CN108880367A - 用于识别电动机的转子的电阻的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于识别感应电动机(M)的转子的电阻值(Rr)的方法来实施，该方法包括以下步骤：a)基于对电动机的转子的电阻的选定值确定参考电压b)对电动机施加控制电压(us)，所述控制电压基于所述参考电压来确定，c)获取电动机三相中测得的电流值(i1、i2、i3)，从而推导出电动机的定子电流(iS)，d)将获得的定子电流(iS)与预定值进行比较，e)校正用于转子的电阻(Rr)的所述值并应用步骤a)至d)直到获得等于所述预定值的定子电流(iS)。

Description

用于识别电动机的转子的电阻的方法
技术领域
本发明涉及一种用于识别感应电动机的转子的电阻的方法。
本发明还涉及一种能够实施所述方法的识别系统。
背景技术
电动机由变速驱动器控制，并实施适当的控制规律。为了正确地控制电动机，变速驱动器及其处理单元必须采用受控制的电动机的某些参数。
为确保稳定和有效的控制，变速驱动器优选地采用值精确的参数。特别是用于电动机的转子的阻力(也被称为“转子阻力”)。现在，事实证明，转子电阻的精确值对于变速驱动器的处理单元不一定是已知的。处理单元可以随后在，例如在控制操作中使用默认值，由此经常导致性能受损。具体来说，处理单元可能高估或低估了转子电阻，导致定子中的电流变化，并因此导致用于计算控制规律的电压的算法的实施出现误差。
然而，已经提出了许多解决方案来确定转子的电阻。这些解决方案中的一些包括确定转子感应以便从中推导出转子电阻。然而(细节不做赘述)由于磁饱和，转子感应的值不一定是恒定的，由此导致转子电阻的确定出现误差。
对于该部分的专利EP1713173B1描述了包括调节电动机参数的解决方案。其是在线实施的，也就是说在电机的正常操作中实施。其主要包括使用电流回路的积分项来调整电机模型的参数值。
该解决方案也不令人满意，特别是因为其必须在当电机上存在负载时实施，并且要求使用速度传感器(闭环)。
参考文献“DIAB AHMED A ZAKI等人，“无传感器矢量控制感应电机驱动器的转子电阻和速度的并行估算”-2016年第17届微/纳米技术和电子设备(EDM)年轻专家国际会议，电气和电子工程师协会(IEEE)，2016年6月30日，第389-394页，XP032943052，DOI:10.1109/EDM.2016.7538763”描述了一种通过使用自适应系统来识别电动机的转子的电阻值的方法。
因此，本发明的目的是提出一种用于识别转子的电阻的新方法，该方法是可靠的，不需要使用速度传感器(闭环)，并且能够在当电机上存在负载或者不存在负载时实施。
发明内容
该目的通过一种用于识别感应电动机的转子的电阻值的方法来实施，所述方法包括以下步骤：
a)基于对电动机的转子的电阻的选定值确定参考电压，
b)对电动机施加控制电压，所述控制电压基于所述参考电压来确定，
c)获取电动机三相中测得的电流值，从而推导出电动机的定子电流，
d)将获得的定子电流与预定值进行比较，
e)校正用于转子的电阻的所述值，并应用步骤a)至d)直到获得等于所述预定值的定子电流。
该目的也通过一种用于识别感应电动机的转子的电阻值的方法来实施，所述方法包括以下步骤：
a)确定测量电压，对于该测量电压，代表在电动机的三相中测量的电流的定子电流等于预定值，
b)基于对电动机的转子的电阻的选定值确定参考电压，
c)将所述参考电压与测量电压进行比较，
d)校正用于转子的电阻的所述值，并应用步骤a)至c)直到获得所述参考电压和测量电压之间的相等。
根据一个特定特征，所述预定值对应于零值或接近于零值。
根据一个特定实施例，该方法根据包括多个连续迭代的二分原理来实施，其中在每次迭代中间隔被除以二，对于转子的电阻的所寻求的值位于该间隔中。
根据另一个特定实施例，该方法根据包括多个连续迭代的梯度原理来实施，其中在每次迭代中，根据比较步骤的结果的含义修改对于转子的电阻的选定值。
该目的也通过一种用于识别感应电动机的转子的电阻值的系统来实施，该系统包括：
a)用于基于对电动机的转子的电阻的选定值确定参考电压的模块，
b)用于对电动机施加控制电压的模块，所述控制电压基于所述参考电压来确定，
c)用于获取电动机三相中测得的电流值从而推导出电动机的定子电流的模块，
d)用于将获得的定子电流与预定值进行比较的模块，
e)用于校正用于转子的电阻的所述值并执行模块a)至d)直到获得等于所述预定值的定子电流的模块。
该目的也通过一种用于识别感应电动机的转子的电阻值的系统来实施，该系统包括：
a)用于确定测量电压的模块，对于该测量电压，代表在电动机的三相中测量的电流的定子电流等于预定值，
b)用于基于对电动机的转子的电阻的选定值确定参考电压的模块，
c)用于将所述参考电压与测量电压进行比较的模块，
d)用于校正用于转子的电阻的所述值并执行模块a)至c)直到获得所述参考电压和测量电压之间的相等的模块。
根据一个特定特征，所述预定值对应于零值或接近于零值。
根据一个特定实施例，该系统被配置为根据包括多个连续迭代的二分原理来操作，其中在每次迭代中间隔被除以二，对于转子的电阻的所寻求的值位于该间隔中。
根据另一个特定实施例，该系统被配置为根据包括多个连续迭代的梯度原理来操作，其中在每次迭代中，根据比较步骤的结果的含义修改对于转子的电阻的选定值。
本发明最后涉及旨在用于电动机的控制的变速驱动器，该变速驱动器包括具有根据上述定义的识别系统的控制系统。
附图说明
其他特征和优点将在以下参考附图给出的详细描述中出现，其中：
图1示出了包括本发明的控制系统的传统变速驱动器的布局。
图2示出了说明本发明的控制方法的操作原理的概述。
图3A至3B示意性地示出了本发明的识别方法的原理。
图4说明了转子电阻值的二分寻求原理。
图5根据一个特定实施例，说明了本发明的识别方法的操作原理。
具体实施方式
以下描述的本发明应用于优选地具有三相电源的异步(感应)电机M的控制。其以传统矢量或标量控制方案在开环中实施，也就是说没有在电动机处的速度测量的反馈，或者在闭环中实施，也就是说在电动机处有速度测量的反馈。
本发明的识别方法在包括处理单元UC的控制系统中实施。处理单元UC包括至少一个微处理器和存储器。该控制系统与旨在用于电动机的控制的变速驱动器相关联。其可以特别地集成到所述变速驱动器中。
以已知的方式，变速驱动器通常包括：
-输入相R、S、T，其连接到提供交流(AC)电压的电网；
-交流(AC)/直流(DC)整流器10，例如二极管电桥，其旨在将由电网提供的交流(AC)电压转换为直流(DC)电压；
-直流(DC)电源总线，其连接在整流器的输出端，并且包括两条电源线，在两条电源线之间应用直流(DC)电压；
-至少一个总线电容器Cbus，其连接在总线的两条电源线之间，并且旨在将直流(DC)电压保持在恒定值；
-直流(DC)/交流(AC)逆变器11，其连接到直流(DC)电源总线并包括多个例如IGBT型的功率晶体管，其由处理单元控制，以便将所需电压应用到连接到电动机的输出相上。逆变器11由，例如使用PWW(脉宽调制)或DTC(直接转矩控制)类型的传统技术来控制。由处理单元UC执行的控制规律使得可以确定将应用到输出相的电压；
-输出相1、2、3旨在连接到要被控制的电动机M上。
以非限制性的方式，将针对开环中的U/F标量控制规律来描述本发明。应当理解的是，无论使用哪种控制规律，下文描述的方法都是相同的。
以已知的方式，参考图2，由处理单元执行的用于控制开环中的异步电动机的传统U/F标量控制规律包括以下主要特征：
-电动机设定点和通量设定点的转子的角速度被应用为输入；
-模块M0根据作为输入接收的电动机设定点的转子的角速度来确定电动机的转子的参考角速度
-计算模块M1，其接收通量设定点和转子的参考角速度作为输入，其确定参考定子电流和以及参考定子通量
-模块M2，其接收转子的参考角速度参考定子通量和参考电流和作为输入，确定将被应用到电动机上的电压和以及将被应用的取向角度θs；
-模块M3应用帕克(Park)变换以确定将被应用到三个输出相上的电压u1，u2，u3；
-在本发明的范围内，三个电流i1、i2、i3中的至少两个在电动机的三个相上被测量，以便通过也接收作为输入的取向角度θs的模块M4来减少电流iSd和iSq。
当然，其他模块可以由处理单元实施，但是这些在本申请中不会详细描述。
该控制规律在操作阶段期间实施，也就是说在由变速驱动器控制的电动机M的正常操作期间实施。
本发明更具体地涉及一种用于识别电动机的转子的电阻的方法。该识别可以在电机的正常操作之前或者在配置变速驱动器的阶段期间的任何其他时间实施。
识别方法由识别系统实施，优选地由变速驱动器的处理单元UC执行。该识别系统特别是在控制系统的模块M1至M4上以及辅助识别转子阻力的附加模块M5上。电流和电压测量装置将有利地集成到本发明的识别系统中，并且所实施的测量步骤将有利地形成本发明的识别方法的一部分。
为了实施该识别方法，利用以下演示，其中指标‘R’使得可以识别与转子相关联的参数，指标‘S’使得可以识别与定子相关联的参数，并且指数‘ref’使得可以识别参考参数。
使用以下公式计算参考定子电压
其中，通过构造，参考定子电压基于两个d轴和q轴分量以复数形式书写，如下所 示：
与转子的动态关系由以下等式给出：
我们正在寻求创造一个消除定子电流的电压，即和以与对于电压相同的方式，定子电流以复数形式书写，如：
电机的磁耦合给出以下关系：
其中：
例如，饱和函数可以由以下函数f表示：
其中：
-ωs对应于电压的角速度(从取向角度θs导出)；
-对应于参考磁化通量，而不损失由量值表示的一般性；
-对应于参考转子通量，而不损失由实际量值表示的一般性；-对应于参考定子电流，等于0；
-对应于参考转子电流，而不损失以实际量值表示的一般性；
-Rr对应于转子的阻力(或“转子阻力”)；
-LFR对应于转子漏电感；
-LSXI和γ对应于所描述的函数f的电动机的磁饱和参数。
通过用其表达替换其变成：
通过计算磁饱和函数f的导数，我们得到：
该算法遵循下文描述的步骤。
从公式(2)和(3)可得出的发展规律如下：
然后，我们可以计算磁化通量，这也是定子通量：
最终，电压由定子通量及其导数计算得出：
定子电压的值为：
从上述关系推导出，转子的电阻和参考定子电压之间存在关系。由此可见，改变转子的电阻将对该电压的值产生影响。
从关系中：
我们从中推断出：
通过旋转角度θs，我们在固定的参考系中获得两个电压为了简化计算，我们引入了等于0的第三个分量该分量代表了电机相对于平衡标准模型的差异。其只保持应用克拉克(Clarke)变换以计算电压u1，u2，u3：
以对称的方式，测量的电流i1、i2、i3可以通过逆克拉克变换来变换；
接下来，从逆旋转和两个电压分量iα、iA中，我们获得两个电流值：iSd和iSn。电流iS计算为这些值的函数。
本发明的一般原理在于制定一种有效的算法，该算法使得能够朝向转子的电阻Rr的所寻求的值收敛。
参考图3A和3B，然后可以有两种替代方案。
图3A示出的第一替代方案在于遵循以下循环：
-在第一块B1中将第一理论值作为控制规律的输入(例如，如上所述的U/F)分配给转子的电阻变量；
-在块B2中，从分配给转子的电阻的该第一值确定参考定子电压
-将根据参考电压计算出的电压(定子电压uS)应用于电机；
-测量电机的三个绕组中的电流i1、i2、i3，以从中推导出定子电流iS；
-在块B3中比较获得的定子电流Is与预定参考值(例如)；
-只要尚未达到定子电流的预定值就对于转子的电阻值以新值重新开始上述循环。
三个块B1、B2、B3特别地集成到上述控制系统的模块M1至M5中。
块B1，例如在模块M2中执行以计算控制电压。
块B2，例如在模块M2中执行以计算电压。
块B3例如在模块M5中执行，用于处理在测量期间获取的定子电流，并根据所选择的搜索解决方案(见下文)从中推导出将被分配给转子的电阻的新理论值
图3B示出的第二种选择在于遵循以下循环：
-通过测量获取参考测量电压对于该参考测量电压，定子电流Is等于预定参考值，也就是说，例如iS＝0；
-在第一块B10中将第一理论值作为控制规律的输入(例如，如上所述的U/F)分配给转子的电阻变量；
-在块B20中，根据分配给转子的电阻的该第一理论值确定参考定子电压
-在块B30中，将参考定子电压与最初获取的测量电压进行比较；
-只要两个电压不相等，就对于转子的电阻以新值重新开始上述循环。分配给转子电阻的新理论值是根据两个电压之间的比较结果确定的。
电压的初始获取能够根据两个独立的原理实施：
-通过使电机进入惯性滑行模式，也就是说施加于电机的电压不受控制；
-通过将定子电流调节到零值，然后通过作用于电流的控制环计算施加到电机的电压。
理论上来说，要获得的预定定子电流iS值与转子的电阻Rr的精确值对应，其接近零，优选地等于零。换句话说，当转子的电阻处于其精确值时，当实施本发明的解决方案时获得的定子电流iS在该值接近零，通常是额定电流除以50，优选地为零。
为了优化对转子的电阻Rr的精确值的搜索，可以设置多个算法以便朝向转子电阻Rr的准确值收敛。以非限制性的方式：
第一种解决方案在于使用二分原理：
第二种解决方案在于设置所谓的梯度法。
在第一种解决方案中，使用二分原理，所使用的参数是RMAX、RMIN，它们对应于每个间隔的极限，在间隔中寻找转子阻值的值和N次迭代。原理上，在每一次新的迭代中(也就是说，在每个新的循环开始时给转子电阻分配新的值)，将要分配给转子电阻的可能值的间隔宽度除以二。当达到迭代次数时，转子电阻的值位于探索的最后一个间隔中。这个间隔越窄，值将越精确。图4更加精确地说明了原理。
这两种搜索解决方案可能适用于上述两种替代方案，只有停止搜索的约束条件不同(用于第一替代方案的公式和公式)。
作为示例且非限制性地，参考图4，对于上文结合图3A描述的第一替代方案，二分搜索算法包括以下各种块：
-定义参数RMAX、RMIN，其值在确定的值处被初始化以定义搜索间隔；R0也被选择为具有包含在间隔RMAX和RMIN内的值。
-块B100是与在整个搜索过程中上述块B3对应的处理块。在该块中，基于定子电流的值iS和值之间的比较来确定是否继续搜索；
-块B200对应于用于测试电流iS的值是否大于零的测试块；
-如果电流iS大于零，则块B300在于用R0替代RMAX的值；R0＝(RMAX+RMIN)/2
-如果电流iS小于零，则块B400在于用R0替代RMIN的值；R0＝(RMAX+RMIN)/2
-块500对应于迭代的结束块，在新的迭代之前使用分配给R0的新值。
图5因此使用二分示意性地示出了本发明的识别方法的原理。横坐标显示迭代次数，纵坐标显示每次迭代后更新的分配给转子电阻Rr的值。五次迭代后，可以看到朝向转子电阻Rr的精确值的收敛。
上文概述的第二种搜索解决方案在于基于在每次新的迭代中获得的定子电流Is的变化，向下或向上改变分配给转子电阻Rr的值。使用该方法能够容易地理解，因此在本申请中没有详细描述。
从上文可以理解，本发明的用于识别电动机的转子的阻力的解决方案具有一定的优点，包括：
-由于该方法易于集成到电动机的控制规律中，因此具有一定的简单性；
-该方法只能在以其电动机配置变速驱动器的阶段执行一次；
该解决方案不需要在电动机上使用速度传感器，因此能够在开环中操作。

Claims (11)

1.一种用于识别感应电动机(M)的转子的电阻值(Rr)的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
a)基于对电动机的转子的电阻的选定值确定参考电压
b)对电动机施加控制电压(uS)，所述控制电压基于所述参考电压来确定，
c)获取电动机三相中测得的电流值(i1、i2、i3)，从而推导出电动机的定子电流(Is)，
d)将获得的定子电流(iS)与预定值进行比较，
e)校正用于转子的电阻(Rr)的所述值并应用步骤a)至d)直到获得等于所述预定值的定子电流(iS)。
2.一种用于识别感应电动机(M)的转子的电阻值(Rr)的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
a)确定测量电压对于该测量电压，代表在电动机的三相中测量的电流(i1、i2、i3)的定子电流(iS)等于预定值
b)基于对电动机的转子的电阻的选定值确定参考电压
c)将所述参考电压与测量电压进行比较，
d)校正用于转子的电阻(Rr)的所述值并应用步骤a)至c)直到获得所述参考电压和测量电压之间的相等。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述预定值对应于零值或接近于零的值。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，该方法根据包括多个连续迭代的二分原理来实施，其中在每次迭代中间隔被除以二，对于转子的电阻的所寻求的值位于该间隔中。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，该方法根据包括多个连续迭代的梯度原理来实施，其中，在每次迭代中，根据比较步骤的结果的含义修改对于转子的电阻的选定值
6.一种用于识别感应电动机(M)的转子的电阻值(Rr)的系统，其特征在于，该方法包括：
a)用于基于对电动机的转子的电阻的选定值确定参考电压的模块，
b)用于对电动机施加控制电压(uS)的模块，所述控制电压基于所述参考电压来确定，
c)用于获取电动机三相中测得的电流值(i1、i2、i3)从而推导出电动机的定子电流(iS)的模块，
d)用于将获得的定子电流(iS)与预定值进行比较的模块，
e)用于校正用于转子的电阻(Rr)的所述值并执行模块a)至d)直到获得等于所述预定值的定子电流的模块。
7.一种用于识别感应电动机(M)的转子的电阻值(Rr)的系统，其特征在于，该方法包括：
a)用于确定测量电压的模块，对于该测量电压，代表在电动机的三相中测量的电流(i1、i2、i3)的定子电流(iS)等于预定值
b)用于基于对电动机的转子的电阻的选定值确定参考电压的模块，
c)用于将所述参考电压与测量电压进行比较的模块，
d)用于校正用于转子的电阻(Rr)的所述值并执行模块a)至c)直到获得所述参考电压和测量电压之间的相等的模块。
8.根据权利要求6或7所述的系统，其特征在于，所述预定值对应于零值或接近于零的值。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，该方法配置为根据包括多个连续迭代的二分原理来操作，其中在每次迭代中间隔被除以二，对于转子的电阻的所寻求的值位于该间隔中。
10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，该方法配置为根据包括多个连续迭代的梯度原理来操作，其中在每次迭代中，根据比较步骤的结果的含义修改对于转子的电阻的选定值
11.一种用于控制电动机的变速驱动器，其特征在于，其包括控制系统，该控制系统包括根据权利要求6至10中任一项所述的识别系统。
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