CN106953568B - 用于估计感应电机的参数的方法 - Google Patents

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Abstract

本公开内容涉及用于估计感应电机的参数的方法，并且更具体地涉及能够甚至在感应电机静止时通过在没有任何额外硬件的情况下利用感应电机的电压方程和信号处理技术来更准确地估计感应电机的参数的用于估计感应电机的参数的方法。

Description

用于估计感应电机的参数的方法
技术领域
本公开内容涉及用于估计感应电机的参数的方法，并且更具体地涉及能够甚至在感应电机静止时通过在没有任何额外硬件的情况下利用感应电机的电压方程和信号处理技术来更准确地估计感应电机的参数的用于估计感应电机的参数的方法。
背景技术
感应电机被广泛用于包括风扇、泵、起重机、电梯、工业洗衣机、伺服电机、等等的各种应用中。
存在许多用于驱动感应电机的方法，例如恒气隙磁通(V/f)控制、磁场定向控制(FOC)、直接转矩控制(DTC)、等等。为了使用这样的方法来改进感应电机的驱动性能，有必要获得感应电机的参数。
用于估计感应电机的参数的方法能够被大体划分成在感应电机正在旋转时估计参数的旋转估计样式和在感应电机静止时估计参数的静止估计样式。
取决于应用、逆变器的安装条件、或者感应电机的驱动方式，旋转估计样式不能够常常被使用，日益需要静止估计样式。
本公开内容的示例性实施例涉及用于在感应电机静止时估计感应电机的参数的方法。更具体地，本公开内容的示例性实施例提供一种新颖方案，其能够在感应电机静止时通过利用感应电机的电压方程和信号处理技术来估计感应电机的参数，尤其是感应电机的转子时间常数和互感系数。
发明内容
本公开内容的一方面在于提供一种能够甚至在感应电机静止时通过在没有任何额外硬件的情况下利用感应电机的电压方程和信号处理技术来更准确地估计感应电机的参数的用于估计感应电机的参数的方法。
本公开内容的目的不限于上述目的，并且本领域技术人员从下面的描述中能够认识到其他目的和优点。另外，将容易认识到，本公开内容的目的和优点能够由随附权利要求记载的装置及其组合来实践。
根据本公开内容的一个方面，一种用于在感应电机静止时估计感应电机的参数的方法包括：在感应电机静止时将DC电流施加到静止参考系上的一个方向以获得来自从感应电机的电子模型获得的定子磁通和转子磁通的定子电压；根据所获得的定子电压来计算定子电阻；根据所获得的定子电压来计算定子瞬态电感；以及通过使用所计算的定子电阻和所计算的定子瞬态电感来计算包括转子时间常数和磁化电感的感应电机的参数。
计算定子电阻可以包括通过使用在考虑了逆变器的非线性的情况下测得的两个或更多个电流值之间的斜率以及半导体开关和二极管的导通电阻来计算定子电阻。
计算定子瞬态电感可以包括根据通过施加形式为短脉冲的定子电压获得的值来计算定子瞬态电感。
计算参数可以包括通过使用积分方法来计算转子时间常数和磁化电感。另外，计算参数可以包括通过考虑在定子泄漏电感与转子泄漏电感之间的比率来计算磁化电感。
该方法可以包括在计算了定子瞬态电感之后施加d轴电流参考或q轴电流参考，其中d轴电流参考被表示如下：
Figure BDA0001112446590000021
根据本公开内容的上述示例性实施例，感应电机的参数能够甚至在静止状态中通过在没有额外硬件的情况下利用感应电机的电压方程和信号处理技术来更准确地估计。
因此，该方法不要求编码器、解析器或传感器，例如用于定位感应电机的转子的霍尔传感器。因此，该方法能够被应用到各种操作方法，包括恒气隙磁通控制、矢量控制和无传感器控制。
附图说明
图1是用于概念性地示出现有技术中的用于在感应电机旋转时估计感应电机的参数的方法的示意图；
图2是用于概念性地示出根据本公开内容的示例性实施例的用于估计感应电机的参数的方法的示意图；
图3和图4是用于分别示出图2中示出的d轴电流控制器的配置和q轴电流控制器的配置的示意图；以及
图5是示出了根据本公开内容的示例性实施例的用于估计感应电机的参数的方法的流程图。
具体实施方式
以上目的、特征和优点将从参考附图的详细描述中变得显而易见。以充分的细节描述了实施例以使得本领域技术人员能够容易地实践本公开内容的技术构思。众所周知的功能或配置的详细公开内容可以被省略以便不会不必要地使本公开内容的目标模糊不清。
在下文中，将参考附图详细描述本公开内容的实施例。在附图中，类似的附图标记指代类似的元件。
图1概念性地示出了现有技术中的用于在感应电机旋转时估计感应电机的参数的方法。具体地，图1示出了用于在感应电机旋转时通过使用定子电压和定子电流来估计感应电机的参数的方法。
首先，将简要地描述图1中示出的元件中的每个的功能。
速度指令发生器110确定感应电机的操作速度以使感应电机以恒定速度来操作。
电压指令发生器120根据来自速度指令发生器110的输出来生成三相电压参考。
相位电流测量器140测量在逆变器130与感应电机IM之间的相位电流。每个针对相应三相电流的测量器142、144和146中的一个可以被省略。
电压转换器150将来自电压指令发生器120的三相电压转换成静止参考系的d轴和q轴上的电压。
第一电流转换器160将来自相位电流测量器140的三相电流转换成静止参考系的d轴和q轴上的电流。
第二电流转换器170将来自第一电流转换器160和开环磁通观察器180的输出转换成同步参考系的d轴和q轴上的电流。
开环磁通观察器180根据来自电压转换器150和第一电流转换器160的输出来计算转子磁通角。
参数估计器190根据来自电压转换器150、第一电流转换器160和第二电流转换器170的输出来估计感应电机的转子时间常数τr和互感系数Lm。
在下文中，用于当感应电机旋转时通过使用上述元件来估计感应电机的参数的方法。
图1中示出的方法以如下假设来执行：定子电阻Rs和瞬态电感σLs是已知的。
也就是说，在同步参考系上以在开环磁通观察器180中执行的角速度旋转的感应电机的定子和转子电压方程可以被表示在下面的方程中：
[方程1]
Figure BDA0001112446590000041
[方程2]
Figure BDA0001112446590000042
[方程3]
Figure BDA0001112446590000043
[方程4]
Figure BDA0001112446590000051
其中，Rs表示定子电阻，并且ωr表示转子速度。
定子和转子的磁通方程可以被表示如下：
[方程5]
Figure BDA0001112446590000052
[方程6]
Figure BDA0001112446590000053
[方程7]
Figure BDA0001112446590000054
[方程8]
Figure BDA0001112446590000055
其中，Ls表示定子自感。另外，Lr表示转子自感，并且Lm表示互感系数。
在方程1和2中，在定子参考系上的定子d-q磁通可以被表示如下：
[方程9]
Figure BDA0001112446590000056
[方程10]
Figure BDA0001112446590000057
在等式9和10中表示的开环磁通观察器在没有反馈分量的情况下仅仅对电压和电流进行积分，并且因此可以存在由于测量偏移等导致的偏离。
为了避免这样的问题，低通滤波器(LPF)可以代替仅仅积分而被使用。由于LPF的截止频率是已知的，所以LPF中出现的相位和幅值的变化可以被适当地补偿。
因此，静止参考系上的转子磁通可以被导出如下：
[方程11]
Figure BDA0001112446590000061
[方程12]
Figure BDA0001112446590000062
另外，转子磁通角(θe)可以根据转子磁通而被显露如下：
[方程13]
Figure BDA0001112446590000063
图1中示出的参数估计器190是用于计算转子时间常数τr和磁化电感Lm。被应用到参数估计器190的算法可以通过使用方程而被实现如下：
感应电机被加速直到其额定速度使得转子磁通角能够由开环磁通观察器准确地估计。如果转子磁通角是正确的，则转子的磁通存在于d轴上，并且因此原则上
Figure BDA0001112446590000064
为0。因此，根据方程8来建立下面的关系：
[方程14]
Figure BDA0001112446590000065
感应电机的滑差频率可以被表示在下面的方程15中：
[方程15]
Figure BDA0001112446590000071
一旦感应电机的操作达到稳定状态，就可以确定d轴转子磁通
Figure BDA0001112446590000072
是常数。因此，方程15可以被表示如下：
[方程16]
Figure BDA0001112446590000073
如方程16中所示，转子时间常数能够通过同步参考系的滑差频率和d-q电流来计算。然而，在实际计算中，转子时间常数不能够被准确地计算，因为其对电流中的测量噪声是敏感的并且滑差频率的脉动出现。
为了排除这样的影响，能够使用积分技术。也就是说，通过对方程16进行积分，转子时间常数可以被获得如下：
[方程17]
Figure BDA0001112446590000074
其中，[t1,t2]表示积分间隔。在计算转子时间常数中使用在积分间隔期间的磁通角和转子角的移动距离。积分间隔越长，测量噪声影响越小，使得估计能够变得更准确。
期望在转子磁通等于额定磁通值时估计磁化电感。因此，在感应电机的操作速度等于额定速度时估计磁性电感。
转子磁通的幅值能够根据方程11和12来获得。利用转子自身电感基本上等于磁化电感的假设，磁化电感能够被计算如下：
[方程18]
Figure BDA0001112446590000075
为了减小电流测量噪声的影响，可以使用LPF。由于同步参考系的值是DC(直流电流)值，所以能够仅仅在没有时间延迟的情况下去除噪声。
因此，为了估计转子时间常数(τr)和磁化电感(Lm)，参数估计器190可以通过使用方程17和18来实现。
以上描述的用于估计感应电机的参数的方法被引自Wook-Jin Lee、Young-DooYoon、Seung-Ki Sul、Yoon-Young Choi和Young-Seok Shim在2007年的EPE2007上的会议上的文章“A simple induction motor parameter estimation method for vectorcontrol”。
然而，相关领域中的方法具有问题，例如其能够仅仅在感应电机接近额定速度操作时估计参数。
在实践中，用于驱动逆变器的感应电机可能由于系统配置、等等而不能够旋转。在这样的情况下，现有方法不能够被应用，并且因此需要能够在其静止时估计感应电机的参数的新颖方法。
图2是用于概念性地示出根据本公开内容的示例性实施例的用于估计感应电机的参数的方法的示意图。
首先，将简要地描述图2中示出的元件中的每个的功能。
电流参考发生器210生成静止参考系上的d轴电流参考和q轴电流参考。q轴电流参考输出0(零)以便防止感应电机IM生成要旋转的转矩。d轴电流参考具有常数值。
电流控制器220控制来自电流参考发生器210的输出电流。典型的比例积分(PI)电流控制器可以被用作电流控制器220。在图3中示出了电流控制器220的d轴电流控制器的结构，并且在图4中示出了电流控制器220的d轴电流控制器的结构。
电压参考转换器230将来自电流控制器220的输出转换成三相电压参考。
电流转换器260将由相位电流测量器250测量的感应电机相位电流转换成静止参考系上的电流，其是输入到电流控制器220的反馈电流。
另外，还在图2中示出了电压源逆变器240和参数估计器270。
在下文中，将详细地描述用于通过元件来估计感应电机的参数的方法。将参考图3和图4简要地描述电流控制器220的d轴电流控制器的配置和q轴电流控制器的配置。
图3中示出的元件310获得在电流参考发生器210的d轴电流参考与到电流转换器260的反馈d轴电流之间的误差。
元件320将由元件310计算的误差乘以比例增益。元件330执行积分。
元件340执行来自元件320和330的输出的加和。
元件350执行各反馈项的加和。
图4中示出的元件410获得在电流参考发生器210的q轴电流参考与到电流转换器260的反馈q轴电流之间的误差。
元件420将由元件410计算的误差乘以比例增益。元件430执行积分。
元件440执行来自元件420和430的输出的加和。
元件450执行各反馈项的加和。
在下文中，将详细描述在感应电机静止时通过使用上述元件来估计感应电机的参数的过程。具体地，将通过使用下面的方程来描述用于实施被应用到根据本公开内容的示例性实施例的用于估计感应电机的参数的方法的参数估计器270的算法。
参考在感应电机静止时的感应电机的电子模型，能够表示下面的电压和磁通方程。
要指出，电流必须被施加到静止参考系的仅仅一个方向以便防止感应电机旋转。在该示例中，电流被施加到d轴，该方程与d轴相关联。要理解，当前材料被应用到静止参考系上的其他方向。
[方程19]
Figure BDA0001112446590000091
[方程20]
Figure BDA0001112446590000101
[方程21]
Figure BDA0001112446590000102
[方程22]
Figure BDA0001112446590000103
通过将方程21与方程22进行组合，定子磁通能够被表示如下：
[方程23]
Figure BDA0001112446590000104
另外，通过将方程20与方程22进行组合，转子磁通能够如下地被表示为定子电流：
[方程24]
Figure BDA0001112446590000105
随后，通过将方程23代入到方程19中，定子电压能够被表示如下：
[方程25]
Figure BDA0001112446590000106
随后，通过将方程24代入到方程25中，定子电压能够被表示如下：
[方程26]
Figure BDA0001112446590000107
方程26仅仅利用静止参考系上的定子的d轴电压和电流来表示，并且因此其适合于在感应电机静止时估计感应电机的参数。通过将DC电流施加到方程26，方程26可以被简单地表示如下：
[方程27]
Figure BDA0001112446590000111
因此，定子电感能够被计算为下面的方程28：
[方程28]
Figure BDA0001112446590000112
在实践中，存在其他因素，例如逆变器的非线性、半导体开关和二极管的导通电阻。因此，在方程28中表示的方法的准确度能够通过测量若干电流以计算斜率并且通过使用斜率来计算定子电阻来增大。这可以由下面的方程29表示：
[方程29]
Figure BDA0001112446590000113
其中，数字1和2表示不同的测量点。
通过将形式为短脉冲的定子电压
Figure BDA0001112446590000114
应用到方程26，方程26可以被简单地表示如下：
[方程30]
Figure BDA0001112446590000115
如果
Figure BDA0001112446590000116
的值足够大，则在电阻器两端的电压降分量能够被忽略。因此，定子瞬态电感可以被估计如下：
[方程31]
Figure BDA0001112446590000121
其中，ΔT表示施加脉冲的时间段，
Figure BDA0001112446590000122
表示根据所施加的电压的电流的斜率。
通过使用方程28和31来估计定子电阻和瞬态电感的方式与现有技术中的相同。因此，能够看到，方程26从DC电流到高频是有效的。
转子时间常数和磁化电感可以通过使用方程26来估计。
也就是说，通过将
Figure BDA0001112446590000123
定义为Rr′，我们得到：
[方程32]
Figure BDA0001112446590000124
通过将方程32的右边的第一项和第二项移动到左边，我们得到：
[方程33]
Figure BDA0001112446590000125
左边的项
Figure BDA0001112446590000126
可以根据来自电流控制器的输出值得知。方程32的项
Figure BDA0001112446590000127
可以通过使用电流值、定子电阻以及瞬态电感值来计算。以这种方式，左边的所有项被计算。让我们将其定义为X。
Figure BDA0001112446590000128
的值还能够被计算。让我们将其定义为Y。之后，方程33可以被简单地表示如下：
[方程34]
Figure BDA0001112446590000131
方程34利用其值是已知的X信号和Y信号来表示，τr和Rr′。
因此，τr和Rr′能够通过使用X信号和Y信号来计算。
然而，如果每个实例计算都通过使用X信号和Y信号来执行，则由于测量噪声和来自电流控制器的输出电压的噪声而难以准确地估计参数。
为了克服这样的问题，积分技术被利用以允许对噪声鲁棒的估计并且具有高重复性。
通过部署方程34，我们得到：
[方程35]
Figure BDA0001112446590000132
通过替换系数来简化方程，我们得到：
[方程36]
Figure BDA0001112446590000133
通过将方程36乘以Y并对其进行积分，我们得到：
[方程37]
Figure BDA0001112446590000134
通过将方程36乘以
Figure BDA0001112446590000135
并对其进行积分，我们得到：
[方程38]
Figure BDA0001112446590000141
通过设置积分间隔[T0,Tf]，使得
Figure BDA0001112446590000142
变成0，方程37和38可以被简化如下：
[方程39]
Figure BDA0001112446590000143
[方程40]
Figure BDA0001112446590000144
通过再次简化方程39和40，我们得到下面的方程41和42：
[方程41]
Figure BDA0001112446590000145
[方程42]
Figure BDA0001112446590000146
在方程41和42中，A、B、C和E的值随积分间隔而增大。如果
Figure BDA0001112446590000147
被设置为0，则D的值在数学上等于0，但是在实践上接近于0。因此，积分间隔越长，测量噪声影响越小。
一旦计算了A、B、C、D和E的值，我们就能够根据如下的具有两个未知数的联立线性方程来得到a和b的值：
[方程43]
Figure BDA0001112446590000151
[方程44]
Figure BDA0001112446590000152
在方程36中，a和b被定义如下：
[方程45]
Figure BDA0001112446590000153
[方程46]
Figure BDA0001112446590000154
也就是说，通过使用从方程43和44获得的a和b的值，转子时间常数、定子自感以及磁化电感可以被计算如下。假设定子泄漏电感和转子泄漏电感是定子瞬态电感的一半
Figure BDA0001112446590000155
该假设可以取决于感应电机的特性而变化。这是因为在定子泄漏电感与转子泄漏电感之间的比率取决于如由NEMA分类的感应电机的类型而变化。
例如，在类型A或类型B的感应电机中，在定子泄漏电感与转子泄漏电感之间的比率是5:5。在类型C的感应电机中，在定子泄漏电感与转子泄漏电感之间的比率是4:6。在类型C的感应电机中，在定子泄漏电感与转子泄漏电感之间的比率是3:7。
[方程47]
Figure BDA0001112446590000156
[方程48]
Figure BDA0001112446590000161
[方程49]
Figure BDA0001112446590000162
[方程50]
Figure BDA0001112446590000163
如上所述，图2中示出的参数估计器270通过使用方程41到方程50来实施。也就是说，我们能够计算由方程41和42表示的A、B、C、D和E，并且之后通过使用方程43和44来计算a和b的值。之后，我们能够通过在感应电机静止时使用方程47到50来计算转子时间常数(τr)和磁化电感(Lm)。
被施加用于估计参数的电流可以被表示为下面的方程51：
[方程51]
Figure BDA0001112446590000164
图5是示出了根据本公开内容的示例性实施例的用于估计感应电机的参数的方法的流程图。
参考图5，根据本公开内容的示例性实施例的用于估计感应电机的参数的方法可以包括：将DC电压施加到d轴(S510)，计算定子电阻(S520)，将形式为短脉冲的电压施加到d轴(S530)，计算定子瞬态电感(S540)，施加电流参考(S550)，计算转子时间常数(S560)，以及计算磁化电感(S570)。
以上关于方程26到方程27来描述步骤S510。以上关于方程28到方程29来描述步骤S520。
另外，以上关于方程30来描述步骤S530。以上关于方程31来描述步骤S540。以上关于方程47到方程59来描述步骤S560和S570。以上利用方程51来描述步骤S550。
在前述描述中，为了便于说明假设了电流被供应到静止参考系上的d轴，并且已经描述了与d轴相关联的方程。然而，如早前提到的，要理解电流可以被供应到静止参考系上的其他方向。
根据本公开内容的上述示例性实施例，感应电机的参数能够甚至在感应电机静止时通过在没有额外硬件的情况下利用感应电机的电压方程和信号处理技术来更准确地估计。
因此，该方法不要求编码器、解析器或传感器，例如用于定位感应电机的转子的霍尔传感器。因此，该方法能够被应用到各种操作方法，包括恒气隙磁通控制、矢量控制和无传感器控制。
以上描述的本公开内容的示例性实施例可以由本领域技术人员在不脱离本公开内容的范围和精神的情况下来替代、更改和修改。因此，本公开内容不限于上述示例性实施例和附图。

Claims (4)

1.一种用于在感应电机静止时估计所述感应电机的参数的方法，所述方法包括：
通过生成静止参考系上的一个方向具有常数值的电流参考，并且生成所述静止参考系上的其他方向具有零值的电流参考，来在所述感应电机静止时将DC电流施加到静止参考系上的一个方向和其他方向，以获得所述感应电机的定子电压；
根据所获得的定子电压来计算定子电阻；
根据通过将所获得的定子电压以短脉冲电压施加来获得的值，计算定子瞬态电感；以及
通过使用所计算的定子电阻和所计算的定子瞬态电感来计算包括转子时间常数和磁化电感的感应电机的参数，
在计算所述定子瞬态电感中，根据施加所述定子电压的时间、基于所施加的所述定子电压的电流变化量、以及所述定子电压的大小，计算所述定子瞬态电感。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，计算所述定子电阻包括：通过使用在考虑了逆变器的非线性的情况下测得的两个或更多个电流值之间的斜率以及半导体开关和二极管的导通电阻来计算所述定子电阻。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，计算参数包括：通过使用积分方法来计算所述转子时间常数和所述磁化电感。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，计算参数包括：通过考虑在定子泄漏电感与转子泄漏电感之间的比率来计算所述磁化电感。
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