CN107437913A - 一种永磁电机电感测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁电机电感测量方法，适用于永磁电机电感参数测量。该方法首先对永磁电机转子定位，然后设定电感测量电流，接着加载电感测量电流，待电流稳定后，获取电压与电流波形，并对电压和电流波形进行滤波处理得到基波分量，根据电枢磁链相对于参考位置的偏移情况对电机电阻进行修正，消除电阻误差，最后由电枢磁链中电枢磁链的最大值和最小值以及目标电枢磁链中电流的最大值和最小值计算永磁电机电感。通过本发明设计的直流偏置式测量电流，消除永磁电机电感测量过程中测量电流对永磁体的退磁风险。并且在不额外增加电机电阻测量装置的情况下，通过软件算法消除了电机电阻测量误差对电感测量结果的影响。

Description

一种永磁电机电感测量方法

技术领域

本发明属于电机电气参数测量领域，更具体地，涉及一种永磁电机电感测量方法。

背景技术

永磁电机由于其优良的性能，广泛应用于工业领域的各个方面，诸如机车牵引与机床伺服系统。永磁电机本体需结合适应的电机控制算法才能达到理想的输出效果。电机控制算法包含有矢量控制算法、直接转矩控制算法和无位置传感器控制算法等。在这些算法中，电机电感作为关键参数之一，其直接影响了电机系统的控制性能。因此，准确地测量电机的电枢电感是十分重要的。

如图1所示为一种现有的电感测量系统示意图。电机电感测量系统主要包含有直流电源101、电力电子变换器102、传感器单元103、被测电机104、电机转子限位装置105、电感测量控制单元106、电压信号检测处理单元107、电流信号检测处理单元108、位置信号检测处理单元109和电感计算单元110。

其中直流电源101用做测量系统的主电源。电感测量控制单元106根据电压信号检测处理单元107或电流信号检测处理单元108反馈回的电压或电流信号控制电力电子变换器102中的电力电子开关管的动作，使电机电流跟踪指令电流。被测电机104的转子由电机转子限位装置105卡住，保证电机转子在测量过程中不发生偏转。电感计算单元110根据电压、电流和转子位置计算电机电枢电感。

电感测量控制单元106主要有电压指令型和电流指令型两种控制方法。如图2所示为一种现有的电流指令型的电感测量控制单元示意图。电感测量控制单元106需要预设电机定子α轴测量电流指令201和β轴测量电流指令202。根据电流信号检测处理单元108测得的电流信号，将电流坐标变换至电机定子静止坐标系α-β坐标系。然后利用比例-积分调节器(PI)204计算得到电压指令；再通过空间矢量调制206计算得到电力电子变换器102中开关器件的开关信号。

以测试d轴电感L_d为例。需要将电机转子d轴对准电机定子α轴。α轴电流指令为其表达式为；

其中I为测试电流指令的幅值，f为测试电流的频率，t为时间。

电压信号检测处理单元107采集到的线电压波形经过坐标变换得到α轴电压为v_α。根据电压积分得到磁链的原理，可以得到电枢磁链与电枢电流的关系，表达式为；

其中ψ_α为α轴电枢磁链；T₁和T₂为积分运算的时间起始结束节点；R为电枢电阻。L_d的计算公式如下；

交轴的电感测量方法类似。将电机转子q轴对齐定子α轴，再执行上述步骤即可。

在该种测试方法中，d轴测试电流为正弦变化的交流量。为了测试电机在不同负载情况下的电感，该测试电流的幅值通常会取到电机的额定电流。当测量d轴电感时，d轴测量电流会达到负向的电机额定电流。该电流为退磁电流，会增加永磁体的退磁风险。如果永磁电机在测试过程中发生了退磁，将会影响电机的性能并降低电感测试的准确性。

电感计算单元110中计算电感需要用到电机的电枢电阻值R，该参数通常利用直流实验测试，即电机通入某直流电压，测量电枢中的电流，计算得到R。电阻R的数值受温度等外界因素影响，可能发生参数偏移，降低电电感测量的精度。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供了一种永磁电机电感测量方法，由此解决测量永磁电机d轴电感过程中可能出现的退磁问题以及电机电阻测量误差而导致的电感测量结果准确性较低的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种永磁电机电感测量方法，包括：

根据测量电感对象对永磁电机转子进行定位，并在定位完成后，将电机转子固定，其中，若测量d轴电感，则将电机转子d轴对齐定子α轴，若测量q轴电感，则将电机转子q轴对齐定子α轴；

设计电感测量电流，所述电感测量电流在定子的α轴和β轴的电流指令值均存在直流分量；

加载所述电感测量电流，使电机响应电流跟随所述电感测量电流在定子的α轴和β轴的电流指令值；

记录若干个周期内的电压和电流，提取所述电压的基波分量以及所述电流的基波分量，并将所述电压的基波分量以及所述电流的基波分量进行坐标变换至定子静止α-β坐标系；

由坐标变换后的电压与电流计算电枢磁链，根据电枢磁链相对于参考位置的偏移方向调节电机电阻值，基于调节后的电机电阻值重新计算电枢磁链，并根据新得到的电枢磁链相对于参考位置的偏移方向调节电机电阻值，直至最后得到的目标电枢磁链相对于参考位置不再发生偏移，从而消除电阻误差的影响；

由目标电枢磁链中电枢磁链的最大值和最小值以及目标电枢磁链中电流的最大值和最小值计算永磁电机电感。

优选地，所述设计电感测量电流，所述电感测量电流在定子的α轴和β轴的电流指令值均存在直流分量，包括：

在测量d轴电感时，α-β坐标系中的电机电感测量电流指令为：

在测量q轴电感时，α-β坐标系中的电机电感测量电流指令为：

其中，f是电感测量电压电流的频率，与表示电机电流矢量的dq轴分量，且I^*表示电机电流矢量，θ是电流矢量I^*相对α轴线的夹角。

优选地，所述由坐标变换后的电压与电流计算电枢磁链，包括：

由dt计算电枢磁链，其中，T表示电感测量过程中记录的电压电流数据的时间长度，R^-表示电机电阻的测量值，v_α表示经过电压变换后的电压值，i_α表示经过电流变换后的电流值。

优选地，所述根据电枢磁链相对于参考位置的偏移方向调节电机电阻值，包括：

根据电枢磁链公式，以α轴电流i_α为横坐标，以α轴电枢磁链ψ_α为纵坐标，绘制电枢磁链-电流轨迹；

若电枢磁链-电流轨迹相对于参考位置向下偏移，则减小R^-；

若电枢磁链-电流轨迹相对于参考位置向上偏移，则增大R^-；

若电枢磁链-电流轨迹相对于参考位置不发生偏移，则R^-不变，此时电阻误差得到消除。

优选地，所述由目标电枢磁链中电枢磁链的最大值和最小值以及目标电枢磁链中电流的最大值和最小值计算永磁电机电感，包括：

由计算永磁电机电感，其中，ψ_α,max和ψ_α,min分别是电枢磁链-电流轨迹中电枢磁链的最大值和最小值，i_α,max和i_α,min分别是电枢磁链-电流中电流的最大值和最小值。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)电感测量电流指令值由所需测量的电机工作点电枢电流矢量决定，在此基础上增加直流分量以保护永磁体不被退磁，解决测量永磁电机d轴电感过程中可能出现的退磁问题；

(2)本发明在不额外增加电机电阻测量装置的情况下，采用设计的电感测量电流能体现出电感的误差，从而可以根据电枢磁链相对于参考位置的偏移情况，对电机电阻值进行修正，从而消除了电机电阻测量误差对电感测量结果的影响，解决了电机电阻测量误差而导致的电感测量结果准确性较低的技术问题；

(3)本发明在设计电感测量电流时，同时注入电机交直轴电流，测量在交叉饱和现象影响下的电机电感。

附图说明

图1是本发明实施例公开的一种现有的永磁电机电感测量系统示意图；

图2是本发明实施例公开的一种现有的永磁电机电感测量系统电流控制系统示意图；

图3是本发明实施例公开的一种永磁电机电感测量方法的流程示意图；

图4是本发明实施例公开的一种永磁电机转子定位示意图；

图5是本发明实施例公开的一种永磁电机电感测量电流指令示意图；

图6是本发明实施例公开的一种永磁电机电感测量实验数据处理示意图；

图7是本发明实施例公开的一种永磁电机电感测量计算中电阻调节系统示意图；

图8是本发明实施例公开的一种永磁电机电感测量计算中电枢磁链-电流轨迹图，该轨迹图包含5个电周期数据，该图为电枢磁链-电流轨迹向上偏移情况；

图9是本发明实施例公开的一种永磁电机电感测量计算中电枢磁链-电流轨迹图，该轨迹图包含5个电周期数据，该图为电枢磁链-电流轨迹向下偏移情况；

图10是本发明实施例公开的一种永磁电机电感测量计算中电枢磁链-电流轨迹图，该轨迹图包含5个电周期数据，该图为电枢磁链-电流轨迹不发生偏移情况。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图3所示是本发明实施例公开的一种永磁电机电感测量方法的流程示意图，在图3所示的方法中，包括以下步骤：

S301：永磁电机转子定位：根据测量电感对象对永磁电机转子进行定位，并在定位完成后，将电机转子固定，其中，若测量d轴电感，则将电机转子d轴对齐定子α轴，若测量q轴电感，则将电机转子q轴对齐定子α轴；

其中，测量d轴或q轴电感的方法相同，以下以测量d轴电感为例介绍电机转子定位方式。

永磁电机104定位时的接线方式如图4所示。其中，在定位模式中，永磁电机永磁体需要具有一定的剩磁。永磁电机104的三相接线端分别连接到电力电子变换器102的对应端口。其中永磁电机104的B、C两相端口短接。

控制电力电子变换器102输出指令电压v_α＝V₁，v_β＝0。其中V₁为一小幅值直流电压。在此电压供电情况下，永磁电机104产生直流电流i_A＝-2i_B,i_B＝i_C。该电流产生的三相合成磁场的方向为A相正方向即α轴正方向。为了使气隙磁能最低，电机永磁转子d轴被定子磁场吸引至对齐定子α轴方向。

此外，控制电力电子变换器102输出指令电压v_α＝0，v_β＝V₁。其中V₁为一小幅值直流电压。在此电压供电情况下，永磁电机104产生直流电流i_A＝0，i_B＝-i_C。该电流产生的三相合成磁场的方向为A相垂直正方向即β轴正方向。为了使气隙磁能最低，电机永磁转子d轴被定子磁场吸引至对齐定子β轴方向，此时电机转子q轴对齐的方向为定子α轴方向。

永磁电机104对齐后，利用电机转子限位装置105将电机转子卡住，保证电机转子在电感测试过程中不发生转动。

S302：设计电感测量电流，该电感测量电流在定子的α轴和β轴的电流指令值均存在直流分量；

其中，在本发明实施例中，可以采用以下方式设计电感测量电流：

在测量d轴电感时，α-β坐标系中的电机电感测量电流指令为：

其中，满足的直流偏置式α轴测量电流的最小值为0，并且α轴测量电流始终大于或等于0，β轴测量电流的作用在于评估电机中交叉饱和效应对电机电感的影响。如图5所示为时间坐标轴下的电感测量αβ轴电流波形。

在测量q轴电感时，α-β坐标系中的电机电感测量电流指令为：

其中，f是电感测量电压电流的频率，与表示电机电流矢量I^*的dq轴分量，且I^*表示需要测量电机工作点的电流矢量，θ是电流矢量I^*相对α轴线的夹角。

S303：加载电感测量电流，使电机响应电流跟随电感测量电流在定子的α轴和β轴的电流指令值；

在电感测量过程中，控制单元106中的PI调节器204作用，PI调节器204根据电机实际反馈电流和电感测量电流轨迹指令间的差值，计算α-β轴指令电压。指令电压通过空间矢量调制206计算出各开关器件的占空比，并输入到电力电子变换器102中。

S304：记录若干个周期内的电压和电流，提取电压的基波分量以及电流的基波分量，并将电压的基波分量以及电流的基波分量进行坐标变换至定子静止α-β坐标系；

当S303中电流波形稳定后，利用电压检测107和电流检测108记录若干个电周期电压电流波形。电压电流检测的器件可以为传感器或者示波器。由于电压波形为脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)斩波波形，因此需要将电压波形进行滤波处理，提取基波成分进行后续计算。同时，电流波形也需要经过滤波处理，以消除高频电磁干扰的影响。信号处理过程如图6所示。线电压v_AB和v_AC，以及相电流i_A和i_B通过低通滤波器601滤出基波成分，然后通过坐标变化将三相信号转换到静止坐标系内。

电压坐标变换602的数学表达式为：

电流坐标变换603的数学表达式为：

i_α＝i_A

S305：由坐标变换后的电压与电流计算电枢磁链；

假设电阻测量存在误差R₁，电枢磁链计算表达式变为：

其中，T₁和T₂分别为基于实验数据计算磁链的起始时刻与终止时刻；R表示电机电感的实际值；R₁表示电阻测量误差值。

上述表达式的最后一项为电阻测量误差引起的电枢磁链的误差。在传统的电感测量方法中，该误差积分项为0。因此，电阻误差引起的电阻误差无法在传统的方法中观测得到。

本发明实施例提供的直流偏置式测量电流能体现出电感的误差。将直流偏置式电流指令表达式带入误差表达式可得：

其中积分项随着积分时间增加而增加，从而导致ψ_α的平均值增加。通过观测ψ_α在一定积分时间内的平均值，调节R的设定值，使ψ_α的平均值保持不变，从而消除电测测量误差的影响。

即，可以将电枢磁链的计算公式简化为：

其中，T表示电感测量过程中记录的电压电流数据的时间长度；R^-表示电机电阻的测量值。

由于电压电流信号为离散的采样数据，采用矩形面积等效的方法计算积分。

ψ_α[k+1]＝ψ_α[k]+ΔT×(v_α[k]-i_α[k]×R^-)

其中k是采样数据点的编号，为正整数。ΔT是两次采样时间间隔。

S306：电阻误差消除：根据电枢磁链相对于参考位置的偏移方向调节电机电阻值，基于调节后的电机电阻值重新计算电枢磁链，并根据新得到的电枢磁链相对于参考位置的偏移方向调节电机电阻值，直至最后得到的目标电枢磁链相对于参考位置不再发生偏移，从而消除电阻误差的影响；

如图7所示，展示了本发明实例所提供的消除电阻误差导致的电感计算误差影响的方法。

在S305计算结果的基础上，以i_α为横坐标，ψ_α为纵坐标绘制电枢磁链-电流的轨迹。电枢磁链-电流轨迹形如图8所示。由于S305计算磁链过程中的电感值存在误差，导致图8中的磁链轨迹在每个周期间发生了偏移。S702观察电枢磁链-电流轨迹是否发生偏移，进而判断电阻值是否存在误差。S703根据电枢磁链-电流的轨迹偏方向决定电阻值得修正偏差值。如果电枢磁链-电流轨迹相对于参考位置向上偏移，形如图8，则电阻值的修正偏差值为正数；如果电枢磁链-电流轨迹相对于参考位置向下偏移，形如图9，则电阻值得修正偏差值为负数。电阻值得修正公式为：

R^*＝R^-+ΔR

其中R^*为修正后的电阻值，ΔR为电阻值的修正偏差值。

电阻值修正后，重新回到S305计算分析电枢磁链-电流轨迹。直到电枢磁链-电流轨迹相对于参考位置不发生偏移，形如图10所示，结束电阻误差消除S707。其中，参考位置可以根据需要进行确定。

S307：计算电感：由目标电枢磁链中电枢磁链的最大值和最小值以及目标电枢磁链中电流的最大值和最小值计算永磁电机电感。

根据图10中电枢磁链-电流的波形，计算电感值大小。以计算d轴电感L_d为例，此时电机转子d轴对准定子α轴，因此此时计算的电感为L_d。

其中ψ_α,max和ψ_α,min分别是电枢磁链-电流轨迹中电枢磁链的最大值和最小值；i_α,max和i_α,min分别是电枢磁链-电流中电流的最大值和最小值。

至此该工作电流矢量状况下的d轴电感测量完成。q轴电感以及其他电流矢量作用下的电感可以用相同的方法测量获得。

本发明提出的一种永磁电机电感测量方法，在实际应用中有效地保护了永磁体，以免永磁体在测量电感过程中发生退磁。同时，本发明提出的电阻误差消除方法有效地抑制了电阻测量误差影响电感测量精度的问题。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种永磁电机电感测量方法，其特征在于，包括：

根据测量电感对象对永磁电机转子进行定位，并在定位完成后，将电机转子固定，其中，若测量d轴电感，则将电机转子d轴对齐定子α轴，若测量q轴电感，则将电机转子q轴对齐定子α轴；

设计电感测量电流，所述电感测量电流在定子的α轴和β轴的电流指令值均存在直流分量；

加载所述电感测量电流，使电机响应电流跟随所述电感测量电流在定子的α轴和β轴的电流指令值；

记录若干个周期内的电压和电流，提取所述电压的基波分量以及所述电流的基波分量，并将所述电压的基波分量以及所述电流的基波分量进行坐标变换至定子静止α-β坐标系；

由坐标变换后的电压与电流计算电枢磁链，根据电枢磁链相对于参考位置的偏移方向调节电机电阻值，基于调节后的电机电阻值重新计算电枢磁链，并根据新得到的电枢磁链相对于参考位置的偏移方向调节电机电阻值，直至最后得到的目标电枢磁链相对于参考位置不再发生偏移，从而消除电阻误差的影响；

由目标电枢磁链中电枢磁链的最大值和最小值以及目标电枢磁链中电流的最大值和最小值计算永磁电机电感。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设计电感测量电流，所述电感测量电流在定子的α轴和β轴的电流指令值均存在直流分量，包括：

在测量d轴电感时，α-β坐标系中的电机电感测量电流指令为：

在测量q轴电感时，α-β坐标系中的电机电感测量电流指令为：

其中，f是电感测量电压电流的频率，与表示电机电流矢量的dq轴分量，且I^*表示电机电流矢量，θ是电流矢量I^*相对α轴线的夹角。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述由坐标变换后的电压与电流计算电枢磁链，包括：

由计算电枢磁链，其中，T表示电感测量过程中记录的电压电流数据的时间长度，R^-表示电机电阻的测量值，v_α表示经过电压变换后的电压值，i_α表示经过电流变换后的电流值。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据电枢磁链相对于参考位置的偏移方向调节电机电阻值，包括：

根据电枢磁链公式，以α轴电流i_α为横坐标，以α轴电枢磁链ψ_α为纵坐标，绘制电枢磁链-电流轨迹；

若电枢磁链-电流轨迹相对于参考位置向下偏移，则减小R^-；

若电枢磁链-电流轨迹相对于参考位置向上偏移，则增大R^-；

若电枢磁链-电流轨迹相对于参考位置不发生偏移，则R^-不变，此时电阻误差得到消除。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述由目标电枢磁链中电枢磁链的最大值和最小值以及目标电枢磁链中电流的最大值和最小值计算永磁电机电感，包括：

由计算永磁电机电感，其中，ψ_α,max和ψ_α,min分别是电枢磁链-电流轨迹中电枢磁链的最大值和最小值，i_α,max和i_α,min分别是电枢磁链-电流中电流的最大值和最小值。