CN106452253A - 电机d轴电感离线辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及空调技术。本发明是要解决现有空调中需要采用EEPROM存储电机d轴电感参数的问题，提供了一种电机d轴电感离线辨识方法，其技术方案可概括为：首先控制电机转子转动到固定坐标轴α轴的方向，然后控制逆变器选择U相上桥臂IGBT控制端输入PWM波，当流入U相的相电流稳定后，采样此时流入电机U相的电流值，再关闭PWM波输出，等待直至当前U相的相电流为0后，再重新输入PWM波，当流入U相的相电流稳定之前，采样此时流入电机U相的电流值及对应的采样时间，然后根据所采样的流入电机U相的电流值及对应的采样时间计算本次d轴电感值。本发明的有益效果是，不再需要EEPROM存储电机d轴电感，适用于电机。

Description

电机d轴电感离线辨识方法

技术领域

本发明涉及空调技术，特别涉及空调电机d轴电感离线辨识的技术。

背景技术

传统的空调中的变频电机控制技术，需要电机厂家提供d轴电感等参数，这是由电机控制模型决定的，其中r为电机的相电阻，L_d、L_q分别为电机d轴电感及q轴电感，K_E为电机反电动势常数，ω为电机当前运行角速度，V_d、V_q分别为电机d轴电压及q轴电压，I_d、I_q分别为电机d轴电流及q轴电流。当需要对大量的不同电机进行控制时，常常把电机参数存储在类似EEPROM中，保留控制程序不变，能够解决对不同压缩机等电机的控制，但这一方法存在如下技术问题：一是需要EEPROM，增加硬件成本，二是，当用户的变频空调出现问题，需要维修时，如果此时采用新的控制电路或者新的控制软件进行替换原来的控制板时，可能并不知道电机的具体参数，无法快速实现对电机控制电路及控制软件的替代。

发明内容

本发明的目的是要解决目前空调中需要采用EEPROM存储电机d轴电感参数的问题，提供了一种电机d轴电感离线辨识方法。

本发明解决其技术问题，采用的技术方案是，电机d轴电感离线辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、控制电机转子转动到固定坐标轴α轴的方向；

步骤2、控制逆变器选择U相上桥臂IGBT控制端输入PWM波，令其在一个PWM周期中，先令该上桥臂导通，在该上桥臂导通时，其余上桥臂关断，电流从直流母线电压经过该上桥臂IGBT流入电机对应的线圈，再从电机另外两相和其连接的下桥臂IGBT流出，在当前PWM波周期的剩余时间内，关断所有三路上桥臂IGBT，电流经过之前导通的上桥臂对应的下桥臂中的续流二极管流入对应的电机线圈，从电机另外两相和其连接的下桥臂IGBT流出，当流入U相的相电流稳定后，采样此时流入电机U相的电流值，得到稳定后采样获取的流入电机U相的电流值；

步骤3、关闭PWM波输出，等待一定时间直至当前U相的相电流为0后进入步骤4；

步骤4、控制逆变器选择U相上桥臂IGBT控制端输入PWM波，令其在一个PWM周期中，先令该上桥臂导通，在该上桥臂导通时，其余上桥臂关断，电流从直流母线电压经过该上桥臂IGBT流入电机对应的线圈，再从电机另外两相和其连接的下桥臂IGBT流出，在当前PWM波周期的剩余时间内，关断所有三路上桥臂IGBT，电流经过之前导通的上桥臂对应的下桥臂中的续流二极管流入对应的电机线圈，从电机另外两相和其连接的下桥臂IGBT流出，当流入U相的相电流稳定之前，采样此时流入电机U相的电流值及对应的采样时间；

步骤5、根据所采样的流入电机U相的电流值及对应的采样时间计算本次d轴电感值；

步骤6、判断是否已得到预设次数的d轴电感值，若是则根据预设次数d轴电感值计算得到d轴电感值，否则回到步骤3。

具体的，步骤1中，所述控制电机转子转动到固定坐标轴α轴的方向的方法为：

步骤101、控制逆变器选择U相上桥臂IGBT控制端输入PWM波，令其在一个PWM周期中，先令该上桥臂导通，在该上桥臂导通时，其余上桥臂关断，电流从直流母线电压经过该上桥臂IGBT流入电机对应的线圈，再从电机另外两相和其连接的下桥臂IGBT流出，在当前PWM波周期的剩余时间内，关断所有三路上桥臂IGBT，电流经过之前导通的上桥臂对应的下桥臂中的续流二极管流入对应的电机线圈，从电机另外两相和其连接的下桥臂IGBT流出；

步骤102、判断当前电机转子是否转动到固定坐标轴α轴的方向，若是则进入步骤2，否则回到步骤101。

进一步的，所述PWM波的占空比由实验确定，能够保证流入电机U相的电流值从0变化至稳定值。

具体的，步骤5中，所述根据所采样的流入电机U相的电流值及对应的采样时间计算该周期中d轴电感值的计算公式为：

其中，L_d(i)为第i次d轴电感值，Iu(i)为第i次采样获取的流入电机U相的电流值，Iu_1为电机定位到α轴后电流稳定后采样获取的流入电机U相的电流值，t1(i)为Iu(i)的采样时间，即第i次采样时流入电机U相的电流值从0至Iu(i)的时间，r为电机的相电阻，i为自然数。

再进一步的，步骤6中，所述根据预设次数d轴电感值计算得到d轴电感值的计算公式为：

其中，n为预设次数，为自然数。

本发明的有益效果是，在本发明方案中，通过上述电机d轴电感离线辨识方法，可不再需要EEPROM存储电机d轴电感，缩小成本。

附图说明

图1为变频空调控制部分电路的电路示意图；

图2为本发明实施例中矢量V1(1,0,0)控制下的等效电路图；

图3为本发明实施例中d/q轴坐标系下，矢量合成示意图；

图4为本发明实施例中PWM波形示意图；

图5为本发明实施例中施加PWM波时流入电机U相的电流值随时间变化的示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。

本发明所述电机d轴电感离线辨识方法为：首先控制电机转子转动到固定坐标轴α轴的方向，然后控制逆变器选择U相上桥臂IGBT控制端输入PWM波，令其在一个PWM周期中，先令该上桥臂导通，在该上桥臂导通时，其余上桥臂关断，电流从直流母线电压经过该上桥臂IGBT流入电机对应的线圈，再从电机另外两相和其连接的下桥臂IGBT流出，在当前PWM波周期的剩余时间内，关断所有三路上桥臂IGBT，电流经过之前导通的上桥臂对应的下桥臂中的续流二极管流入对应的电机线圈，从电机另外两相和其连接的下桥臂IGBT流出，当流入U相的相电流稳定后，采样此时流入电机U相的电流值，得到稳定后采样获取的流入电机U相的电流值，再关闭PWM波输出，等待一定时间直至当前U相的相电流为0后，再控制逆变器选择U相上桥臂IGBT控制端输入PWM波，令其在一个PWM周期中，先令该上桥臂导通，在该上桥臂导通时，其余上桥臂关断，电流从直流母线电压经过该上桥臂IGBT流入电机对应的线圈，再从电机另外两相和其连接的下桥臂IGBT流出，在当前PWM波周期的剩余时间内，关断所有三路上桥臂IGBT，电流经过之前导通的上桥臂对应的下桥臂中的续流二极管流入对应的电机线圈，从电机另外两相和其连接的下桥臂IGBT流出，当流入U相的相电流稳定之前，采样此时流入电机U相的电流值及对应的采样时间，然后根据所采样的流入电机U相的电流值及对应的采样时间计算本次d轴电感值，再判断是否已得到预设次数的d轴电感值，若是则根据预设次数d轴电感值计算得到d轴电感值，否则回到关闭PWM波输出那一步。

实施例

本发明实施例的电机d轴电感离线辨识方法，其包括以下步骤：

步骤1、控制电机转子转动到固定坐标轴α轴的方向。

本步骤中，控制电机转子转动到固定坐标轴α轴的方向的方法可以为：

步骤101、控制逆变器选择U相上桥臂IGBT控制端输入PWM波，令其在一个PWM周期中，先令该上桥臂导通，在该上桥臂导通时，其余上桥臂关断，电流从直流母线电压经过该上桥臂IGBT流入电机对应的线圈，再从电机另外两相和其连接的下桥臂IGBT流出，在当前PWM波周期的剩余时间内，关断所有三路上桥臂IGBT，电流经过之前导通的上桥臂对应的下桥臂中的续流二极管流入对应的电机线圈，从电机另外两相和其连接的下桥臂IGBT流出；

步骤102、判断当前电机转子是否转动到固定坐标轴α轴的方向，若是则进入步骤2，否则回到步骤101。

步骤2、控制逆变器选择U相上桥臂IGBT控制端输入PWM波，令其在一个PWM周期中，先令该上桥臂导通，在该上桥臂导通时，其余上桥臂关断，电流从直流母线电压经过该上桥臂IGBT流入电机对应的线圈，再从电机另外两相和其连接的下桥臂IGBT流出，在当前PWM波周期的剩余时间内，关断所有三路上桥臂IGBT，电流经过之前导通的上桥臂对应的下桥臂中的续流二极管流入对应的电机线圈，从电机另外两相和其连接的下桥臂IGBT流出，当流入U相的相电流稳定后，采样此时流入电机U相的电流值，得到稳定后采样获取的流入电机U相的电流值。

步骤3、关闭PWM波输出，等待一定时间(如2秒)直至当前U相的相电流为0后进入步骤4。

步骤4、控制逆变器选择U相上桥臂IGBT控制端输入PWM波，令其在一个PWM周期中，先令该上桥臂导通，在该上桥臂导通时，其余上桥臂关断，电流从直流母线电压经过该上桥臂IGBT流入电机对应的线圈，再从电机另外两相和其连接的下桥臂IGBT流出，在当前PWM波周期的剩余时间内，关断所有三路上桥臂IGBT，电流经过之前导通的上桥臂对应的下桥臂中的续流二极管流入对应的电机线圈，从电机另外两相和其连接的下桥臂IGBT流出，当流入U相的相电流稳定之前，采样此时流入电机U相的电流值及对应的采样时间。

步骤5、根据所采样的流入电机U相的电流值及对应的采样时间计算本次d轴电感值。

本步骤中，根据所采样的流入电机U相的电流值及对应的采样时间计算该周期中d轴电感值的计算公式为：

其中，L_d(i)为第i次d轴电感值，Iu(i)为第i次采样获取的流入电机U相的电流值，Iu_1为电机定位到α轴后电流稳定后采样获取的流入电机U相的电流值，t1(i)为Iu(i)的采样时间，即第i次采样时流入电机U相的电流值从0至Iu(i)的时间，r为电机的相电阻，i为自然数。

步骤6、判断是否已得到预设次数的d轴电感值，若是则根据预设次数d轴电感值计算得到d轴电感值，否则回到步骤3。

本步骤中，所述根据预设次数d轴电感值计算得到d轴电感值的计算公式为：

其中，n为预设次数，为自然数。

本例中，PWM波的占空比由实验确定，能够保证流入电机U相的电流值从0变化至稳定值。其可采用如下方法：

令占空比从小到大变化，当检测的电流到一定数值时，PWM波占空比就不再变化，此时的PWM波占空比即为所需要的占空比。

具体说明如下：

如图1所示，为变频空调控制部分电路的电路示意图，其中，PMSM为电机，根据得知电机d轴电流按照指数函数规律变化。根据I_d随时间t变化关系,检测t1时刻的d轴电流，在已知电机相电阻r和d轴电压V_d，就可以获得电机d轴电感L_d。

进一步的，由电机d轴方程：

采用一系列PWM波，控制电机转子转动到固定坐标轴α轴方向，如图3所示，然后关闭PWM波，延迟一定时间后，让电机线圈电流逐渐变化到0，之后，微处理器控制PWM波，发出指向电机d轴方向的控制矢量，即图3所示的固定坐标轴α轴方向，控制电机转子不动，即电机转速ω＝0，则此时电机d轴方程为再检测此时电机d轴电流I_d和经过的时间t，根据计算电机d轴电感L_d。

在电机控制所需逆变器U相上桥臂IGBT控制端输入PWM波，U相IGBT对应的下桥臂控制PWM波由微处理器根据上下桥臂控制信号输出互补而确定，另外4只IGBT施加固定的高低电平对开关管进行开通或者关断，这样就等效为对电机施加有效矢量V1(1，0，0)和零矢量V2(0，0，0)两个电压矢量，当施加V1(1，0，0)时，U相IGBT导通，另外两只上桥臂V相和W相IGBT关断，由于微处理器输出的控制PWM波，采用三相互补的输出方式，在不考虑死区控制的条件下，当U相上桥臂为高电平时，U相IGBT对应的下桥臂为低电平，当U相上桥臂IGBT为低电平时，其对应的下桥臂为高电。当考虑死区控制的条件下，微处理器所输出的三相互补PWM波，上下桥臂仅相差相应的死区时间。当施加有效矢量V1(1，0，0)时，微处理器控制输出，使IGBT VT1导通，IGBT VT3和IGBT VT5截止。当施加零矢量V2(0，0，0)时，微处理器控制输出，使IGBT VT1截止，IGBT VT3和IGBT VT5也截止。

在图2所示等效电路中，在控制矢量V1(1,0,0)控制下，由于U相电流流入线圈，U相电流为Iu，假设电机三相参数一致，即Ru＝Rv＝Rw,Lu＝Lv＝Lw,由于Iv与Iw流出线圈，电流为负数，则Iv＝Iw＝-0.5Iu。Iu/Iv/Iw在d/q坐标系下如图3所示，图3中，α/β为固定直角坐标系，α与U相方向一致，d/q轴为旋转直角坐标系，u/v/w方向互差120°，也为固定坐标系。将Iu/Iv/Iw投影到d/q轴，可见Iq＝0，Id＝Iu-0.5(Iv+Iw)＝1.5Iu，微处理器发出的控制矢量与固定坐标轴α轴方向一致，控制电机转动到α轴方向，即电机转子逆时针转动γ°后与α轴方向重合，如图3所示。

当一系列占空比相同的控制矢量V1(1,0,0)与零矢量V2(0,0,0)交替作用，即矢量V1(1,0,0)与零矢量V2(0,0,0)作用时间相同，控制电机转子经过一定时间后转动到α轴方向，等待电流稳定后，通过图5所示电流采样单元采样此时流入电机U相的电流Iu_1，扩大1.5倍获得d轴电流目标值I_{d_1},即I_{d_1}＝1.5Iu_1。停止V1(1,0,0)与V2(0,0,0)矢量，此时电机方程为电机将按照方程放电。等待足够的时间如2秒后，让电机U相线圈电流逐渐变化到0，此时电机处于自由状态，电机转子方向仍然指向d轴。之后微处理器继续交替产生V1(1,0,0)矢量与V2(0,0,0)矢量，矢量作用时间和占空比与前面定位到α轴时相同，此时，同样的原理，由于控制矢量与d轴方向一致，电机转子不会发生转动，即电机角速度ω＝0，此时，电机d轴方程为：

获得电机d轴电流I_d和时间t的关系为：

即

其中r为电机的相电阻，即图2中Ru或者Rv或者Rw，L_d为电机d轴电感，V_d为电机d轴电压，I_d为电机d轴电流，Iu_1为电机定位到α轴后电流稳定后的目标值，t为时间。

微处理器继续产生占空比不变的PWM波，控制V1(1,0,0)矢量与V2(0,0,0)矢量的发生，通过图5所示电流采样单元检测U相电流Iu(i)与其对应的当前时间t1(i)，i为自然数，根据上式获得此时第i次采样的d轴电感值。

由：

得：

对一系列获得的L_d(i)进行数据处理，如采用平均值方法或者最小二乘法获得电机d轴电感L_d，当采用最简单的平均值方法时，i为自然数。

矢量V1(1,0,0)与矢量V2(0,0,0)的产生方法如下：

如图5所示，当采用三角波调制PWM占空比时，微处理器内部计数器TCNT从0加计数到三角波载波频率对应的最大计数值TC，当TCNT＝TC时，TCNT开始减计数，当TCNT减计数到0后，从0开始加计数，同时进入下一个计算控制周期，对应电机a相来说，微处理器根据用于产生三相PWM波占空比之Ta寄存器值，自动产生三相互补之PWM波，如图4所示，在TCNT从0加计数到三角波载波频率对应的最大计数值TC的过程中，当Ta寄存器值与TCNT相等时，Vta+从高电平跳变为低电平，Vta-延迟一个死区时间从低电平跳变到高电平；在TCNT从TC减计数到0的过程中，当Ta寄存器值与TCNT相等时，Vta-从高电平跳变为低电平，Vta+延迟一个死区时间从低电平跳变到高电平，TC对应的时间为PWM波周期T的一半，如图4所示。

当IGBT VT1输入PWM波如图5所示时，图5中，在不考虑考虑IGBT开通时间延时Ton和IGBT关断时间时间延时Toff时，实际施加IGBT VT1的PWM波为Vta+，施加IGBT VT2的PWM波为Vta-；当考虑IGBT开通时间延时Ton，IGBT关断时间时间延时Toff时，则施加IGBT VT1的PWM波为Vt1_1，实际到IGBT VT2的PWM波为Vt2_1，其中IGBT死区时间为Td。

在矢量V1(1,0,0)控制下，IGBT VT1导通，如果IGBT VT1导通时间为To，则在To时间内，IGBT VT1导通，IGBT VT3、IGBT VT4关断，同时，下桥臂IGBT VT2截止，IGBT VT4、IGBTVT6导通，在上桥臂IGBT VT1导通时间To内，电流从IGBT VT1流入，进入电机a相绕组,然后从b、c两相流出经IGBT VT4和IGBT VT6达到直流母线的地线一端，此状态下的等效电路如图2所示，图5中，R_a为a相电阻，La为a相电感，R_b为b相电阻，Lb为b相电感,R_c为c相电阻，Lc为c相电感，I_a、I_b、I_c、为电机a、b、c三相线圈流过的相电流。假设电机三相参数一致，则电流满足I_a＝-2I_b＝-2I_c关系(负号表示电流从电机线圈流出)，IGBT VT1、IGBT VT4、IGBT VT6为IGBT。在施加零矢量V2(0,0,0)，对IGBT VT1施加低电平的驱动信号，使上桥臂IGBT VT1关断时，如果关断时间为Tof，则在Tof时间内，由于电机内部线圈电感的续流作用，电流会保持原来流动的方向不变，这时电流会从与IGBT VT2并联的反向续流二极管D2中流过，提供电机a相线圈电流，在零矢量时间Tof内IGBT VT1、IGBT VT3、IGBT VT4关断，同时，下桥臂IGBT VT2截止，IGBT VT4、IGBT VT6导通，此状态下即施加零矢量状态下。

当占空比控制寄存器Ta值固定时，根据图5，能够产生占空比固定，矢量V1(1,0,0)与零矢量V2(0,0,0)作用时间固定的PWM波，用于使电机转子转动到α轴方向，同时检测并计算获得d轴电感。

Claims (5)

1.电机d轴电感离线辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、控制电机转子转动到固定坐标轴α轴的方向；

步骤2、控制逆变器选择U相上桥臂IGBT控制端输入PWM波，令其在一个PWM周期中，先令该上桥臂导通，在该上桥臂导通时，其余上桥臂关断，电流从直流母线电压经过该上桥臂IGBT流入电机对应的线圈，再从电机另外两相和其连接的下桥臂IGBT流出，在当前PWM波周期的剩余时间内，关断所有三路上桥臂IGBT，电流经过之前导通的上桥臂对应的下桥臂中的续流二极管流入对应的电机线圈，从电机另外两相和其连接的下桥臂IGBT流出，当流入U相的相电流稳定后，采样此时流入电机U相的电流值，得到稳定后采样获取的流入电机U相的电流值；

步骤3、关闭PWM波输出，等待一定时间直至当前U相的相电流为0后进入步骤4；

步骤4、控制逆变器选择U相上桥臂IGBT控制端输入PWM波，令其在一个PWM周期中，先令该上桥臂导通，在该上桥臂导通时，其余上桥臂关断，电流从直流母线电压经过该上桥臂IGBT流入电机对应的线圈，再从电机另外两相和其连接的下桥臂IGBT流出，在当前PWM波周期的剩余时间内，关断所有三路上桥臂IGBT，电流经过之前导通的上桥臂对应的下桥臂中的续流二极管流入对应的电机线圈，从电机另外两相和其连接的下桥臂IGBT流出，当流入U相的相电流稳定之前，采样此时流入电机U相的电流值及对应的采样时间；

步骤5、根据所采样的流入电机U相的电流值及对应的采样时间计算本次d轴电感值；

步骤6、判断是否已得到预设次数的d轴电感值，若是则根据预设次数d轴电感值计算得到d轴电感值，否则回到步骤3。

2.如权利要求1所述的电机d轴电感离线辨识方法，其特征在于，步骤1中，所述控制电机转子转动到固定坐标轴α轴的方向的方法为：

步骤101、控制逆变器选择U相上桥臂IGBT控制端输入PWM波，令其在一个PWM周期中，先令该上桥臂导通，在该上桥臂导通时，其余上桥臂关断，电流从直流母线电压经过该上桥臂IGBT流入电机对应的线圈，再从电机另外两相和其连接的下桥臂IGBT流出，在当前PWM波周期的剩余时间内，关断所有三路上桥臂IGBT，电流经过之前导通的上桥臂对应的下桥臂中的续流二极管流入对应的电机线圈，从电机另外两相和其连接的下桥臂IGBT流出；

步骤102、判断当前电机转子是否转动到固定坐标轴α轴的方向，若是则进入步骤2，否则回到步骤101。

3.如权利要求1所述的电机d轴电感离线辨识方法，其特征在于，所述PWM波的占空比由实验确定，能够保证流入电机U相的电流值从0变化至稳定值。

4.如权利要求1或2或3所述的电机d轴电感离线辨识方法，其特征在于，步骤5中，所述根据所采样的流入电机U相的电流值及对应的采样时间计算该周期中d轴电感值的计算公式为：

$L_d\left(i\right)=\frac{-rt1\left(i\right)}{ln(1-\frac{Iu\left(i\right)}{Iu\_1})}$

其中，L_d(i)为第i次d轴电感值，Iu(i)为第i次采样获取的流入电机U相的电流值，Iu_1为电机定位到α轴后电流稳定后采样获取的流入电机U相的电流值，t1(i)为Iu(i)的采样时间，即第i次采样时流入电机U相的电流值从0至Iu(i)的时间，r为电机的相电阻，i为自然数。

5.如权利要求4所述的电机d轴电感离线辨识方法，其特征在于，步骤6中，所述根据预设次数d轴电感值计算得到d轴电感值的计算公式为：

$L_d=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{L}_d\left(i\right)}{n}$

其中，n为预设次数，为自然数。