CN105227022B - 基于改进无功功率模型的异步电机转子时间常数在线辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于改进无功功率模型的异步电机转子时间常数在线辨识方法，该发明在传统无功功率模型中引入经过限幅处理的电机定子频率的前馈，包括采样并经实际无功计算单元得到电机实际无功功率Q；经定子电感计算单元得到电机定子电感L_s；经过励磁控制器得到电机定子电流d轴分量参考值i_sdref；经理论无功计算单元得到电机理论无功功率Q_ref；经偏差计算单元得到电机无功功率偏差ΔQ；经限幅单元得到前馈值ω_Q；经比例积分控制器得到转子时间常数T_r的修正量ΔT_r；经算术运算单元得到转子时间常数T_r。该发明可直接应用于电机四象限运行场合，并使得无功功率模型中比例积分控制器参数易于整定，同时在电机高、低速可以获得相近的转子时间常数收敛动态过程。

Description

基于改进无功功率模型的异步电机转子时间常数在线辨识 方法

技术领域

本发明涉及电机控制领域，具体涉及到基于改进无功功率模型的异步电机转子时间常数在线辨识方法。

背景技术

异步电机间接矢量控制因其简单可靠，响应速度快等优点在工业中应用广泛。在间接磁场定向中，转子时间常数是一个关键参数，如果定向控制用转子时间常数和电机真实值不一致，将会导致电机磁场定向不准，电机定子电流磁链分量和转矩分量出现耦合等问题。在电机运行过程中，励磁和温度的变化都会使得转子时间常数不断变化，转子时间常数中随着电机励磁改变而不断变化的转子电感可以通过离线标定后在线调整，而受温度影响的转子电阻难以直接获取。

针对这一问题，多个学者做了相关研究，如题为“基于参数在线校正的电动汽车异步电机间接矢量控制”，张杰，柴建云，孙旭东，陆海峰，电工技术学报，2014年第29卷第7期90-96页的文章：该文提出稳态转子磁链观测器观测转子磁链，利用转子磁链q轴分量理论上应为0来辨识转子时间常数，但是该方案需要计算磁链且辨识结果依赖定子电阻。

题为“Model reference adaptive controller-based rotor resistance andspeed estimation techniques for vector controlled induction motor driveutilizing reactive power”，Suman M，Chandan C，Yoichi H，《IEEE Transactions onIndustrial electronics》，2008.55(2):594-601(“感应电机矢量控制中基于无功功率模型参考自适应算法的转子电阻和转速辨识方法”，《IEEE学报-工业电子期刊》，2008年第55卷第2期594-601页)和题为“一种基于无功功率的异步电机矢量控制转子磁场准确定向方法”，陆海峰，瞿文龙，张磊，陈伟，中国电机工程学报，2005年第25卷第16期116-120页的文章，分别提出电机总无功功率模型和励磁支路无功功率模型来校正磁场定向，但两种方法均只考虑电机运行于电机正转电动状态，未考虑电机四象限运行场合，同时对于电机高、低速的转子时间常数收敛动态过程并未充分关注。

综上所述，现有的技术主要存在如下的不足：

1、利用转子磁链q轴分量理论值为0来辨识转子时间常数的方法需要计算转子磁链，且辨识结果受电机定子电阻影响；

2、基于传统无功功率模型的转子时间常数辨识方法，未考虑电机四象限运行场合，且电机高、低速的转子时间常数收敛动态过程相差较大。

发明内容

本发明的目的是针对现有基于无功功率模型的转子时间常数辨识方法存在的问题，提供一种基于改进无功功率模型的异步电机转子时间常数在线辨识方法。

本发明主要是通过以下技术方案实现：

一种基于改进无功功率模型的异步电机转子时间常数在线辨识方法，包括基本的异步电机间接矢量控制，其步骤如下：

步骤1：采集电机定子电流d轴分量i_sd、q轴分量i_sq和电机定子电压d轴分量u_sd、q轴分量u_sq，经过实际无功计算单元得到电机实际无功功率Q；

步骤2：根据步骤1中得到的电机定子电流d轴分量i_sd，经过定子电感计算单元得到电机定子电感L_s；

步骤3：采样电机转速n_r，经过励磁控制器得到电机定子电流d轴分量参考值i_sdref；

步骤4：采集电机定子频率ω_e，电机定子电流q轴分量参考值i_sqref，电机漏磁系数σ，并根据步骤2中得到的电机定子电感L_s，步骤3中得到的电机定子电流d轴分量参考值i_sdref，经过理论无功计算单元得到电机理论无功功率Q_ref；

步骤5：根据步骤1中得到的电机实际无功功率Q和步骤4中得到的电机理论无功功率Q_ref，经过偏差计算单元得到电机无功功率偏差ΔQ；

步骤6：根据步骤4得到的电机定子频率ω_e，经过限幅单元得到前馈值ω_Q；

步骤7：根据步骤5中得到的电机无功功率偏差ΔQ和步骤6中得到的前馈值ω_Q，经过比例积分控制器得到转子时间常数T_r的修正量ΔT_r；

步骤8：采集转子时间常数的初始值T_rini，并根据步骤7中得到的转子时间常数T_r的修正量ΔT_r，经过算术运算单元得到转子时间常数T_r。

优选的，步骤1中所述的电机定子电压d轴分量u_sd、q轴分量u_sq为电机间接矢量控制电流环比例积分控制器输出值。

优选的，步骤1中所述的实际无功计算单元的表达式为：

Q＝u_sqi_sd-u_sdi_sq。

优选的，步骤2中所述的定子电感计算单元是根据电机定子电流d轴分量i_sd和离线辨识得到的电机定子电感曲线L_s＝f(i_sd)计算得到对应的电机定子电感L_s。

优选的，步骤3中所述的励磁控制器根据电机转速n_r设置电机定子电流d轴分量参考值i_sdref，即当电机转速n_r小于基速n_rn时保持电机定子电流d轴分量参考值i_sdref不变，其取值为电机额定励磁电流i_sdn；当电机转速n_r大于电机基速n_rn时采取弱磁控制。

优选的，步骤4中所述的理论无功计算单元的表达式为：

其中σ为电机漏磁系数，通过电机离线辨识获得。

优选的，步骤5中所述的偏差计算单元的表达式为：

ΔQ＝Q_ref-Q。

优选的，步骤6中所述的限幅单元的表达式为：

其中ω_c为截止频率，截止频率ω_c的取值范围为电机额定频率的5％-15％。

优选的，步骤7中所述的转子时间常数T_r的修正量ΔT_r的计算表达式为：

其中k_p、k_i分别为比例系数和积分系数，s为拉普拉斯算子。

优选的，步骤8中所述的算术运算单元表达式为：

T_r＝ΔT_r+T_rini，

其中T_rini为转子时间常数的初始值，通过电机离线辨识获得。

本发明相对于现有技术的有益效果是：

采用本发明后，在保持传统无功功率模型优点的基础上，该方案具有了如下优点：

1、定子频率的引入使得该方案可直接应用于电机四象限运行场合；

2、定子频率的引入同时相当于对无功偏差进行标幺化处理，这使得无功功率模型中比例积分控制器参数易于整定，同时在电机高、低速可以获得相近的转子时间常数收敛动态过程。

附图说明

图1为本发明执行的流程图；

图2为励磁控制器；

图3为本发明提供的基于改进无功功率的异步电机转子时间常数在线辨识方法的控制框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步详细的描述：

参见图1，本发明的实施过程如下：

步骤1：采集电机定子电流d轴分量i_sd、q轴分量i_sq和电机定子电压d轴分量u_sd、q轴分量u_sq，经过实际无功计算单元得到电机实际无功Q，其中：

电机定子电流d轴分量i_sd、q轴分量i_sq是电机间接矢量控制系统建立电流闭环控制所需的电机反馈电流，通过采样电机定子三相电流经过同步坐标变换得到；

电机定子电压d轴分量u_sd、q轴分量u_sq为电机间接矢量控制电流环比例积分控制器输出值；

实际无功计算单元的表达式为：

Q＝u_sqi_sd-u_sdi_sq。

步骤2：根据步骤1中得到的电机定子电流d轴分量i_sd，经过定子电感计算单元得到电机定子电感L_s，其中

定子电感计算单元是根据电机定子电流d轴分量i_sd和离线辨识得到的电机定子电感曲线L_s＝f(i_sd)计算得到对应的电机定子电感L_s。

步骤3：采样电机转速n_r，经过励磁控制器得到电机定子电流d轴分量参考值i_sdref，其中

励磁控制器根据电机转速n_r设置电机定子电流d轴分量参考值i_sdref：当电机转速n_r小于基速n_rn时保持电机定子电流d轴分量参考值i_sdref不变，取值为电机额定励磁电流i_sdn，当电机转速n_r大于电机基速n_rn时采取弱磁控制，如附图2所示。

步骤4：采集电机定子频率ω_e，电机定子电流q轴分量参考值i_sqref，电机漏磁系数σ，并根据步骤2中得到的电机定子电感值L_s，步骤3中得到的电机定子电流d轴分量参考值i_sdref，经过理论无功计算单元得到电机理论无功Q_ref，其中：

电机定子频率ω_e为辨识出来的转子时间常数T_r经过间接磁场定向计算后的电机定子频率；

理论无功计算单元的表达式为：

其中漏磁系数L_m为电机定子电感，L_r为电机转子电感，均通过电机离线辨识获得，当一台异步电机制造完成后，漏磁系数σ也随之确定，在电机运行中基本保持不变，因此该参数通过离线辨识计算获得后内置在电机控制程序中。

步骤5：根据步骤1中得到的电机实际无功Q和步骤4中得到的电机理论无功Q_ref，经过偏差计算单元得到电机无功偏差ΔQ，其中

偏差计算单元的表达式为：

ΔQ＝Q_ref-Q。

步骤6：根据步骤4得到的电机定子频率ω_e，经过限幅单元得到前馈值ω_Q，其中

限幅单元的表达式为：

其中ω_c为截止频率，

前馈值ω_Q的可以消除电机无功偏差ΔQ的定子频率极性信息，使的该方法可以直接适用于电机四象限运行场合，

当电机定子频率ω_e较低时，ω_e相对变化较大，为了提高系统抗干扰性，对ω_e设置截止频率ω_c，ω_c的取值范围为电机额定频率的5％-15％。本实施例中，ω_c取值为10％。

步骤7：根据步骤5中得到的电机无功偏差ΔQ和步骤6中得到的前馈值ω_Q，经过比例积分控制器得到转子时间常数T_r的修正量ΔT_r，其中：

转子时间常数T_r的修正量ΔT_r的计算表达式为：

其中k_p、k_i分别为比例和积分系数，s为拉普拉斯算子。

将前馈值ω_Q置于分母处相当于对电机无功偏差进行标幺化处理，这使得比例系数k_p和积分系数k_i容易整定，同时在电机高、低速可以获得相近的转子时间常数T_r收敛的动态过程。

步骤8：采集转子时间常数的初始值T_rini并根据步骤7中得到的转子时间常数T_r的修正量ΔT_r，经过算术运算单元得到转子时间常数T_r，其中：

算术运算单元表达式为：

T_r＝ΔT_r+T_rini，

其中T_rini为转子时间常数的初始值，通过电机离线辨识获得。

Claims (9)

1.一种基于改进无功功率模型的异步电机转子时间常数在线辨识方法，包括基本的异步电机间接矢量控制，其特征在于主要步骤如下：

步骤1：采集电机定子电流d轴分量i_sd、q轴分量i_sq和电机定子电压d轴分量u_sd、q轴分量u_sq，经过实际无功计算单元得到电机实际无功功率Q；

步骤2：根据步骤1中得到的电机定子电流d轴分量i_sd，经过定子电感计算单元得到电机定子电感L_s；

步骤3：采样电机转速n_r，经过励磁控制器得到电机定子电流d轴分量参考值i_sdref；

步骤4：采集电机定子频率ω_e，电机定子电流q轴分量参考值i_sqref，电机漏磁系数σ，并根据步骤2中得到的电机定子电感L_s，步骤3中得到的电机定子电流d轴分量参考值i_sdref，经过理论无功计算单元得到电机理论无功功率Q_ref；

步骤5：根据步骤1中得到的电机实际无功功率Q和步骤4中得到的电机理论无功功率Q_ref，经过偏差计算单元得到电机无功功率偏差ΔQ；

步骤6：根据步骤4得到的电机定子频率ω_e，经过限幅单元得到前馈值ω_Q；

所述的限幅单元的表达式为：

其中ω_c为截止频率，截止频率ω_c的取值范围为电机额定频率的5％-15％；

步骤7：根据步骤5中得到的电机无功功率偏差ΔQ和步骤6中得到的前馈值ω_Q，经过比例积分控制器得到转子时间常数T_r的修正量ΔT_r；

步骤8：采集转子时间常数的初始值T_rini，并根据步骤7中得到的转子时间常数T_r的修正量ΔT_r，经过算术运算单元得到转子时间常数T_r。

2.根据权利要求书1所述的基于改进无功功率模型的异步电机转子时间常数在线辨识方法，其特征是步骤1中所述的电机定子电压d轴分量u_sd、q轴分量u_sq为电机间接矢量控制电流环比例积分控制器输出值。

3.根据权利要求书1所述的基于改进无功功率模型的异步电机转子时间常数在线辨识方法，其特征是步骤1中所述的实际无功计算单元的表达式为：

Q＝u_sqi_sd-u_sdi_sq。

4.根据权利要求书1所述的基于改进无功功率模型的异步电机转子时间常数在线辨识方法，其特征是步骤2中所述的定子电感计算单元是根据电机定子电流d轴分量i_sd和离线辨识得到的电机定子电感曲线L_s＝f(i_sd)计算得到对应的电机定子电感L_s。

5.根据权利要求书1所述的基于改进无功功率模型的异步电机转子时间常数在线辨识方法，其特征是步骤3中所述的励磁控制器根据电机转速n_r设置电机定子电流d轴分量参考值i_sdref，即当电机转速n_r小于基速n_rn时保持电机定子电流d轴分量参考值i_sdref不变，其取值为电机额定励磁电流i_sdn；当电机转速n_r大于电机基速n_rn时采取弱磁控制。

6.根据权利要求书1所述的基于改进无功功率模型的异步电机转子时间常数在线辨识方法，其特征是步骤4中所述的理论无功计算单元的表达式为：

其中σ为电机漏磁系数，通过电机离线辨识获得。

7.根据权利要求书1所述的基于改进无功功率模型的异步电机转子时间常数在线辨识方法，其特征是步骤5中所述的偏差计算单元的表达式为：

ΔQ＝Q_ref-Q。

8.根据权利要求书1所述的基于改进无功功率模型的异步电机转子时间常数在线辨识方法，其特征是步骤7中所述的转子时间常数T_r的修正量ΔT_r的计算表达式为：

其中k_p、k_i分别为比例系数和积分系数，s为拉普拉斯算子。

9.根据权利要求书1所述的基于改进无功功率模型的异步电机转子时间常数在线辨识方法，其特征是步骤8中所述的算术运算单元表达式为：

T_r＝ΔT_r+T_rini，

其中T_rini为转子时间常数的初始值，通过电机离线辨识获得。