CN104883112B - 一种异步电机参数离线辨识方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种异步电机参数离线辨识方法，该方法包括定子电阻辨识步骤，选择异步电机的任意两相作为两个测试相，并向两个测试相的绕组注入直流信号执行一次单相直流试验；试验时，调节所注入的直流信号的试验电流值，并采集不同试验电流值时一个测试相的相电流值以及对应的相电压值，得到相电流值、相电压值构成的多个数据点；根据采集得到的多个数据点进行曲线拟合，得到相电流值与相电压值之间的拟合关系曲线，由拟合关系曲线的斜率辨识得到定子电阻Rs的值。本发明具有辨识过程简单、辨识结果精度高且辨识误差小的优点。
Description
技术领域
本发明涉及异步电机参数辨识技术领域，尤其涉及一种异步电机参数离线辨识方法。
背景技术
在异步电机高性能的控制方式(如无速度传感器矢量控制)中需要已知电机的定、转子电阻和漏感以及互感等电机参数。而上述电机参数一般只有电机厂家才能提供，而且电机出厂时并不直接提供这些参数，而是需要另外从电机厂家获得，因而实际中要直接获得电机参数较为困难，例如对于一些改造项目，电机可能是旧电机，已经无法从厂家直接获得相关电机参数。电机参数辨识的相关技术正是基于上述问题形成的，以提供一种方便和快捷的方式来获得电机的相关参数，其通常主要分为在线辨识和离线辨识两种方式。其中，在线辨识是在电机运行过程中同时进行参数辨识，这种方式精度高，但相应技术难度也高，通常应用在一些对电机参数精度要求极高的场合；离线辨识则是在电机静止的情况下，通过对电机注入一些相关的电压、电流进行辨识电机参数，这类方法相对简单，且辨识出的电机参数精度较高，能够满足大部分应用场合的电机控制要求。
在异步电机参数的离线辨识中，目前通常都是基于电机的等效电路进行计算，各类方法也仅是在等效电路的选择、针对逆变器死区和集肤效应的处理、数据的处理方法、计算方法及公式等存在差别。定子电阻辨识较为常用的一种简单的方法即是通过直流伏安法测定，但这类方法中由于在低电压情况下逆变器死区及集肤效应对重构电压的精确度影响较大，同时各个数据点可能存在的测量误差。为了减小测量误差，目前主要采用两点法、多次测量求平均值的方法、或电压补偿方法等，但其中两点法测量数据点有限，不能有效减小测量误差；多次测量求平均值的方法操作过程复杂，需要进行多次辨识操作，甚至需要多次起动逆变器，且由于无法排除测量中存在误差较大的数据点以及错误的数据点，因而在实际应用中其辨识结果存在较大的误差，辨识精度不高；电压补偿的方法则需要进行电压补偿，其辨识过程及算法复杂，对系统的采样装置及处理器要求较高，不利于进行实际应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种实现方法简单、辨识精度高且误差低的异步电机参数离线辨识方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种异步电机参数离线辨识方法，所述方法包括定子电阻辨识步骤，所述定子电阻辨识步骤包括：
选择异步电机的任意两相作为两个测试相，并向两个所述测试相的绕组注入直流信号执行一次单相直流试验；
试验时，调节所注入的直流信号的试验电流值，并采集不同试验电流值时一个测试相的相电流值以及对应的相电压值，得到相电流值、相电压值构成的多个数据点；
根据采集得到的多个数据点进行曲线拟合，得到相电流值与相电压值之间的拟合关系曲线，由所述拟合关系曲线的斜率辨识得到定子电阻Rs的值。
作为本发明的进一步改进：所述定子电阻辨识步骤中试验电流值具体是从零开始向电机额定电流值大小调节。
作为本发明的进一步改进，所述方法还包括互感与转子电阻辨识步骤，具体步骤为：
选择异步电机的任意两相作为两个测试相，并向两个所述测试相的绕组注入两次不同频率的单相交流电执行两次单相交流试验；
每次试验时，调节异步电机的相电流大小，并在相电流达到稳定时检测测试相的相电压以及相电流；
根据两次试验时检测到的相电压、相电流以及所注入的单相交流电中电压与电流之间的相位差分别计算第一等效电路中阻抗虚部，所述第一等效电路为根据异步电机T型等效电路并忽略转子漏感得到的等效电路；
根据两次计算得到的阻抗虚部的值计算互感Lm、转子电阻Rr。
作为本发明的进一步改进，所述检测测试相的相电压以及相电流的具体步骤为：
在相电流达到稳定时，采集多个周期内测试相的相电压以及相电流的瞬时值；
对采集得到的相电压以及相电流的瞬时值进行傅里叶分析，计算得到对应的相电压有效值、相电流有效值输出。
作为本发明的进一步改进，所述计算第一等效电路中阻抗虚部的公式为：
其中，Zm为试验时第一等效电路中阻抗虚部，Ua为试验时检测到的加在异步电机指定测试相A绕组两端的相电压有效值，Ia为试验时检测到的指定测试相A的相电流有效值，θ为所注入的单相交流电中电压与电流之间的相位差，ω＝2*pi*f为所注入的单相交流电对应的角频率，Lsl为定子漏感；
所述计算互感Lm、转子电阻Rr的公式分别为：
其中，Zm1,Zm2分别为两次试验计算得到的阻抗虚部，ω1、ω2分别为两次试验时所注入的单相交流电对应的角频率。
作为本发明的进一步改进，所述互感与转子电阻辨识步骤中两次试验时注入的单相交流电的频率为大于且接近电机转差频率，或为小于电机转差频率。
作为本发明的进一步改进，所述方法还包括漏感辨识，具体步骤为：
选择异步电机的任意两相作为测试相，并向所述测试相的绕组注入单相交流电执行一次单相交流试验；
试验时，调节异步电机的相电流大小，并在所述相电流稳定时检测测试相的绕组两端电压值、相电流值；
根据检测到的绕组两端电压值、相电流值以及第二等效电路计算定子漏感Lsl、转子漏感Lrl，所述第二等效电路为将异步电机的T型等效电路的互感回路等效为开路得到的等效电路。
作为本发明的进一步改进，所述漏感辨识步骤中检测测试相两端的绕组两端电压值、相电流值的具体步骤为：在相电流达到稳定后，采集多个周期内两个测试相的绕组两端电压、相电流的瞬时值；对采集得到的绕组两端电压、相电流的瞬时值进行傅里叶分析，得到绕组两端电压有效值、相电流有效值以及所注入的单相交流电中电压与电流之间的相位差。
作为本发明的进一步改进，所述漏感辨识步骤中计算定子漏感Lsl、转子漏感Lrl的公式为：
其中，f为试验时所注入的单相交流电的频率，2*pi*f为试验时所注入的单相交流电对应的角频率，Ia为试验时检测到的指定测试相A的相电流有效值，Uab为试验时检测到的加在异步电机指定测试两相A、B的绕组两端电压有效值，θ为所注入的单相交流电中电压与电流之间的相位差。
作为本发明的进一步改进：所述漏感辨识步骤中注入的单相交流电的频率为与电机额定频率相同的频率或与电机额定频率相接近的频率。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1)本发明通过对异步电机任意两相执行一次单相直流试验，由试验过程中检测的电流、电压信号进行曲线拟合数据分析便可辨识得到电机定子电阻，辨识方法简单，只需要一次起动逆变器，不需要考虑死区效应及集肤效应，也不需要进行电压补偿，且通过曲线拟合的方式能够有效排除所有误差较大数据和错误数据，因而辨识精度高、辨识误差小。
2)本发明进一步的通过对异步电机任意两相执行一次单相交流试验，由试验过程中检测到的电流、电压信号进行数据分析即可辨识得到定子、转子漏感，辨识方法简单，且不需要考虑死区效应及集肤效应，也不需要进行电压补偿；且辨识过程中电压、电流幅值及相位采用傅里叶分析，可以进一步的降低对逆变器电流采样装置的采样频率及处理器数据传输频率的要求；
3)本发明进一步的通过对异步电机任意两相执行两次单相交流试验，由两次试验过程中检测到的电流、电压信号进行数据分析即可同时辨识得到互感以及转子电阻，能够有效简化辨识转子电阻的辨识过程，且在辨识过程中利用阻抗的虚部进行数据分析，而避免使用阻抗的实部进行分析，降低了对电压、电流相位差的精度要求；且辨识过程中电压、电流幅值及相位采用傅里叶分析，可以进一步的降低对逆变器电流采样装置的采样频率及处理器数据传输频率的要求。
附图说明
图1是本实施例异步电机参数离线辨识方法中定子电阻辨识的实现流程示意图。
图2是本发明具体实施例中定子电阻辨识时的曲线拟合结果示意图。
图3是本实施例中漏感辨识的实现流程示意图。
图4是异步电机的T型等效电路结构示意图。
图5是本实施例中试验两相之间的第一等效电路的结构示意图。
图6是本实施例中互感和转子电阻辨识的实现流程示意图。
图7是本实施例互感辨识中第二等效电路的结构示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
本实施例中异步电机处于静止状态，逆变器输出接电机的接线方式不变，数据分析过程中使用逆变器用于控制的调制电压所重构的电压，逆变器的调制电压根据直流电压进行重构，且该重构电压不需要考虑集肤效应及死区补偿，不需要逆变器额外增加电压采样装置或设备采集电压；此外逆变器输出电流采样时利用逆变器自带的至少一相的电流采样实现，也不需要另外增加电流采样设备采集电流。
1、定子电阻辨识
如图1所示，本实施例异步电机参数离线辨识方法，该方法包括定子电阻辨识步骤，定子电阻辨识步骤包括：
选择异步电机的任意两相作为两个测试相，并向两个测试相的绕组注入直流信号执行一次单相直流试验；
试验时，在预设范围内调节所注入的直流信号的试验电流值，并采集不同试验电流值时一个测试相的相电流值以及对应的相电压值，得到相电流值、相电压值构成的多个数据点；
根据采集得到的多个数据点进行曲线拟合，得到相电流值与相电压值之间的拟合关系曲线，由拟合关系曲线的斜率辨识得到定子电阻Rs的值。
采用上述方法只需要通过变频器对电机任意两相绕组注入单相直流信号，并对检测回来的电流信号进行数据分析便可辨识得到电机定子电阻，辨识方法简单，只需要一次起动逆变器，不需要考虑死区效应及集肤效应，也不需要进行电压补偿，通过曲线拟合的方式能够有效排除所有误差较大数据和错误数据，因而辨识精度高、辨识误差小。
本实施例定子电阻辨识的基本原理为直流伏安法，即往电机任意两相中注入一个直流信号，在已知电机某一相直流电压Ua、电流Ia的情况下可以根据以下公式(1)计算定子电阻值Rs。
本实施例中，定子电阻辨识步骤中试验电流值具体是从零开始向电机额定电流值大小调节，或者从零开始向电机额定电流范围内的一个较大值调节。通过逆变器向电机任意两相绕组注入直流电流信号，注入的电流从零开始增加到电机额定电流或电机额定电流范围内的一个较大值，通过逆变器控制器或其他控制软件采集并记录电流增加范围内多个数据点的电流值及对应该电流值的电压值。采集的数据点个数具体可根据电机额定电流大小、控制器电流采样及数据处理能力设定。
考虑到低电压情况下，逆变器死区及集肤效应对重构电压的精确度影响较大，且各数据点可能存在的测量误差影响，本实施例采用曲线拟合的方式将各数据点进行拟合，得到相电压与相电流之间的拟合关系曲线，由拟合关系曲线的斜率辨识得到定子电阻Rs。如图2所示，根据实际电压电流曲线拟合一条新的曲线，其中横轴为电机相电流，纵轴为电机相电压，通过曲线拟合能够很好的排除误差较大的数据点，拟合关系曲线的斜率即为电机定子电阻Rs。
2、定、转子漏感辨识
如图3所示，该辨识方法还包括漏感辨识，具体步骤为：
选择异步电机的任意两相作为测试相，并向测试相的绕组注入单相交流电执行一次单相交流试验；
试验时，调节异步电机的相电流大小，并在相电流稳定时检测测试相的绕组两端电压值、相电流值；
根据检测到的绕组两端电压值、相电流值以及第二等效电路计算定子漏感Lsl、转子漏感Lrl，第二等效电路为将异步电机的T型等效电路的互感回路等效为开路得到的等效电路。
如图4所示为异步电机T型等效电路，在电机任意两相(本实施例取A、B两相示意)注入频率较高的交流信号时，互感回路可以相当于开路，则可得到如图5所示的第二等效电路。如图5所示，第二等效电路中Uab为逆变器加在电机A绕组的相电压有效值(或峰值)；Rr为转子电阻；Uab为逆变器加在电机AB绕组两端的电压有效值(或峰值)；Rsa、Rra、Rsb、Rrb分别为A相定子电阻、A相转子电阻、B相定子电阻、B相转子电阻；Lsla、Lrla、Lslb、Lrlb分别为A相定子漏感、A相转子漏感、B相定子漏感、B相转子漏感。
本实施例中，漏感辨识步骤中检测测试相两端的绕组两端电压值、相电流值的具体步骤为：在相电流达到稳定后，采集多个周期内两个测试相的绕组两端电压、相电流的瞬时值；对采集得到的绕组两端电压、相电流的瞬时值进行傅里叶分析，得到绕组两端电压有效值、相电流有效值以及所注入的单相交流电中电压与电流之间的相位差。采用傅里叶分析获得漏感辨识过程中的电压、电流幅值以及相位，能够有效降低对逆变器电流采样装置的采样频率以及处理器数据传输频率的要求。
本实施例中，漏感辨识步骤中计算定子漏感Lsl、转子漏感Lrl的公式为：
其中，f为试验时所注入的单相交流电的频率，2*pi*f为试验时所注入的单相交流电对应的角频率，Ia为试验时检测到的指定测试相A的相电流有效值，Uab为试验时检测到的加在异步电机指定测试两相A、B的绕组两端电压有效值，θ为所注入的单相交流电中电压与电流之间的相位差θ。
采用上述漏感辨识方法，仅需要通过变频器对电机任意两相绕组注入单相交流信号，由检测的电流信号进行数据分析便可辨识得到定子漏感Lsl、转子漏感Lrl，辨识方法简单，且辨识过程中不需要考虑死区效应及集肤效应，也不需要进行电压补偿。
本实施例漏感辨识过程具体为：
首先通过逆变器往电机A、B相注入频率单相交流电，注入的单相交流电的频率可以是电机额定频率，也可以是额定频率附近或都额定频率范围内的其它频率点，且频率不能太低；通过调节逆变器输出电压调节电机相电流大小接近电机额定电流；
待相电流稳定后，通过逆变器控制器或相关软件记录一个周期或都多个周期的电压、电流值瞬时值；其中稳定电流的大小要求相对较大，可选择电机额定电流或接近额定电流大小，电压、电流采样瞬时值的具体采样点数可根据实际控制器性能和精度要求设定；
再对采样的电压、电流数据进行傅里叶分析，计算得到A、B的绕组两端电压有效值Uab、A相电流有效值Ia、注入的单相交流电中电压与电流之间的相位差θ。
最后将值Uab、Ia、θ代入式(2)中便可辨识得到定、转子漏感Lsl、Lrl。
3、互感及转子电阻辨识
如图6所示，本实施辨识方法还包括互感与转子电阻辨识步骤，具体步骤为：
选择异步电机的任意两相作为两个测试相，并向两个测试相的绕组注入不同频率的单相交流电执行两次单相交流试验；
每次试验时，调节异步电机的相电流大小，并在相电流达到稳定时检测一个测试相的相电压以及相电流；
根据两次试验时检测到的相电压、相电流以及所注入的单相交流电中电压与电流之间的相位差分别计算第一等效电路中阻抗虚部，第一等效电路为根据异步电机T型等效电路并忽略转子漏感得到的等效电路；
根据两次计算得到的阻抗虚部的值计算互感Lm、转子电阻Rr。
本实施通过两次单相交流试验，能够将转子电阻与互感一同辨识出结果，在互感计算的同时能得到转子电阻辨识结果，辨识过程得到了简化，同时通过计算阻抗虚部而避免使用Cos(θ)，Cos(θ)表示电压或电流相位差的余弦函数，也就是使用等效电路中阻抗部分实部的情况。由于电机静止状态下往电机绕组中注入单相交流电流，此时为感性负载，电压与电流的相位差θ接近π/2，而当θ接近π/2时，对微小θ误差会导致很大的Cos(θ)值误差，而且这个误差值会随着后续的计算过程成倍数的放大，导致最后的计算结果可能完全不正确，因而本实施例使用阻抗虚部计算，能够减少辨识过程中Cos(θ)所造成的误差。
根据如图4所示的异步电机T型等效电路可知，在电机任意两相注入频率较低的交流信号时，互感回路不能相当于开路，本实施例忽略转子漏感得到如图7所示的第一等效电路，通过忽略转子漏感，有效的简化了计算过程，同时对计算精度并无明显影响。
本实施例中，检测测试相的相电压以及相电流的具体步骤为：
在相电流达到稳定时，采集多个周期内测试相的相电压以及相电流的瞬时值；
对采集得到的相电压以及相电流的瞬时值进行傅里叶分析，计算得到对应的相电压有效值、相电流有效值输出。采用傅里叶分析获互感、转子电阻辨识过程中的电压、电流幅值以及相位，能够进一步降低对逆变器电流采样装置的采样频率以及处理器数据传输频率的要求。
根据图7所示的第一等效电路可按式(3)计算阻抗的虚部(即阻抗的电抗部分)；
其中，Zm为试验时第一等效电路中阻抗虚部，ω＝2*pi*f为所注入的单相交流电对应的角频率，Lm为互感、Rr为转子电阻。
第一等效电路中阻抗虚部还可以根据试验时检测到的电压、电流值以及注入单相交流电的相位差计算得到，计算公式如式(4)所示；
其中，Zm为试验时第一等效电路中阻抗虚部，Ua为试验时检测到的加在异步电机指定测试相A绕组两端的相电压有效值，Ia为试验时检测到的指定测试相A的相电流有效值，θ为所注入的单相交流电中电压与电流之间的相位差，ω＝2*pi*f为所注入的单相交流电对应的角频率，Lsl为定子漏感。
由于公式(4)中的所有量均可以通过试验测得，则可以通过公式(4)计算出阻抗的虚部Zm，再与上述辨识得出的漏感Lsl作为公式(3)中的已知量，从而使得公式(3)中只有Lm和两个未知量，通过两次注入不同频率的单相交流试验通过公式(4)可计算得到两个不同的虚部Zm1和虚部Zm2，则根据虚部Zm1和虚部Zm2由公式(3)可建立两个方程组，由两个方程组消去即可求出互感Lm，由计算出的互感Lm即可直接计算得出转子电阻Rr。
计算互感Lm、转子电阻Rr的公式为：
其中，Zm1,Zm2分别为两次试验计算得到的阻抗虚部，ω1、ω2分别为两次试验时所注入的单相交流电对应的角频率。
本实施例互感的辨识过前逆变器需要做死区补偿，且该死区补偿适用于逆变器参数辨识与正常工作的全过程；互感辨识时两次注入的交流信号频率要尽可能低，频率可选择接近或低于电机转差频率，两次注入交流的幅值没有一致要求。
本实施例互感辨识时采用注入交流分量，可以不注入直流分量，在互感辨识时电流的控制可采用调节逆变器输出电压的U/F控制即可，不需要电流闭环PI控制，也不需要为参数辨识设计其他的电压或电流控制算法。
上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。
Claims (9)
1.一种异步电机参数离线辨识方法，所述方法包括定子电阻辨识步骤，其特征在于，所述定子电阻辨识步骤包括：
选择异步电机的任意两相作为两个测试相，并向两个所述测试相的绕组注入直流信号执行一次单相直流试验；
试验时，调节所注入的直流信号的试验电流值，并采集不同试验电流值时一个测试相的相电流值以及对应的相电压值，得到相电流值、相电压值构成的多个数据点；
根据采集得到的多个数据点进行曲线拟合，得到相电流值与相电压值之间的拟合关系曲线，由所述拟合关系曲线的斜率辨识得到定子电阻Rs的值；
所述方法还包括漏感辨识，具体步骤为：
选择异步电机的任意两相作为测试相，并向所述测试相的绕组注入单相交流电执行一次单相交流试验；
试验时，调节异步电机的相电流大小，并在所述相电流稳定时检测测试相的绕组两端电压值、相电流值；
根据检测到的绕组两端电压值、相电流值以及第二等效电路计算定子漏感Lsl、转子漏感Lrl，所述第二等效电路为将异步电机的T型等效电路的互感回路等效为开路得到的等效电路。
2.根据权利要求1所述的异步电机参数离线辨识方法，其特征在于：所述定子电阻辨识步骤中试验电流值具体是从零开始向电机额定电流值大小调节。
3.根据权利要求1或2所述的异步电机参数离线辨识方法，其特征在于，所述方法还包括互感与转子电阻辨识步骤，具体步骤为：
选择异步电机的任意两相作为两个测试相，并向两个所述测试相的绕组注入两次不同频率的单相交流电执行两次单相交流试验；
每次试验时，调节异步电机的相电流大小，并在相电流达到稳定时检测测试相的相电压以及相电流；
根据两次试验时检测到的相电压、相电流以及所注入的单相交流电中电压与电流之间的相位差分别计算第一等效电路中阻抗虚部，所述第一等效电路为根据异步电机T型等效电路并忽略转子漏感得到的等效电路；
根据两次计算得到的阻抗虚部的值计算互感Lm、转子电阻Rr。
4.根据权利要求3所述的异步电机参数离线辨识方法，其特征在于，所述检测测试相的相电压以及相电流的具体步骤为：
在相电流达到稳定时，采集多个周期内测试相的相电压以及相电流的瞬时值；
对采集得到的相电压以及相电流的瞬时值进行傅里叶分析，计算得到对应的相电压有效值、相电流有效值输出。
5.根据权利要求4所述的异步电机参数离线辨识方法，其特征在于，所述计算第一等效电路中阻抗虚部的公式为：
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其中，Zm为试验时第一等效电路中阻抗虚部，Ua为试验时检测到的加在异步电机指定测试相A绕组两端的相电压有效值，Ia为试验时检测到的指定测试相A的相电流有效值，θ为所注入的单相交流电中电压与电流之间的相位差，ω＝2*pi*f为所注入的单相交流电对应的角频率，pi即为π，f为所注入的单相交流电对应的频率，Lsl为定子漏感；
所述计算互感Lm、转子电阻Rr的公式分别为：
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其中，Zm1,Zm2分别为两次试验计算得到的阻抗虚部，ω1、ω2分别为两次试验时所注入的单相交流电对应的角频率。
6.根据权利要求5所述的异步电机参数离线辨识方法，其特征在于：所述互感与转子电阻辨识步骤中两次试验时注入的单相交流电的频率为大于且接近电机转差频率，或为小于电机转差频率。
7.根据权利要求1所述的异步电机参数离线辨识方法，其特征在于，所述漏感辨识步骤中检测测试相两端的绕组两端电压值、相电流值的具体步骤为：在相电流达到稳定后，采集多个周期内两个测试相的绕组两端电压、相电流的瞬时值；对采集得到的绕组两端电压、相电流的瞬时值进行傅里叶分析，得到绕组两端电压有效值、相电流有效值以及所注入的单相交流电中电压与电流之间的相位差。
8.根据权利要求7所述的异步电机参数离线辨识方法，其特征在于，所述漏感辨识步骤中计算定子漏感Lsl、转子漏感Lrl的公式为：
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其中，f为试验时所注入的单相交流电的频率，2*pi*f为试验时所注入的单相交流电对应的角频率，Ia为试验时检测到的指定测试相A的相电流有效值，Uab为试验时检测到的加在异步电机指定测试两相A、B的绕组两端电压有效值，θ为所注入的单相交流电中电压与电流之间的相位差。
9.根据权利要求7或8所述的异步电机参数离线辨识方法，其特征在于：所述漏感辨识步骤中注入的单相交流电的频率为与电机额定频率相同的频率或与电机额定频率相接近的频率。
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