模块，用于利用Ｃｌａｒｋ变换矩阵对所述三相定子实际电压进行坐标变换，得到空间矢量αβ电压分量。

优选的，所述阻值计算单元，包括：

差值计算子单元，用于计算所述转子磁链基准值与所述转子磁链估计值之间的差值；

调节子单元，用于利用比例积分调节器对所述差值作调节处理得到调解值；

阻值计算子单元，用于计算所述调解值与电机转子辨识前电阻值之间的和值，将所述和值作为电机转子当前的电阻值。

优选的，所述激励单元具体用于在给定励磁电流信号的基础上叠加两个低频交流信号，将叠加后的信号作为激励信号，所述两个低频交流信号的频率分别是1赫兹和5赫兹；

则所述谐波提取单元，包括：

第一谐波提取子单元，用于对所述转子磁链电压模型中的磁链信号作谐波提取处理，得到频率为是1赫兹转子磁链分量和频率为5赫兹的转子磁链分量，计算这两个分量的平均值作为转子磁链基准值；

第二谐波提取子单元，用于对转子磁链电流模型中的磁链信号作谐波提取处理，得到频率为是1赫兹转子磁链分量和频率为5赫兹的转子磁链分量，计算这两个分量的平均值作为转子磁链估计值。

利用本发明异步电机转子电阻辨识装置，在矢量控制系统正常控制电机的过程中，以电压模型转子磁链作为期望值，电流模型转子磁链作为估计值修正转子的电阻值，从而可以辨识出实际的转子的电阻值。这种辨识转子电阻的方式，能够实时性地测试准确地电阻值，且整个过程计算复杂度低，能够满足电机的实际应用需求。

需要说明的是，在本文中诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

需要说明的是，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Ｒｅａｄ－Ｏｎｌｙ 　Ｍｅｍｏｒｙ，ＲＯＭ)或随机存储记忆体(Ｒａｎｄｏｍ 　Ａｃｃｅｓｓ 　Ｍｅｍｏｒｙ，ＲＡＭ)等。

以上对本发明所提供的一种异步电机转子电阻辨识方法及装置进行了详细介绍，本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (12)

1.一种异步电机转子电阻辨识方法，其特征在于，所述方法包括：

在给定励磁电流信号的基础上叠加至少一个低频交流信号，将叠加后的信号作为激励信号；

在所述激励信号的作用下，监测转子磁链电压模型中的磁链信号和转子磁链电流模型中的磁链信号；

对所述转子磁链电压模型中的磁链信号作谐波提取处理得到转子磁链基准值，并对所述转子磁链电流模型中的磁链信号作谐波提取处理得到转子磁链估计值；

计算所述转子磁链基准值与所述转子磁链估计值之间的差值，对所述差值进行比例积分调节处理得到电机转子当前的电阻值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述激励信号的作用下，监测转子磁链电压模型中的磁链信号和转子磁链电流模型中的磁链信号，包括：

测量电机在所述激励信号的作用下的三相定子实际电流，对所述三相定子实际电流作坐标变换得到空间矢量αβ电流分量；

测量电机在所述激励信号的作用下的三相定子实际电压，对所述三相定子实际电压作坐标变换得到空间矢量αβ电压分量；

根据转子磁链电压模型和转子磁链电流模型的数学公式分别计算αβ轴上的磁链信号。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述测量电机在所述激励信号的作用下的三相定子实际电流，对所述三相定子实际电流作坐标变换得到空间矢量αβ电流分量，包括：

利用电流传感器测量电机在所述激励信号的作用下的三相定子实际电流，或者，采用DC总线单电阻电流采样的方式来检测电机在所述激励信号的作用下的三相定子实际电流；

利用Clark变换矩阵对所述三相定子实际电流进行坐标变换，得到空间矢量αβ电流分量。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述测量电机在所述激励信号的作用下的三相定子实际电压，对所述三相定子实际电压作坐标变换得到空间矢量αβ电压分量，包括：

利用定子电压的重构方法计算得到三相定子实际电压；

利用Clark变换矩阵对所述三相定子实际电压进行坐标变换，得到空间矢量αβ电压分量。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算所述转子磁链基准值与所述转子磁链估计值之间的差值，对所述差值进行比例积分调节处理得到电机转子当前的电阻值，包括：

计算所述转子磁链基准值与所述转子磁链估计值之间的差值；

利用比例积分调节器对所述差值作调节处理得到调解值；

计算所述调解值与电机转子辨识前电阻值之间的和值，将所述和值作为电机转子当前的电阻值。

6.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，在给定励磁电流信号的基础上叠加两个低频交流信号，将叠加后的信号作为激励信号，所述两个低频交流信号的频率分别是1赫兹和5赫兹；

则所述对所述转子磁链电压模型中的磁链信号作谐波提取处理得到转子磁链基准值，以及对所述转子磁链电流模型中的磁链信号作谐波提取处理得到转子磁链估计值，包括：

对所述转子磁链电压模型中的磁链信号作谐波提取处理，得到频率为是1赫兹的转子磁链分量和频率为5赫兹的转子磁链分量，计算这两个分量的平均值作为转子磁链基准值；

对所述转子磁链电流模型中的磁链信号作谐波提取处理，得到频率为是1赫兹的转子磁链分量和频率为5赫兹的转子磁链分量，计算这两个分量的平均值作为转子磁链估计值。

7.一种异步电机转子电阻辨识装置，其特征在于，所述装置包括：

激励单元，用于在给定励磁电流信号的基础上叠加至少一个低频交流信号，将叠加后的信号作为激励信号；

监测单元，用于在所述激励信号的作用下，监测转子磁链电压模型中的磁链信号和转子磁链电流模型中的磁链信号；

谐波提取单元，用于分别对所述转子磁链电压模型中的磁链信号作谐波提取处理得到转子磁链基准值，并对所述转子磁链电流模型中的磁链信号作谐波提取处理得到转子磁链估计值；

阻值计算单元，用于计算所述转子磁链基准值与所述转子磁链估计值之间的差值，对所述差值进行比例积分调节处理得到电机转子当前的电阻值。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述监测单元，包括：

电流测量子单元，用于测量电机在所述激励信号的作用下的三相定子实际电流，对所述三相定子实际电流作坐标变换得到空间矢量αβ电流分量；

电压测量子单元，用于测量电机在所述激励信号的作用下的三相定子实际电压，对所述三相定子实际电压作坐标变换得到空间矢量αβ电压分量；

计算磁链子单元，用于根据转子磁链电压模型和转子磁链电流模型的数学公式分别计算αβ轴上的转子磁链信号。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述电流测量子单元，包括：

检测模块，用于利用电流传感器测量电机在所述激励信号的作用下的三相定子实际电流，或者，采用DC总线单电阻电流采样的方式来检测电机在所述激励信号的作用下的三相定子实际电流；

第一变换模块，用于利用Clark变换矩阵对所述三相定子实际电流进行坐标变换，得到空间矢量αβ电流分量。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述电压测量子单元，包括：

重构模块，用于利用定子电压的重构方法计算得到三相定子实际电压；

第二变换模块，用于利用Clark变换矩阵对所述三相定子实际电压进行坐标变换，得到空间矢量αβ电压分量。

11.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述阻值计算单元，包括：

差值计算子单元，用于计算所述转子磁链基准值与所述转子磁链估计值之间的差值；

调节子单元，用于利用比例积分调节器对所述差值作调节处理得到调解值；

阻值计算子单元，用于计算所述调解值与电机转子辨识前电阻值之间的和值，将所述和值作为电机转子当前的电阻值。

12.根据权利要求7至11任一项所述的装置，其特征在于，

所述激励单元具体用于在给定励磁电流信号的基础上叠加两个低频交流信号，将叠加后的信号作为激励信号，所述两个低频交流信号的频率分别是1赫兹和5赫兹；

则所述谐波提取单元，包括：

第一谐波提取子单元，用于对所述转子磁链电压模型中的磁链信号作谐波提取处理，得到频率为是1赫兹的转子磁链分量和频率为5赫兹的转子磁链分量，计算这两个分量的平均值作为转子磁链基准值；

第二谐波提取子单元，用于对所述转子磁链电流模型中的磁链信号作谐波提取处理，得到频率为是1赫兹的转子磁链分量和频率为5赫兹的转子磁链分量，计算这两个分量的平均值作为转子磁链估计值。