CN106712621B - 一种辨识感应电机定子电阻的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于辨识感应电机定子电阻的方法及实现此方法的装置。对于运行中的感应电机，根据感应电机的定子电压与定子电流，采用所述的感应电机的全阶磁链观测器对此感应电机的定子电流和转子磁链计算出估算值；根据所述的感应电机的定子电流实际值和定子电流估算值，以及转子磁链估算值，准确计算出所述感应电机的转子转速和定子电阻。

Description

一种辨识感应电机定子电阻的装置及方法

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种辨识感应电机定子电阻的装置及方法。

背景技术

感应电机的矢量控制技术因其控制性能好，易于实现，在工业领域中得到广泛应用。

无速度传感器矢量控制技术由于不需要在感应电机上安装额外的速度传感器就可以准确获得电机转子的速度，避免了因安装速度传感器而带来的高成本和高故障风险，得到了迅速发展。对于无速度传感器矢量控制技术，建立感应电机模型所需的感应电机参数对于矢量控制的性能指标有着决定性的影响。这些参数包括定子电阻、转子电阻、定子漏感、转子漏感、互感和空载励磁电流等。在实际运行中，定子电阻会因电机温升、电机运行频率变化而出现变化，这会给感应电机模型带来非常大的误差，严重降低矢量控制的性能。

发明内容

针对现有技术的问题，本发明提出一种辨识感应电机定子电阻的装置及方法，利用该装置和方法能够准确地获取感应电机的参数。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种辨识感应电机定子电阻的装置，包括：

信号采集模块，用于实时采集感应电机定子电压和定子电流的实际值；

全阶磁链观测器，用于根据信号采集模块采集到的定子电压和定子电流实际值来估计所述感应电机定子电流的估算值、转子磁链的估算值；

辨识模块，用于根据全阶磁链观测器获取的定子电流估算值、转子磁链估算值，信号采集模块获取的定子电流的实际值，来计算电机转子转速的估算值，以及感应电机定子电阻值；

所述辨识模块实现感应电机定子电阻值的计算所采用的计算公式为：

其中，是感应电机定子电流估算值的同步旋转MT坐标系下M轴和T轴分量；ε_m、ε_t是感应电机定子电流实际值与估算值的差值在同步旋转MT坐标系下M轴和T轴分量；T_r为感应电机的转子时间常数，为漏磁系数，L_m为感应电机定子转子的互感，L_r为感应电机的转子电感，L_s为感应电机的定子电感；ω₁是感应电机的同步角频率，是全阶磁链观测器及辨识模块估算出的感应电机转子角频率；K_p和K_i是辨识感应电机定子电阻的调节系数。

一种辨识感应电机定子电阻的方法，包括以下步骤：

步骤1，同时采集感应电机定子上的输入电压和定子电流实际值信号；

步骤2，根据所述的感应电机定子电压实际值和定子电流实际值，利用所述感应电机的全阶磁链观测器获取所述感应电机定子电流的估算值和转子磁链的估算值；

步骤3，根据所述感应电机定子电流的估算值和转子磁链的估算值，以及所述感应电机定子电流的实际值，得到所述感应电机转子角频率的估算值；

步骤4，利用所述感应电机转子角频率的估算值，以及所述感应电机定子电流的实际值、感应电机定子电流的估算值计算得到所述感应电机的定子电阻值。

本发明的有益效果是：采用本发明装置及方法辨识得到的感应电机定子电阻值与其实际值之间的误差能够控制在0.5％以内；估算的感应电机转子磁链与实际转子磁链的误差低于0.02％；辨识得到的感应电机转子转速与实际的转子转速误差低于0.5％。满足无速度传感器矢量控制系统高精度控制的需求。

附图说明

图1是感应电机定子电阻辨识装置结构示意；

图2是感应电机定子电阻变化为150％时定子电阻辨识仿真结果；

图3(a)是感应电机定子电阻变化为150％时转子磁链辨识仿真结果；

图3(b)是感应电机定子电阻变化为150％时转子转速辨识仿真结果；

图4是感应电机定子电阻变化为50％时定子电阻辨识仿真结果；

图5(a)是感应电机定子电阻变化为50％时转子磁链辨识仿真结果；

图5(b)是感应电机定子电阻变化为50％时转子转速辨识仿真结果；

图6是感应电机定子电阻为初始值时定子电阻辨识仿真结果；

图7(a)是感应电机定子电阻为初始值时转子磁链辨识仿真结果；

图7(b)是感应电机定子电阻为初始值时转子转速辨识仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

图1为实现感应电机定子电阻辨识的装置的示意图。其中圆形结构为信号采集模块，将感应电机定子上实时的电压信号和电流信号采集并保存；虚短线内部分为全阶磁链观测器，以信号采集模块采集的感应电机定子上的电压信号和电流信号实际值来获取所述感应电机定子电流的估算值、转子磁链的估算值；点线结构内为辨识模块，根据全阶磁链观测器输出的感应电机定子电流的估算值、转子磁链的估算值，以及感应电机定子电流的实际值，计算得到感应电机转子转速的估算值和感应电机定子电阻的估算值。

在同步旋转MT坐标系下，感应电机可由下式状态空间方程表示：

其中，是微分算子，X＝[Ψ_sm,Ψ_st,Ψ_rm,Ψ_rt]^T，Ψ_sm和Ψ_st是感应电机定子磁链的同步旋转MT坐标系下M轴、T轴分量，Ψ_rm和Ψ_rt是感应电机转子磁链的同步旋转MT坐标系下M轴、T轴分量。

u_s＝[u_sm,u_st]^T，u_sm和u_st是感应电机定子电压的同步旋转MT坐标系下M轴、T轴分量。

i_s＝[i_sm,i_st]^T，i_sm和i_st是感应电机定子电流的同步旋转MT坐标系下M轴和T轴分量。

状态矩阵 C＝[c₁I c₂I]。

a_i11＝-ω₁，a_i12＝0，a_i21＝0，a_i22＝-(ω₁-ω_r)，

R_s为感应电机定子电阻，L_s和L_r为感应电机定子电感和转子电感，L_m为感应电机定子与转子的互感值，T_r为感应电机的转子时间常数，为漏磁系数。

根据式(1)所述的感应电机状态空间方程，可以构造出以式(2)表示的感应电机的全阶磁链观测器，如图1所示。

上式中，是X的估算值，是感应电机定子电流的估算值，是状态矩阵A的估算值，为全阶磁链观测器的反馈增益矩阵，其中的元素g₁、g₂、g₃、g₄的值由具体系统的实际要求来具体设计。

可根据稳定性原理得到感应电机转子角频率自适应律(3)：

其中K_i1为角频率自适应律的系数，为感应电机定子电流实际值与

定子电流估算值的差值，为感应电机转子磁链Ψ_r的转置，计算得到感

应电机转子角频率估算值后，可换算得到感应电机转子速度估算值。

可以将(3)式修正为式(4)以提高转速辨识的响应速度：

其中K_p1和K_i1是辨识感应电机转子角频率时的调节系数，可根据实际系统的情况进行调整，分别为i_sm、i_st的估算值。

同样从(2)式依据稳定性原理可以得到感应电机定子电阻自适应律：

由式(4)得到感应电机转子角频率的估算值后，与转子角频率的给定值ω_{r_ref}做运算得到定子电流同步旋转MT坐标系下T轴分量的给定值i_{t_ref}：

其中K_p2和K_i2是根据感应电机转子角频率误差计算定子电流同步旋转MT坐标系下T轴分量的给定值i_{t_ref}的调节系数，可根据实际系统的情况进行调整。

得到的定子电流同步旋转MT坐标系下T轴分量的给定值i_{t_ref}，与定子电流同步旋转MT坐标系下M轴分量的给定值i_{m_ref}，和感应电机转子转速估算值经过运算得到转换角度θ和同步角频率ω₁。

那么，感应电机定子电阻的辨识值可以由下式表示：

其中，是感应电机定子电流估算值的同步旋转MT坐标系下M轴和T轴分量；ε_m、ε_t是感应电机定子电流实际值与估算值的差值ε_is在同步旋转MT坐标系下M轴和T轴分量；K_p3和K_i3是辨识感应电机定子电阻时的调节系数，可根据实际系统的情况进行调整。

以7.5kW电机为控制对象，其定子电阻初始值为0.65797Ω。图2～3是一个实施例的仿真结果：设定运行频率为2Hz，对应为60rpm；施加额定负载转矩，假定感应电机的定子电阻实际值R_{s_real}变化为初始值的150％时，图2是稳态下定子电阻辨识装置辨识出的感应电机定子电阻值R_{s_id}。图3(a)是此时感应电机转子磁链的实际值Ψ_r-real与全阶磁链观测器的估算值Ψ_r-est，以及3(b)，此时感应电机转子的实际转速n_real和全阶磁链观测器的转速估算值n_est。

图4～5是一个实施例的仿真结果：设定运行频率为2Hz，施加额定负载转矩，假定感应电机的定子电阻实际值变化为初始值的50％时，图4是稳态下定子电阻辨识装置辨识出的感应电机定子电阻值R_{s_id}。图5(a)是此时感应电机转子磁链的实际值Ψ_r-real与全阶磁链观测器的估算值Ψ_r-est，以及5(b)，此时感应电机转子的实际转速n_real和全阶磁链观测器的转速估算值n_est。

图6～7是一个实施例的仿真结果：设定运行频率为2Hz，施加额定负载转矩，假定感应电机的定子电阻实际值与初始值一致时，图6是稳态下定子电阻辨识装置辨识出的感应电机定子电阻值R_{s_id}。图7(a)是此时感应电机转子磁链的实际值Ψ_r-real与全阶磁链观测器的估算值Ψ_r-est，以及7(b)，此时感应电机转子的实际转速n_real和全阶磁链观测器的转速估算值n_est。

从上述三种情况的结果可以看出，采用本发明方法方法辨识得到的感应电机定子电阻值与其实际值之间的误差能够控制在0.5％以内；估算的感应电机转子磁链与实际转子磁链的误差低于0.02％；辨识得到的感应电机转子转速与实际的转子转速误差低于0.5％。满足无速度传感器矢量控制系统高精度控制的需求。

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 (4)

1.一种辨识感应电机定子电阻的装置，其特征在于，包括：

信号采集模块，用于实时采集感应电机定子电压和定子电流的实际值；

全阶磁链观测器，用于根据信号采集模块采集到的定子电压和定子电流实际值来估计所述感应电机定子电流的估算值、转子磁链的估算值；

辨识模块，用于根据全阶磁链观测器获取的定子电流估算值、转子磁链估算值，信号采集模块获取的定子电流的实际值，来计算电机转子转速的估算值，以及感应电机定子电阻值；

所述辨识模块实现感应电机定子电阻值的计算所采用的计算公式为：

其中，是感应电机定子电流估算值的同步旋转MT坐标系下M轴和T轴分量；ε_m、ε_t是感应电机定子电流实际值与估算值的差值在同步旋转MT坐标系下M轴和T轴分量；T_r为感应电机的转子时间常数，为漏磁系数，L_m为感应电机定子转子的互感，L_r为感应电机的转子电感，L_s为感应电机的定子电感；ω₁是感应电机的同步角频率，是全阶磁链观测器及辨识模块估算出的感应电机转子角频率；K_p和K_i是辨识感应电机定子电阻的调节系数。

2.采用权利要求1所述装置的一种辨识感应电机定子电阻的方法，其特征在于：

该方法包括以下步骤：

步骤1，同时采集感应电机定子上的输入电压和定子电流实际值信号；

步骤2，根据所述的感应电机定子电压实际值和定子电流实际值，利用所述感应电机的全阶磁链观测器获取所述感应电机定子电流的估算值和转子磁链的估算值；

步骤3，根据所述感应电机定子电流的估算值和转子磁链的估算值，以及所述感应电机定子电流的实际值，得到所述感应电机转子角频率的估算值；

步骤4，利用所述感应电机转子角频率的估算值，以及所述感应电机定子电流的实际值、感应电机定子电流的估算值计算得到所述感应电机的定子电阻值。

3.根据权利要求2所述的一种辨识感应电机定子电阻的方法，其特征在于：

所述步骤2中，计算感应电机定子电流的估算值和转子磁链的估算值的公式为：

其中，是微分算子，X＝[Ψ_sm,Ψ_st,Ψ_rm,Ψ_rt]^T，Ψ_sm和Ψ_st是感应电机定子磁链的同步旋转MT坐标系下M轴、T轴分量，Ψ_rm和Ψ_rt是感应电机转子磁链的同步旋转MT坐标系下M轴、T轴分量，是X的估算值，是感应电机定子电流的估算值，是状态矩阵A的估算值，为全阶磁链观测器的反馈增益矩阵，其中的元素g₁、g₂、g₃、g₄的值由具体系统的实际要求来具体设计，

4.根据权利要求3所述的一种辨识感应电机定子电阻的方法，其特征在于：

所述步骤3中，计算感应电机转子角频率的估算值的公式为：

其中K_p1和K_i1是辨识感应电机转子角频率时的调节系数，ε_is是感应电机定子电流实际值与感应电机定子电流估算值的差值，是感应电机转子磁链Ψ_r的转置，分别为感应电机定子电流实际值在同步旋转MT坐标系下M轴、T轴的分量i_sm、i_st的估算值，分别为Ψ_rt、Ψ_rm的估算值。