CN106452257A - 一种异步电机转子时间常数静态辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种异步电机转子时间常数静态辨识方法，在电机绕组中注入直流偏置叠加交流形式的电流，采样稳定的电流和对应的电压数据，对数据进行快速傅里叶分解，得到电机的总漏感和转子时间常数，实现了转子时间常数的直接辨识。本发明可有效抑制开关器件导通压降、延时和死区效应等非线性特性的影响，辨识结果的准确度高，利于发挥异步电机矢量控制的性能。进行参数辨识时，电机始终处于静止状态，能适用于较多的应用场合。此外，辨识过程中，计算方法比较简单，且可通过调整1个周期信号采样数据的个数，有效减少计算量。

Description

一种异步电机转子时间常数静态辨识方法

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，具体涉及异步电机参数的测量方法，特别是一种异步电机转子时间常数静态辨识方法。

背景技术

由于具有较高的速度精确性和快速的扭矩响应，异步电机的矢量控制技术广泛应用在许多工业领域中。参数辨识是实现异步电机矢量控制的关键技术。例如，异步电机采用直接矢量控制时，需要根据电机参数辨识转子磁链幅值、相位和转差频率；采用间接矢量控制时，需要利用参数计算转差频率。如果电机参数辨识不准，将导致磁场定向不准，影响控制系统的静态和动态特性。

其中异步电机的转子时间常数T_r是异步电机矢量控制的一个重要参数，其直接影响磁场定向的准确性，如果转子时间常数的辨识结果存在较大偏差，电机实际物理变量之间将无法实现完全的解耦控制，导致实际的转子磁链大于(小于)给定值，容易出现磁饱和，增大铁心损耗和温升(铁心利用率不足)。此外，电机转矩的实际值会与给定值不同(可能大于或小于)，导致转速出现波动，系统稳态和动态性能下降，甚至无法工作。

因此，转子时间常数的准确辨识，是保证异步电机矢量控制系统性能的关键条件。转子时间常数辨识的方法有很多种，可分为直接辨识和间接辨识，或者静态辨识和动态辨识。按照传统电机学的参数辨识方法，一般通过单相交流法实验获取转子电阻和定转子漏感，通过空载旋转实验获取励磁电感和空载励磁电流，再根据转子电阻、转子漏感和励磁电感计算得到转子时间常数，属于间接辨识，也属于静态和动态结合辨识。

人们对转子时间常数辨识进行了深入的研究，取得了大量成果。总体而言，采用在线辨识的方案中，电机处于运动状态，此时常运用模型参考自适应律、线性或非线性最小二乘法等方法直接得到转子时间常数，算法复杂，计算量较大。采用离线辨识的方案中，有的通过信号激励，辨识全部的电机参数，间接计算转子时间常数；有的通过数学计算方法直接根据响应信号计算转子时间常数。离线辨识方案中，可分为动态和静态辨识。在许多应用场合中，不允许电机在参数辨识阶段就开始运动，限制了动态辨识方法的应用范围。而采用静态辨识时，辨识结果的准确度往往不足。

发明内容

针对如何在采用离线、静态的辨识方法时，提高转子时间常数辨识结果的准确度的问题，本发明提供一种异步电机转子时间常数静态辨识方法，在电机绕组中注入直流偏置叠加交流形式的电流，采样稳定的电流和对应的电压数据，对数据进行快速傅里叶分解，得到电机的总漏感和转子时间常数，实现了转子时间常数的直接辨识。

本发明所采用的技术方案具体包括以下步骤：

步骤1，通过直流伏安法、LCR电桥测量或模型参考自适应方法获取定子电阻R_s的值；

步骤2，分别在t₁时间段和t₃时间段向电机中注入直流偏置叠加交流形式的电流，t₁和t₃的时间间隔为t₂；其中t₁时间段注入的电流i_sa1＝i_dc+i_ac1，t₃时间段注入的电流i_sa2＝i_dc+i_ac2；i_dc为直流偏置，i_ac1、i_ac2分别为t₁时间段和t₃时间段注入电流的交流分量的基波，两者幅值相同，频率(f₁，f₂)不同；

步骤3，分别采集t₁时间段和t₃时间段电机进入稳态后的电压和电流数据；

步骤4，对步骤3中采集到的电压电流数据进行快速傅里叶(FFT)变换，分别得到t₁时间段和t₃时间段对应的相电压幅值U₁、U₂、相电流幅值I₁、I₂及电压和电流的相位差相位θ₁、θ₂；

步骤5，通过下式

计算得到转子时间常数T_r；

其中，U、I、f、θ可分别取值为U₁、I₁、f₁和θ₁，也可分别取值为U₂、I₂、f₂和θ₂。

L_s'为电机总漏感，计算方法为，

作为优选，所述步骤3具体包括以下子步骤：

步骤301，采集某一个周期内的电流的最大值I_max、最小值I_min，并计算平均值I_av；

步骤302，通过下式

分别计算实际电流与理想电流之间平均值、最大值、最小值的差值的绝对值E₁、E₂、E₃，同时判断E₁、E₂、E₃是否均处于允许误差范围内并采集下一个周期内的电流的最大值I_max、最小值I_min，并计算平均值I_av；

步骤303，重复进行步骤302，若连续若干个周期得到的E₁、E₂、E₃均处于允许误差范围内则证明电流完全进入稳态，否则跳转至步骤301，重新进行电流稳态判断；

步骤304，保留稳态电流最后一个周期的电流数据并结束稳态判断。

作为优选，步骤304中所述稳态电流最后一个周期的电流数据为采样数据，采样点数不小于128。

作为优选，步骤3中，如果在判断的过程中，耗时时间超过了预设值，则证明系统出现超时故障，停止参数辨识；所述耗时时间与预设值均采用交流信号的周期数替代。

作为优选，所述i_ac2的频率f₂为i_ac1的频率f₁的若干倍。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明采用上述技术方案，可有效抑制开关器件导通压降、延时和死区效应等非线性特性的影响，辨识结果的准确度高，利于发挥异步电机矢量控制的性能。进行参数辨识时，电机始终处于静止状态，能适用于较多的应用场合。此外，辨识过程中，计算方法比较简单，且可通过调整1个周期信号采样数据的个数N，有效减少计算量。

附图说明

图1为电机相电流波形；

图2为常见的电机电流；

图3为判断电压电流数据进入稳态方法的流程图；

图4为异步电机的等效电路；

图5为计算T_r的步骤；

图6为转子时间常数辨识时的电机控制系统结构；

图7为电机接线图。

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的具体实施方式做详细的说明。

本发明提供一种异步电机转子时间常数静态辨识方法，包括以下步骤：

1)获取定子电阻R_s的值，该值可以通过前期测量或专门的辨识环节得到。具体的测量方法可以是直流伏安法、LCR电桥测量或模型参考自适应方法等；

2)注入直流偏置叠加交流形式的电流。

此时电机电流为波形为如图1所示。其中，i_sa1和i_sa2分别是A相电流波形，i_ac1和i_ac2分别是交流分量的基波，i_dc是直流偏置。其中，直流偏置i_dc的数值允许接近电机额定电流；i_ac1和i_ac2的频率分别为f₁、f₂。其中f₁可选取为1个较小的数值，该值随着电机功率的增大而减小；f₂则可为f₁的若干倍。t₁，t₂，t₃中，t₁，t₃可由交流分量的周期数确定，t₂为固定的时间。

3)判断电流是否进入稳态。

辨识T_r时需要分析电压和电流的相位差，但其前提是电压和电流均已经是正弦稳态信号。实际的电压和电流在进入稳态前有一个动态调整的过程。判断该过程是否结束，即电压和电流开始或已经进入稳态，是一个关键问题。考虑到辨识时，电流的常见波形如图2所示，可通过“在稳态周期时间内采样数据，判断均值(中心值)是否为0或者直流偏置(容许一定误差)”的方法实现。具体的方法如图3所示。其中，误差lim1和lim2可人为设定；稳态周期的个数StaNum在本方法中为3，具体数据也可人为设定；超时时间可用交流信号的周期数进行替代。

图3中，判断电流进入稳态的依据是1个周期的电流的平均值、最大值和最小值均在给定的(绝对值)误差范围内。具体实施时，可在数据采样的中断服务程序中同步寻找最大值、最小值，同时对采样数据值进行累加，得到平均值。当平均值、最大值和最小值得到之后，计算E₁、E₂和E₃的具体值，并判断是否在误差范围(lim1和lim2)以内。如果是，则电流进入稳态，电压亦然。当连续StaNum个周期的电压和电流均为稳态时，则认为数据完全进入稳态。此外，如果在判断的过程中，耗时时间超过了给定值，则系统出现超时故障，需要停止参数辨识。

4)获取电流和对应电压的稳态数据。

当判断出电压和电流进入稳态之后，保留StaNum个周期中最后1个周期的电压和电流数据。数据采样点数不宜太小，一般取值不小于128，本文中取值为256。

5)分别对电压和电流数据进行FFT分析。

通过FFT分析，分别得到2个电压和2个电流的幅值、相位。为适应不同的采样点数，可自行设计具体的FFT模块。

6)计算转子时间常数T_r。

在介绍具体的计算T_r的过程之前，先说明计算依据。异步电机T型和反Γ型等效电路如图4所示，后者的电路参数可用前者的电路参数表示，

其中带上标“’”的符号属于反Γ型等效电路，L'_s称为总漏感。

根据反Γ型等效电路，当电机相电流的基波分量滞后相电压基波分量的角度为θ时，可得，

其中U，I分别为基波相电压和相电流的幅值，f为基波相电流的频率。由可知，转子时间常数T_r可表示为，

可见，计算转子时间常数T_r需先得到定子电阻R_s和总漏感L'_s，后者可通过对电机注入频率不同的两次交流电流得到。如果基波相电流的频率分别为f₁和f₂，则可进一步计算得到总漏感。

考虑电机的三相对称性，在辨识过程中，电流可从任意一相(如A相)流入，并从另外两相(B，C相)同时流出，此时电机处于静止状态。此外，为抑制开关管的非线性特性及其对相电压、相电流波形造成的影响，在保留交流信号的基础上，施加数值为电机额定电流有效值大小的直流分量。

可见，为了计算T_r，需要先确定U₁、U₂、I₁、I₂、θ₁和θ₂，其中θ₁和θ₂是分别根据步骤(5)中得到的2电压和2个电流的相位确定的。

因此，可得到计算T_r的具体步骤，过程如图5所示。

需注意的是，实际测试时，电机控制系统的结构如图6所示。此时，给定α轴电流，且电机实际α轴电流通过采样和Clarke变换得到，两者的偏差通过PI环节整定得到α轴电压U_α。令β轴电压U_β＝0，以U_α和U_β作为输入变量，系统通过SVPWM得到控制开关管通断的脉冲信号，则可使α轴电流跟随给定值，且β轴电流等于0。

采用幅值不变的原则进行坐标变换，α轴与A相电压和电流的关系为，

辨识时，电机接线图如图7所示。此时电机处于不对称运行状态，采用对称分量法分析电压、电流并结合可知，为得到i_ac1和i_ac2与对应电压之间的角度差θ₁，θ₂，并不需要得到A电机A相电流和电压的数据，而只需U_α和I_α的数据。

说明书中未阐述的部分均为现有技术或公知常识。本实施例仅用于说明该发明，而不用于限制本发明的范围，本领域技术人员对于本发明所做的等价置换等修改均认为是落入该发明权利要求书所保护范围内。

Claims (5)

1.一种异步电机转子时间常数静态辨识方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1，通过直流伏安法、LCR电桥测量或模型参考自适应方法获取定子电阻R_s的值；

步骤2，分别在t₁时间段和t₃时间段向电机中注入直流偏置叠加交流形式的电流，t₁和t₃的时间间隔为t₂；其中t₁时间段注入的电流i_sa1＝i_dc+i_ac1，t₃时间段注入的电流i_sa2＝i_dc+i_ac2；i_dc为直流偏置，i_ac1、i_ac2分别为t₁时间段和t₃时间段注入电流的交流分量的基波，两者幅值相同，频率不同；

步骤3，分别采集t₁时间段和t₃时间段电机进入稳态后的电压和电流数据；

步骤4，对步骤3中采集到的电压电流数据进行快速傅里叶(FFT)变换，分别得到t₁时间段和t₃时间段的相电压幅值U₁、U₂，相电流的幅值I₁、I₂，以及电压和电流的相位差θ₁、θ₂；

步骤5，通过下式

$T_r=\frac{L_r}{R_r}=\frac{\frac{U}{I}cos\mathrm{\θ}-R_s}{2\mathrm{\π}f(\frac{U}{I}sin\mathrm{\θ}-2{{\mathrm{\πfL}}_s}^{\′})}$

计算得到转子时间常数T_r；

其中，U、I、f、θ分别取值为t₁时间段电机的相电压U₁、相电流I₁、频率f₁及相位差θ₁或者分别取值为t₃时间段电机的相电压U₂、相电流I₂、频率f₂及相位差θ₂；

L_s'为电机总漏感，其计算方法为，

$L_s^{\′}=\frac{f_2\frac{U_2{\mathrm{sin\θ}}_2}{I_2}(\frac{U_1{\mathrm{cos\θ}}_1}{I_1}-R_s)-f_1\frac{U_1{\mathrm{sin\θ}}_1}{I_1}(\frac{U_2{\mathrm{cos\θ}}_2}{I_2}-R_s)}{2\mathrm{\π}\[f_2^2(\frac{U_1{\mathrm{cos\θ}}_1}{I_1}-R_s)-f_1^2(\frac{U_2{\mathrm{cos\θ}}_2}{I_2}-R_s)\]}.$

2.根据权利要求1所述的一种异步电机转子时间常数静态辨识方法，其特征在于：所述步骤3具体包括以下子步骤：

步骤301，采集某一个周期内的电流的最大值I_max、最小值I_min，并计算平均值I_av；

步骤302，通过下式

$\left\{\begin{array}{c}{E}_1=ABS\left(I_{av}-i_{dc}\right)\\ E_2=ABS\left(I_{\max }-\left(i_{dc}+i_{ac}\right)\right)\\ E_3=ABS\left(I_{\min }-\left(i_{dc}-i_{ac}\right)\right)\end{array}\right.$

分别计算实际电流与理想电流之间平均值、最大值、最小值的差值的绝对值E₁、E₂、E₃，同时判断E₁、E₂、E₃是否均处于允许误差范围内，并采集下一个周期内的电流的最大值I_max、最小值I_min，并计算平均值I_av；

步骤303，重复进行步骤302，若连续若干个周期得到的E₁、E₂、E₃均处于允许误差范围内则证明电流完全进入稳态，否则跳转至步骤301，重新进行电流稳态判断；

步骤304，保留稳态电流最后一个周期的电流数据并结束稳态判断。

3.根据权利要求2所述的一种异步电机转子时间常数静态辨识方法，其特征在于：步骤304中所述稳态电流最后一个周期的电流数据为采样数据，采样点数不小于128。

4.根据权利要求2所述的一种异步电机转子时间常数静态辨识方法，其特征在于：步骤3中，如果在判断的过程中，耗时时间超过了预设值，则证明系统出现超时故障，停止参数辨识；所述耗时时间与预设值均采用交流信号的周期数替代。

5.根据权利要求1所述的一种异步电机转子时间常数静态辨识方法，其特征在于：所述i_ac2的频率f₂为i_ac1的频率f₁的若干倍。