CN106953569B - 感应电机转子电阻估计方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种感应电机转子电阻估计方法，包括：基于模型参考自适应系统为感应电机分别建立磁通量电流模型以及磁通量电压模型；在多个不同时刻分别测定定子温度；基于使磁通量电流模型、磁通量电压模型的输出之间的相位差为0，确定与多个不同时刻一一对应的转子电阻的估算值；基于转子电阻的估算值与定子温度之间的对应关系，计算转子温度与定子温度的温度比例；基于温度比例、当前定子温度、定子参考温度、转子参考电阻以及转子的材质来在线计算转子电阻。该方法不仅将电机运行的各种主要参数考虑在内，而且能够在电机低速区估算转子电阻，从而实现对转子电阻的更为精确的估计，且适用范围广、实施简单、执行效率高。
Description
技术领域
本发明涉及感应电机技术领域，更具体地说，涉及一种感应电机转子电阻估计技术。
背景技术
在感应电机的磁通量控制中，转子电阻对最终的定向角度具有很大的影响。如果估算的磁通量角度与实际值失配或相差较大，感应电机就无法在转矩控制模式下产生所期望的转矩，并且在速度控制模式下工作时还需要更高的电流。
现有技术中存在一些转子电阻确定或估计方法。
较传统的方法是在锁定转子的情况下、采用50Hz的注入频率来确定转子电阻。这显然不准确，因为集肤效应，转子电阻会在不同的注入频率下改变；而实际中，转子铜条的工作频率往往小于额定滑动频率，通常为不超过10Hz。即使将注入频率设置到例如5Hz，也并不适用，因为过低频率会导致过热以致损伤电机，此外，过低频率也将导致定子主电感无法被忽略，从而失去锁定转子辨识参数的意义。
更常用的转子电阻估计方式是依赖于矢量控制系统理论，当电机工作于高速区时，这一方法能够相对更准确地估计转子电阻。然而，当工作于低转速、高转矩区时，转子电阻无法被准确估计。
因此，本领域技术人员期望获得一种能够克服上述缺陷的感应电机转子电阻估计方法。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种简单可靠的感应电机转子电阻估计方法，其既适用于高速区也适用于低速区。
为实现上述目的，本发明提供一种技术方案如下：
一种感应电机转子电阻估计方法，包括如下步骤：a)、基于模型参考自适应系统为感应电机分别建立磁通量电流模型以及磁通量电压模型；b)、在多个不同时刻分别测定定子温度；c)、基于使磁通量电流模型、磁通量电压模型的输出之间的相位差为0，确定与多个不同时刻一一对应的转子电阻的估算值；d)、基于转子电阻的估算值与定子温度之间的对应关系，计算转子温度与定子温度的温度比例；以及e)、基于温度比例、当前定子温度、定子参考温度、转子参考电阻以及转子的材质来在线计算转子电阻。
优选地，在步骤c)中，采用PI控制器对磁通量电流模型、磁通量电压模型的输出之间的相位差进行调节，使得相位差为0，以获得转子电阻的估算值。
优选地，步骤d)具体包括：绘制转子电阻对转子参考电阻的比例与定子温度之间的关系曲线；针对斜率进行统计运算；将统计运算的结果确定为温度比例。
优选地，步骤a)、b)、c)、以及步骤d)为在实验室环境中进行。
本发明还提供一种感应电机转子电阻估计系统，包括：磁通量计算模型单元，其基于模型参考自适应系统为感应电机分别建立磁通量电流模型以及磁通量电压模型；温度测定单元，其在多个不同时刻分别测定定子温度；以及中央处理单元，其与磁通量计算模型单元、温度测定单元分别耦合，并至少执行下列操作：基于使磁通量电流模型、磁通量电压模型的输出之间的相位差为0，确定与多个不同时刻一一对应的转子电阻的估算值；基于转子电阻的估算值与定子温度之间的对应关系，计算转子温度与定子温度的温度比例；以及基于温度比例、当前定子温度、定子参考温度、转子参考电阻以及转子的材质来在线计算转子电阻。
本发明各实施例提供的转子电阻估计方法及系统，通过建立磁通量电流模型以及磁通量电压模型，并基于使两个模型的输出之间的相位差为0的原则，在实验室环境中确定转子电阻的估算值与定子温度之间的对应关系，从而计算出转子温度与定子温度的温度比例，并以这个温度比例结合其他容易获得的参数，来在线估计转子电阻的值。相比于现有技术，该方法及系统不仅将电机运行的各种主要参数考虑在内，而且能够在电机低速区估算转子电阻，从而实现对转子电阻的更为精确的估计，且适用范围广、实施简单、执行效率高。
附图说明
图1示出本发明第一实施例提供的转子电阻估计方法。
图2示出依照本发明实施例的、磁通量电流模型以及磁通量电压模型。
图3示出依照本发明实施例的、转子电阻对转子参考电阻的比例与定子温度之间的关系曲线。
具体实施方式
需要说明的是，一些传统转子电阻估计方案采用模型参考自适应系统，其可以在电机的高速区相对准确辨识转子电阻，但是在低速区域则存在较大误差，因此，本发明的主要贡献即针对于提供既适用于高速区也适用于低速区的转子电阻估计方法。
本发明第一实施例提供一种转子电阻估计方法，其既适用于高速区也适用于低速区。具体地，其包括如下各步骤：
步骤S10、基于模型参考自适应系统为感应电机分别建立磁通量电流模型以及磁通量电压模型。
步骤S11、在多个不同时刻分别测定定子温度。
步骤S12、基于使磁通量电流模型、磁通量电压模型的输出之间的相位差为0，确定与多个不同时刻一一对应的转子电阻的估算值。
步骤S13、基于转子电阻的估算值与定子温度之间的对应关系，计算转子温度与定子温度的温度比例。
步骤S14、基于温度比例、当前定子温度、定子参考温度、转子参考电阻以及转子的材质来在线计算转子电阻。
可以理解，有可能按照不同的次序来执行上述各步骤，例如，先执行步骤S11、再依次执行步骤S10、S12、S13以及S14。有可能对上述各步骤进行组合或拆分，而不影响本发明的技术效果。因此，对本发明实施例中各步骤的简单变形、组合或置换，均应落入本发明的保护范围。
为了更好地理解上述转子电阻估计方法，以下介绍本发明的原理及运算思路，并展开对各步骤的详细说明。
在下文中，定子温度表示为Tempstator，其能够由相应的传感器直接捕获；转子温度表示为Temprotor，其无法直接测量。先假定定子温度与转子温度满足如下关系：
Temprotor＝η.Tempstator (1)
其中，η定义为转子温度与定子温度的温度比例，其为待定数。
另一方面，假定某一温度Temprotor下的转子电阻满足如下公式：
Rr＝[TempCof.(Temprotor-Temprotor1)+1].Rr1 (2)
其中TempCof表示温度系数，由转子铜条的材质决定，其为能够确定的值。Temprotor1为转子参考温度，Rr1为转子在转子参考温度Temprotor1下的阻值，定义为转子参考电阻。
将公式(1)代入公式(2)中得到：
Rr＝[TempCof.η.(Tempstator-Tempstator1)+1].Rr1 (3)
其中，Tempstator表示定子温度，Tempstator1为定子参考温度。
从公式(3)可以确定，鉴于定子温度Tempstator是容易测量的、温度系数TempCof取决于转子的材质几乎是不变的，而转子参考温度Temprotor1及对应的转子参考电阻Rr1作为参考值也不难确定，因此，估计转子电阻值的准确性事实上更大程度地取决于确定温度比例η的值的准确性。
由以上公式也可理解，如果想确定转子温度与定子温度之间的温度比例η，有必要首先确定在定子处于相应温度Tempstator1、Tempstator2时的转子电阻值Rr1、Rr2。
根据本发明的实施例，为确定转子电阻值，引入模型参考自适应系统(ModelReference Adaptive System，简称MRAS)来建立磁通量计算模型，这一过程对应于第一实施例中的步骤S10。该模型具体包括磁通量电流模型(作为自适应模型)和磁通量电压模型(作为参考模型)，如图2所示。以下根据在实验室环境中进行的多次实验的数据来建立MRAS，实验数据至少包括转子转速ωr信息、定子电压us、定子电流is、定子电阻Rs以及定子的励磁电感Lm。
磁通量电压模型可以表示如下：
磁通量电流模型表示如下：
其中，α、β对应于静止两相正交坐标系的直轴和交轴，在这里表示磁通量在这两个坐标轴上的分量；p为微分算子，为转子电阻的实验室估算值，σLs为定子侧漏电感。
根据公式(4)中的磁通量电压模型，所确定的磁通量可以表示如下：
其中，由两个相互正交的分量(对应于静止两相正交坐标系的直轴和交轴)组成。
而根据公式(5)中的磁通量电流模型，所确定的磁通量可以表示如下：
其中，由两个相互正交的分量(对应于静止两相正交坐标系的直轴)、(对应于静止两相正交坐标系的交轴)组成。
磁通量电流模型、磁通量电压模型的输出之间的相位差ε可以利用上述两个矢量的矢量积来计算：
可以理解，在转子电阻能够准确地确定的情况下，上述相位差ε应该为零值。这里可以采用，例如，传统的PI控制器对上述公式进行调节，使得ε趋向于0，以获得转子电阻的收敛值，也即，转子电阻的实验室估算值。
同样可以理解，按上述公式(4)至下述公式(11)确定转子电阻的估算值适于在实验室环境中进行，并需要测定多个参数、需要较复杂的运算，因而并不适于直接用来作为转子电阻的(在线)估计。采用上述公式(4)至下述公式(11)，是为了确定转子温度与定子温度的温度比例η。
在实验室环境中，在多个不同时刻，测定定子温度分别为Tempstator1，Tempstator2，Tempstator3，…，这一过程对应于第一实施例中的步骤S11。随后，依照使公式(8)中相位差ε为零值的原则，分别确定对应的转子电阻的实验室估算值Rr1，Rr2，Rr3，…，并将它们直接视作转子电阻，这一过程对应于第一实施例中的步骤S12。进而，根据多次实验的结果，可以得出转子电阻与定子温度之间的关系(对应表)。为以下运算的方便起见，这里绘制出转子电阻对转子参考电阻的比例与定子温度之间的关系曲线图。可以理解，其他类型的温度-电阻拟合曲线同样适用；此外，不绘制任何曲线，而仅仅依据于数据计算，也能够实现本发明的技术效果。
如上所述，现有技术中的转子电阻估计方案，可以在电机的高速区准确辨识转子电阻，但是不适用于低速区域。对此，本发明通过绘制一种温度-电阻拟合曲线，避免现有技术的缺陷，以提供一种能够适用于低速区域的转子电阻估计方法。
关于转子电阻对转子参考电阻的比例与定子温度之间的关系，一种可能的关系曲线如图3所示，为了说明的简单起见，图3中仅示出三种不同的定子温度以及一一对应的转子电阻。可以理解，为了获得更精确的结果，可以测定任意多组这样的数据。
在图3中，针对转子电阻对转子参考电阻的比例与定子温度之间的关系曲线的斜率进行统计运算，以充分基于多组实验数据，来确定更贴近实际情况的、转子温度与定子温度的温度比例η，这一过程对应于上述第一实施例中的步骤S13。
作为仅一个示例，曲线第一分段(对应于定子温度从Tempstator1变化到Tempstator2)的斜率为η1，曲线第二分段(对应于定子温度从Tempstator1变化到Tempstator3)的斜率为η2，考虑到TempCof为常数，可以将η1以及η2定义如下：
可以依照各种统计算法，对曲线各分段的斜率进行统计运算，并以统计运算结果作为转子温度与定子温度的温度比例η的估计。作为一种简单示例，可以将η1与η2的平均值作为温度比例η的估计值如下表示：
在确定温度比例η的估计值的基础上，可以对上述公式(3)进行修正，得到如下公式：
从上述公式(11)可以得知，转子电阻值Rr可以基于温度系数TempCof、当前定子温度Tempstator、定子参考温度Tempstator1、温度比例的估计值以及转子参考电阻Rr1来在线确定或估计，这一过程对应于上述第一实施例中的步骤S14。其中，温度比例的估计值在实验室中测定，温度系数TempCof取决于铜条材质几乎不变，定子温度Tempstator为当前(在线)测定的定子温度。
进一步地，定子参考温度Tempstator1、转子参考电阻Rr1作为参考值，可以在实验室中事先确定，也可以将前一次估计的结果作为后一次估计的参考值，这种方式能够产生更加准确的估计结果，因而，可以作为优选实施方式。
依照上述实施例的感应电机转子电阻估计方法，能够将电机运行的各种主要参数考虑在内，且适用于电机低速区域，从而在全转速范围内实现对转子电阻的更为精确的估计。
此外，上述感应电机转子电阻估计方法在采集定子温度Tempstator之后，即可根据已知的温度系数TempCof、温度比例的估计值等参数，在线计算出转子电阻的值，其实施简单、执行效率高。
本发明又一实施例提供一种感应电机转子电阻估计系统，其包括：磁通量计算模型单元、温度测定单元以及中央处理单元，中央处理单元与磁通量计算模型单元、温度测定单元分别耦合。
其中，磁通量计算模型单元基于模型参考自适应系统为感应电机分别建立磁通量电流模型以及磁通量电压模型；温度测定单元在多个不同时刻分别测定定子温度；而中央处理单元至少执行下列操作：A、基于使磁通量电流模型、磁通量电压模型的输出之间的相位差为0，确定与多个不同时刻一一对应的转子电阻的估算值；B、基于转子电阻的估算值与定子温度之间的对应关系，计算转子温度与定子温度的温度比例；以及C、基于温度比例、当前定子温度、定子参考温度、转子参考电阻以及转子的材质来在线计算转子电阻。
上述说明仅针对于本发明的优选实施例，并不在于限制本发明的保护范围。本领域技术人员可作出各种变形设计，而不脱离本发明的思想及附随的权利要求。
Claims (8)
1.一种感应电机转子电阻估计方法，包括如下步骤：
a)、基于模型参考自适应系统为所述感应电机分别建立磁通量电流模型以及磁通量电压模型；
b)、在多个不同时刻分别测定定子温度；
c)、基于使所述磁通量电流模型、磁通量电压模型的输出之间的相位差为0，确定与所述多个不同时刻一一对应的转子电阻的估算值；
d)、基于所述转子电阻的估算值与所述定子温度之间的对应关系，确定转子温度与所述定子温度的温度比例；以及
e)、基于所述温度比例、当前所述定子温度、定子参考温度、转子参考电阻以及转子的材质来在线地确定所述转子电阻。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤a)中，所述磁通量电流模型表示为所述磁通量电压模型表示为其中，ωr为转子转速、us为定子电压、is为定子电流、Rs为定子电阻、Lm为定子的励磁电感，α、β分别对应于静止两相正交坐标系的直轴和交轴，p为微分算子，为所述转子电阻的估算值，σLs为定子侧漏电感，所述磁通量电压模型所确定的磁通量为所述磁通量电流模型所确定的磁通量为其中，分别为对应于静止两相正交坐标系的所述直轴和所述交轴的由所述磁通量电压模型所确定的磁通量分量，而分别为对应于静止两相正交坐标系的所述直轴和所述交轴的由所述磁通量电流模型所确定的磁通量分量。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤c)中，采用PI控制器对所述磁通量电流模型、磁通量电压模型的输出之间的所述相位差进行调节，使得所述相位差为0，以获得所述转子电阻的估算值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤d)具体包括：
绘制所述转子电阻对转子参考电阻的比例与所述定子温度之间的关系曲线；
针对所述关系曲线的斜率进行统计运算；
将统计运算的结果确定为所述温度比例。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述转子电阻的计算公式为其中，TempCof为取决于所述转子材质的温度系数、Tempstator为当前所述定子温度、Tempstator1为所述定子参考温度、Rr1为所述转子参考电阻，以及为所述温度比例。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤a)、b)、c)、以及步骤d)为在实验室环境中进行。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述定子参考温度为前一次执行所述方法时测得的所述当前定子温度，所述转子参考电阻为前一次执行所述方法时计算得到的所述转子电阻。
8.一种感应电机转子电阻估计系统，包括：
磁通量计算模型单元，其基于模型参考自适应系统为所述感应电机分别建立磁通量电流模型以及磁通量电压模型；
温度测定单元，其在多个不同时刻分别测定定子温度；以及
中央处理单元，其与所述磁通量计算模型单元、所述温度测定单元分别耦合，并至少执行下列操作：
基于使所述磁通量电流模型、磁通量电压模型的输出之间的相位差为0，确定与所述多个不同时刻一一对应的转子电阻的估算值；
基于所述转子电阻的估算值与所述定子温度之间的对应关系，确定转子温度与所述定子温度的温度比例；以及
基于所述温度比例、当前所述定子温度、定子参考温度、转子参考电阻以及转子的材质来在线地确定所述转子电阻。
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| WO2018103581A1 (zh) | 2018-06-14 |
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