CN109782173A - 异步电机励磁互感曲线测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种异步电机励磁互感曲线测量系统及测量方法，系统包括控制器、三相异步电机、传感单元与上位机；传感单元实时测量输出转矩与转子角频率信息并发送至控制器；控制器与传感单元、三相异步电机以及上位机连接，控制电机工作。本发明通过上位机设置不同励磁电流参考值，实时调整转差角频率，使转子磁场准确定向，记录不同励磁电流参考值对应的电机输出转矩最大值，求解不同励磁电流参考值对应的励磁互感值，得到励磁互感曲线。本发明的测量方法能够快速准确的测量出电机的励磁互感曲线，励磁互感曲线数据可作为查询表应用于转子磁场定向矢量控制算法，显著提高转子磁场定向准确性、转矩控制精度以及弱磁控制稳定性。

Description

异步电机励磁互感曲线测量系统及其测量方法

技术领域

本发明属于电机对拖测试技术领域，尤其涉及一种异步电机励磁互感曲线测量系统及其测量方法。

背景技术

基于转子磁场定向的三相异步电机矢量控制广泛应用于交流传动领域，该方法将定子电流分解为励磁电流分量和转矩电流分量，将励磁控制与转矩控制实现解耦，使异步电机具有了与直流电机相媲美的控制性能。间接磁场定向是工程实践中常用的磁场定向方案，转子磁链定向角由电角频率积分得到，其中电角频率为转子角频率与转差角频率之和。准确的磁场定向依赖于准确的电机参数，转差角频率受励磁互感影响较大，而励磁互感主要由电机运行状态决定。

常规的励磁互感辨识方法只能测量某个特定电机运行状态下的励磁互感值，而无法获得励磁互感曲线。异步电机实际控制过程中，如果励磁互感参数存在偏差，异步电机将在欠励或过励下运行，且无法实现转子磁场的准确定向，导致电机动静态性能变差，如电机损耗增加、系统效率降低、转矩脉动、转矩精度变差、系统调速性能变差、弱磁控制性能变差等问题。因此，为实现三相异步电机矢量控制中的转子磁链准确定向，提高三相异步电机矢量控制的性能，设计一种电机的励磁互感曲线测量方法是十分必要的。

发明内容

本发明在解决上述励磁互感辨识方法不足的基础上提供了一种异步电机励磁互感曲线测量系统及测量方法，采用该方法，可以快速准确的测量出电机的励磁互感曲线，励磁互感曲线数据可作为查询表应用于转子磁场定向矢量控制算法，显著提高转子磁场定向准确性、转矩控制精度以及弱磁控制稳定性。

一种异步电机励磁互感曲线测量系统，包括控制器、三相异步电机、传感单元以及上位机；

所述传感单元包括转矩传感器与转速传感器，所述转矩传感器采集三相异步电机的输出转矩信息并发送至控制器，所述转速传感器采集三相异步电机的转子角频率信息并发送至控制器；

所述控制器与传感单元、三相异步电机以及上位机连接，获取传感单元传感器采集的三相异步电机的输出转矩信息与转子角频率信息，并进行信号调制与控制运算处理，生成控制指令以控制三相异步电机；

所述控制器包括：

三相电流采集单元，与逆变器输出端连接，用于采集三相电流信息；

锁相单元：包括加法器与积分器，获取转速传感器采集的转子角频率信息与上位机设置的转差角频率信息，通过加法运算生成电角频率后经过积分运算后，输出转子磁链定向角信息；

解耦单元：输入端与所述三相电流采集单元输出端以及锁相单元输出端连接，获取三相电流信息与转子磁链定向角信息，进行同步坐标系下分解，生成励磁电流与转矩电流；

反park变换单元：输入端与所述解耦单元输出端通过比较器与转矩电流PI调节器、以及比较器与励磁电流PI调节器相连；反park变换单元输入端与锁相单元输出端连接；

SVPWM合成单元：输入端与所述反park变换单元输出端连接，输出端与逆变器连接；进行SVPWM调制，生成逆变器IGBT驱动信号，控制逆变器IGBT的开闭。

本发明还提供了一种异步电机励磁互感曲线测量方法，采用所述的测量系统，包括：

设置不同的励磁电流参考值i_d-n ^*与转矩电流参考值i_q-n ^*，i_d-n ^*＝i_q-n ^*；

实时调整转差角频率ω_s，使转子磁场准确定向，记录不同励磁电流参考值i_{d_n} ^*对应的电机输出转矩最大值T_{max_n}；

根据转子磁链计算公式|ψ_r|＝L_mi_d ^*与电机输出转矩公式求解不同励磁电流参考值i_{d_n} ^*对应的励磁互感值L_{m_n}，得到励磁互感L_m与励磁电流i_d ^*的关系曲线；其中p_n为电机极对数，L_r为转子电感。

优选的，设置不同的励磁电流参考值i_d-n ^*与转矩电流参考值i_q-n ^*的方法为：

根据待测的异步电机设定励磁电流参考值的上限值i_{d_max} ^*、下限值i_{d_min} ^*，即i_d-n ^*∈[i_d-min ^*，i_d-max ^*]，设定步长为M。

优选的，实时调整转差角频率ω_s，使转子磁场准确定向，记录不同励磁电流参考值i_{d_n} ^*对应的电机输出转矩最大值T_{max_n}的方法为：

根据待测的异步电机设定转差角频率ω_s，设置转差角频率ω_s的取值范围，即ω_s∈[ω_min，ω_max]，其中ω_max为转差角频率上限值，ω_min为转差角频率下限值，设定步长为N；

当励磁电流取值为i_{d_n} ^*时，实时调整转差角频率ω_s，使转矩传感器测量的输出转矩最大时，记录最大输出转矩值T_max-n。

优选的，设定L_r＝1.03*L_m，则励磁电流为i_d-n ^*时对应的励磁互感测量值L_m-n为：

其中,p_n为电机极对数。

优选的，所述的异步电机励磁互感曲线测量方法，还包括：

测量转子角频率ω_r以及三相电流i_a、i_b、i_c；

将转子角频率ω_r与给定的转差角频率ω_s的和值进行积分运算后得到转子磁链定向角θ；

将三相电流i_a、i_b、i_c经过Clark变换与Park变换生成励磁电流i_d与转矩电流i_q；

将d、q轴给定的励磁电流参考值i_d-n ^*、转矩电流参考值i_q-n ^*与励磁电流i_d、转矩电流i_q进行比较，将其差值分别进行比例积分运算后，得到d、q轴电压U_d与U_q；

将d、q轴电压U_d、U_q进行反park变换，得到α、β轴电压U_α、U_β；

SVPWM调制生成逆变器IGBT驱动信号，调节逆变器输出电压。

优选的，将三相电流i_a、i_b、i_c经过Clark变换与Park变换生成励磁电流i_d与转矩电流i_q的方法为：

根据Clark变换

根据Park变换

将以上两式联立，求解励磁电流i_d与转矩电流i_q。

优选的，将d、q轴电压U_d、U_q进行反park变换，得到α、β轴电压U_α、U_β的方法为：

根据Ipark变换

根据上式，求解U_α、U_β值。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

(1)本发明提供了一种异步电机励磁互感曲线测量系统，系统在电机对拖测试系统的基础上进行改进，控制器采用基于转子磁场定向的空间矢量控制算法设置，转矩传感器与转速传感器实时采集电机的输出转矩与转子角频率信息发送至控制器，控制器与上位机通信，输出PWM脉冲控制逆变器IGBT的开闭状态，进而控制三相异步电机的工作。本发明系统设计简单，采用传感器直接测量输出转矩与转子角频率信息，较常用的励磁互感辨识的矢量控制系统，测量系统简单、效率高。

(2)本发明的异步电机励磁互感曲线测量方法，通过上位机设置不同的励磁电流参考值与转矩电流参考值，然后使用上位机实时修改转差角频率值，记录各个励磁电流参考值对应的电机输出转矩最大值，然后通过输出转矩公式计算得到不同励磁电流时的励磁互感值，得到励磁互感与励磁电流的关系曲线。本发明励磁互感曲线测量方法较常用的励磁互感辨识方法，测量方法简单，能够快速准确的测量出电机的励磁互感曲线，励磁互感曲线数据可作为查询表应用于转子磁场定向矢量控制算法，可实时补偿转子时间常数，显著提高转子磁场定向准确性、转矩控制精度以及弱磁控制稳定性。

附图说明

图1为本发明的异步电机励磁互感曲线测量系统结构框图；

图2(a)为转子磁场定向超前矢量图；

图2(b)为转子磁场定向滞后矢量图；

图3为本实施例中三相异步电机励磁互感曲线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的描述。

本发明提供了一种三相异步电机励磁互感曲线测量系统，系统结构参考图1所示，系统在电机对拖测试平台的基础上进行改进，电机对拖测试平台设置有转矩传感器与转速传感器，实时测试三相异步电机的输出转矩信息与转子角频率信息。即测量系统包括：控制器、三相异步电机、传感单元以及上位机；其中传感单元包括转矩传感器与转速传感器，转矩传感器采集三相异步电机的输出转矩信息并发送至控制器，转速传感器采集三相异步电机的转子角频率信息并发送至控制器；控制器与传感单元、三相异步电机以及上位机连接，获取传感单元传感器采集的三相异步电机的输出转矩信息与转子角频率信息，并进行信号调制与控制运算处理，生成控制指令以控制三相异步电机。

其中，电机控制器采用基于转子磁场定向的空间矢量控制算法，包括：

三相电流采集单元，与逆变器输出端连接，用于采集三相电流信息；

锁相单元：包括加法器与积分器，转速传感器采集的转子角频率信息与上位机设置的转差角频率信息，通过加法运算生成电角频率后经过积分运算后，输出转子磁链定向角信息；

解耦单元：输入端与三相电流采集单元输出端以及锁相单元输出端连接，获取三相电流信息与转子磁链定向角信息，进行同步坐标系下分解，生成励磁电流与转矩电流；

反park变换单元：输入端与解耦单元输出端通过比较器与转矩电流PI调节器、以及比较器与励磁电流PI调节器相连；反park变换单元输入端与锁相单元输出端连接；

SVPWM合成单元：输入端与反park变换单元输出端连接，输出端与逆变器连接；进行SVPWM调制，生成逆变器IGBT驱动信号，控制逆变桥6个IGBT的开通与关闭，实现对电机的控制。

本发明的异步电机励磁互感曲线测量系统，通过转矩传感器与转速传感器实时采集电机的输出转矩与转子角频率信息并传输至控制器，控制器与上位机通信，输出PWM脉冲控制逆变器IGBT的开闭状态，进而控制三相异步电机的工作。本发明系统设计简单，采用传感器直接测量输出转矩与转子角频率信息，较常用的励磁互感辨识的矢量控制系统，测量系统简单、效率高。

进一步参考图1所示，根据上述测量系统，本发明还提供了一种异步电机励磁互感曲线测量方法，采用基于转子磁场定向的矢量控制算法，具体为：

转速传感器实时测量转子角频率ω_r，转差角频率ω_s通过上位机进行设置，电角频率ω_e为转子角频率ω_r与转差角频率ω_s的和，电角频率ω_e积分后得到转子磁链定向角θ。

电机三相电流i_a、i_b、i_c通过Clark变换，分解为α-β静止坐标系下的分量i_α、i_β，即

然后i_α、i_β再经PARK变换分解为d-q旋转坐标系下的分量i_d、i_q，即：

其中，i_d为励磁电流分量，i_q为转矩电流分量，θ为转子磁链定向角。

将d、q轴给定的励磁电流参考值i_d ^*、转矩电流参考值i_q ^*与励磁电流i_d、转矩电流i_q进行比较，将其差值分别进行比例积分运算后，得到d、q轴电压U_d与U_q。其中，励磁电流参考值i_d ^*和转矩电流参考值i_q ^*由上位机进行设置,两个PI环实现对励磁电流和转矩电流的准确控制，两个PI环的输出为输出电压在d-q旋转坐标系下的分量u_d、u_q。

将d、q轴电压U_d、U_q进行Ipark变换，得到输出电压在α-β静止坐标系下的分量U_α、U_β，即由上式可计算出U_α、U_β值。

最后经SVPWM调制合成PWM脉冲波，控制逆变桥6个IGBT的开通和关断，实现对电机的控制。

在上述测试方法中，系统测试时，由于转差角频率ω_s通过上位机进行人为设置，因此转子磁场定向的准确性完全取决于设置的转差角频率ω_s大小，转子磁场定向不准确时将出现定向角超前和滞后两种情况，如图2(a)、2(b)所示，图中ψ_r为实际转子磁链位置，d-q是以实际转子磁链位置为基准的旋转坐标系，d^*-q^*是以转子磁链定向角θ为基准的旋转坐标系，i_s为定子电流。

当转差角频率ω_s设置值偏大时，转子磁链定向角将超前实际转子磁链位置，参考图2(a)所示，此时实际励磁电流i_d将小于励磁电流参考值i_d ^*，三相异步电机将在欠励情况下运行。若励磁电流参考值i_d ^*等于转矩电流参考值i_q ^*，随着θ的增大，电机输出转矩将不断减小。当转差角频率设置值ω_s偏小时，转子磁链定向角将滞后实际转子磁链位置，如图2(b)所示，此时实际励磁电流i_d将大于励磁电流参考值i_d ^*，三相异步电机将在过励情况下运行。若励磁电流参考值i_d ^*等于转矩电流参考值i_q ^*，随着θ的增大，电机输出转矩将不断减小。因此，本发明中上位机设置励磁电流参考值等于转矩电流参考值，即i_d ^*＝i_q ^*，然后调整转差角频率ω_s设置值的大小，当电机输出转矩最大时，此时转子磁场实现准确定向，转子磁链定向角等于实际转子磁链角，保证电机正常工作。

具体的，上位机设置不同的励磁电流参考值i_d-n ^*与转矩电流参考值i_q-n ^*，i_d-n ^*＝i_q-n ^*；即上位机根据待测的异步电机设定励磁电流参考值的上限值i_d-max ^*、下限值i_d-min ^*，即i_d-n ^*∈[i_d-min ^*，i_d-max ^*]，设定取值步长为M，一般测试时可根据具体情况设置步长M的值。

然后上位机实时调整转差角频率ω_s，使转子磁场准确定向，记录不同励磁电流参考值i_d-n ^*对应的电机输出转矩最大值T_max-n；即根据待测的异步电机设定转差角频率ω_s，设置转差角频率ω_s的取值范围，即ω_s∈[ω_min，ω_max]，其中ω_max为转差角频率上限值，ω_min为转差角频率下限值，设定取值步长为N，一般测试时可根据具体情况设置步长N的值，例如通常设置为N＝1rad/s或N＝2rad/s。

当励磁电流取值为i_d-n ^*时，实时调整转差角频率ω_s，使转矩传感器测量的输出转矩最大时，记录最大输出转矩值T_max-n。

当转子磁场准确定向时，根据转子磁链计算公式|ψ_r|＝L_mi_d ^*与输出转矩公式求解不同励磁电流参考值i_d-n ^*对应的励磁互感值L_m-_n，即可得到励磁互感L_m与励磁电流i_d ^*的关系曲线；其中p_n为电机极对数，L_r为转子电感。

由于，转子电感L_r为励磁互感L_m和转子漏感L_rσ之和，且转子漏感L_rσ远小于励磁互感L_m，可认为L_r≈L_m；当转子漏感L_rσ未知时，通常情况下根据经验取L_r/L_m＝1.03，此时励磁电流为i_d ^*时的励磁互感测量值为：

实施例：

为了突出本算法的优点，以某型电动汽车用25kW三相异步电机的励磁互感曲线为例，励磁互感曲线参考图3所示。本实施例中通过上位机设置不同的励磁电流参考值，转矩电流参考值等于励磁电流参考值，设置5A一个测量点，然后使用上位机实时修改转差角频率，当电机输出转矩最大时，记录该转矩值。最后由励磁互感测量公式(1)计算得到不同励磁电流时的励磁互感值，得到励磁互感与励磁电流的关系曲线，即励磁互感曲线。本实施例中励磁互感曲线数据已应用于该型号电动汽车电驱控制算法中，电机在全转速范围内运行稳定，高速弱磁区输出转矩稳定、准确。

综上所述，本发明的异步电机励磁互感曲线测量方法，通过转矩传感器与转速传感器实时采集电机的输出转矩与转子角频率信息，上位机设置不同的励磁电流参考值，设定励磁电流参考值等于转矩电流参考值，然后上位机实时修改转差角频率，进而实时调整转子磁链定向角θ，使转子磁场准确定向；然后通过记录各个励磁电流参考值对应的电机输出转矩最大值，通过输出转矩公式计算得到不同励磁电流时的励磁互感值，即可得到励磁互感与励磁电流的关系曲线。而现有的励磁互感辨识方法普遍通过无功功率调节转子磁场定向，可采用给定励磁电流i_d ^*计算给定无功功率Q^*，利用转子电角频率计算反馈无功功率Q，通过给定的无功功率Q^*与反馈无功功率Q差值进行PI运算，调节转子位置角，进而计算励磁互感的方法，此方法只能测量某个特定电机运行状态下的励磁互感值，而无法获得励磁互感曲线。相比较而言，本发明的测量方法简单，能够快速准确的测量出电机的励磁互感曲线，励磁互感曲线数据可作为查询表应用于转子磁场定向矢量控制算法，可实时补偿转子时间常数，显著提高转子磁场定向准确性、转矩控制精度以及弱磁控制稳定性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种异步电机励磁互感曲线测量系统，其特征在于，包括控制器、三相异步电机、传感单元以及上位机；

所述传感单元包括转矩传感器与转速传感器，所述转矩传感器采集三相异步电机的输出转矩信息并发送至控制器，所述转速传感器采集三相异步电机的转子角频率信息并发送至控制器；

所述控制器与传感单元、三相异步电机以及上位机连接，获取传感单元传感器采集的三相异步电机的输出转矩信息与转子角频率信息，并进行信号调制与控制运算处理，生成控制指令以控制三相异步电机；

所述控制器包括：

三相电流采集单元，与逆变器输出端连接，用于采集三相电流信息；

锁相单元：包括加法器与积分器，获取转速传感器采集的转子角频率信息与上位机设置的转差角频率信息，通过加法运算生成电角频率后经过积分运算后，输出转子磁链定向角信息；

解耦单元：输入端与所述三相电流采集单元输出端以及锁相单元输出端连接，获取三相电流信息与转子磁链定向角信息，进行同步坐标系下分解，生成励磁电流与转矩电流；

反park变换单元：输入端与所述解耦单元输出端通过比较器与转矩电流PI调节器、以及比较器与励磁电流PI调节器相连；反park变换单元输入端与锁相单元输出端连接；

SVPWM合成单元：输入端与所述反park变换单元输出端连接，输出端与逆变器连接；进行SVPWM调制，生成逆变器IGBT驱动信号，控制逆变器IGBT的开闭。

2.一种异步电机励磁互感曲线测量方法，采用权利要求1所述的测量系统，其特征在于，包括：

设置不同的励磁电流参考值i_{d_n} ^*与转矩电流参考值i_{q_n} ^*，i_{d_n} ^*＝i_{q_n} ^*；

实时调整转差角频率ω_s，使转子磁场准确定向，记录不同励磁电流参考值i_{d_n} ^*对应的电机输出转矩最大值T_{max_n}；

根据转子磁链计算公式|ψ_r|＝L_mi_d ^*与电机输出转矩公式求解不同励磁电流参考值i_{d_n} ^*对应的励磁互感值L_{m_n}，得到励磁互感L_m与励磁电流i_d ^*的关系曲线；其中p_n为电机极对数，L_r为转子电感。

3.根据权利要求2所述的异步电机励磁互感曲线测量方法,其特征在于，设置不同的励磁电流参考值i_{d_n} ^*与转矩电流参考值i_{q_n} ^*的方法为：

根据待测的异步电机设定励磁电流参考值的上限值i_{d_max} ^*、下限值i_{d_min} ^*，即i_{d_n} ^*∈[i_{d_min} ^*，i_{d_max} ^*]，设定步长为M。

4.根据权利要求3所述的异步电机励磁互感曲线测量方法,其特征在于，实时调整转差角频率ω_s，使转子磁场准确定向，记录不同励磁电流参考值i_{d_n} ^*对应的电机输出转矩最大值T_{max_n}的方法为：

根据待测的异步电机设定转差角频率ω_s，设置转差角频率ω_s的取值范围，即ω_s∈[ω_min，ω_max]，其中ω_max为转差角频率上限值，ω_min为转差角频率下限值，设定步长为N；

当励磁电流取值为i_{d_n} ^*时，实时调整转差角频率ω_s，使转矩传感器测量的输出转矩最大时，记录最大输出转矩值T_{max_n}。

5.根据权利要求4所述的异步电机励磁互感曲线测量方法，其特征在于，设定L_r＝1.03*L_m，则励磁电流为i_{d_n} ^*时对应的励磁互感测量值L_{m_n}为：

其中,p_n为电机极对数。

6.根据权利要求2-5所述的异步电机励磁互感曲线测量方法，其特征在于，还包括：

测量转子角频率ω_r以及三相电流i_a、i_b、i_c；

将转子角频率ω_r与给定的转差角频率ω_s的和值进行积分运算后得到转子磁链定向角θ；

将三相电流i_a、i_b、i_c经过Clark变换与Park变换生成励磁电流i_d与转矩电流i_q；

将d、q轴给定的励磁电流参考值i_{d_n} ^*、转矩电流参考值i_{q_n} ^*与励磁电流i_d、转矩电流i_q进行比较，将其差值分别进行比例积分运算后，得到d、q轴电压U_d与U_q；

将d、q轴电压U_d、U_q进行反park变换，得到α、β轴电压U_α、U_β；

SVPWM调制生成逆变器IGBT驱动信号，调节逆变器输出电压。

7.根据权利要求6所述的异步电机励磁互感曲线测量方法，其特征在于，将三相电流i_a、i_b、i_c经过Clark变换与Park变换生成励磁电流i_d与转矩电流i_q的方法为：

根据Clark变换

根据Park变换

将以上两式联立，求解励磁电流i_d与转矩电流i_q。

8.根据权利要求7所述的异步电机励磁互感曲线测量方法，其特征在于，将d、q轴电压U_d、U_q进行反park变换，得到α、β轴电压U_α、U_β的方法为：

根据Ipark变换

根据上式，求解U_α、U_β值。