CN110677091B - 异步电机无速度传感器控制定转子电阻辨识方法 - Google Patents

异步电机无速度传感器控制定转子电阻辨识方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种异步电机无速度传感器控制定转子电阻辨识方法，属于电力电子与电力传动及轨道交通领域，以解决无速度传感器控制下转速与转子电阻同时辨识比较困难的问题，基于高频电流注入，对自由旋转电机阻抗等效电阻进行估算，通过积分处理以及低通滤波处理得到等效电阻估计值；改变注入方式为直流电流注入，对异步电机的定子电阻进行估算，通过积分处理以及低通滤波处理得到定子电阻估计值；根据等效电阻估计值、定子电阻估计值以及电机转速，计算出转子电阻估计值，本方法用于更新矢量控制中的电机参数以及转速辨识中用的电机参数，提高无速度传感器控制精度，在电流注入的过程中，实际电机发挥的转矩较小，不会对列车的运行造成影响。

Description

异步电机无速度传感器控制定转子电阻辨识方法
技术领域
本发明涉及电力电子与电力传动技术领域，尤其涉及一种异步电机无速度传感器控制定转子电阻辨识方法。
背景技术
目前在广泛应用的异步电机控制策略一般采用矢量控制，为了提高系统的可靠性，降低系统的维护成本，通常采用无速度传感器控制技术。精确的转速估算是无速度传感器控制的根本，但是转速估算的结果往往受到各种电机参数的影响。通常，异步电机定转子电阻受电机运行工况以及电机温度变化而发生改变，导致无速度传感器控制性能下降。
在无速度传感器控制技术应用到轨道交通中还需要面临过分相或者系统故障情况下的带速重投问题，牵引传动系统需要有对自由旋转电机进行快速重投的能力。在无速度传感器控制中，电机转速与转子电阻的同时在线辨识比较难以实现，因此，仅仅在带速重投的过程中对定转子电阻进行辨识成为了可行方案，但是目前并未有具体的在带速重投的过程中对定转子电阻进行辨识成为了可行方案。
发明内容
本发明提供了一种异步电机无速度传感器控制定转子电阻辨识方法，以解决现有技术中存在的缺陷。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
本发明提供了一种异步电机无速度传感器控制定转子电阻辨识方法，包括：
基于高频电流注入，对自由旋转电机阻抗等效电阻进行估算，通过积分处理以及低通滤波处理得到等效电阻估计值；
改变注入方式为直流电流注入，对异步电机的定子电阻进行估算，通过积分处理以及低通滤波处理得到定子电阻估计值；
根据所述的等效电阻估计值、定子电阻估计值以及电机转速，计算出转子电阻估计值。
优选地，基于高频电流注入，对自由旋转电机阻抗等效电阻进行估算，通过积分处理以及低通滤波处理得到等效电阻估计值，包括：
在旋转的异步电机中采用矢量控制，将逆变器输出频率设定为高于电机额定基波频率，利用闭环控制使得电机的三相电流为高频交流，对旋转电机阻抗的等效电阻进行估算，通过低通滤波器输出等效电阻估计值。
优选地，改变注入方式为直流电流注入，对异步电机的定子电阻进行估算，通过积分处理以及低通滤波处理得到定子电阻估计值，包括：
修改所述矢量控制，将逆变器输出频率设置为0，利用电流闭环控制使得电机的三相电流为直流电流，对电机定子电阻进行估算，通过积分处理滤除交流分量，将定子电压积分值与电流积分值相除对异步电机的定子电阻进行估算，通过低通滤波器输出定子电阻估计值。
优选地，基于高频电流注入，对自由旋转电机阻抗等效电阻进行估算，通过积分处理以及低通滤波处理得到等效电阻估计值，包括：忽略励磁支路，根据定子电压参考值以及采集的定子电流值进行积分处理估算，并通过低通滤波器的处理滤除噪声信号，得到等效电阻估计值。
优选地，根据所述的等效电阻估计值、定子电阻估计值以及电机转速，计算出转子电阻估计值，包括：根据所述的等效电阻估计值、定子电阻估计值以及电机转速计算出高频注入时的转差率，进一步计算出转子电阻估计值。
优选地，基于高频电流注入，对自由旋转电机阻抗等效电阻进行估算，通过积分处理以及低通滤波处理得到等效电阻估计值，包括：通过积分处理得到估计的等效电阻值为下式(1)所示：
Figure BDA0002232886640000031
其中，usα为电机输入电压瞬时值，isα为电机输入电流瞬时值，t0为高频电流注入后选择的积分开始时刻，t1为高频电流注入结束时刻，即交流注入的结束时刻。
由上述本发明的异步电机无速度传感器控制定转子电阻辨识方法提供的技术方案可以看出，本发明通过高频电流注入获得旋转电机阻抗等效电阻估计值，然后通过直流注入获得电机定子电阻估计值，根据等效电阻估计值、定子电阻估计值以及电机转速从而获得转子电阻估计值，带速重投的过程中，基于估算的定转子电阻，修正矢量控制以及转速估算中的电机参数，可以提高无速度传感器控制精度及性能，本发明的辨识过程时间短，电机发挥转矩很小，不会对列车产生不良影响。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例提供的一种异步电机无速度传感器控制定转子电阻辨识方法流程示意图；
图2为实施例的高频电流注入时感应电机等效电路示意图；
图3为利用高频电流注入辨识等效电阻的矢量控制框图；
图4为定子电阻计算原理图；
图5为利用直流电流注入辨识定子电阻的矢量控制框图；
图6为转子电阻计算原理图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤和/或操作，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤和/或操作的组。应该理解，这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明。
实施例
图1为本实施例提供的一种异步电机无速度传感器控制定转子电阻辨识方法流程示意图，参照图1，该方法包括：
S1基于高频电流注入，对自由旋转电机阻抗等效电阻进行估算，通过积分处理以及低通滤波处理得到等效电阻估计值。
在旋转的异步电机中采用矢量控制，将逆变器输出频率设定为固定高频，即高于电机额定基波频率，利用闭环控制使得电机的三相电流为高频交流，对旋转电机阻抗的等效电阻进行估算，通过低通滤波器输出等效电阻估计值。
图2为本实施例的高频电流注入时感应电机等效电路示意图，参照图2，在旋转的异步电机中通入高频电流，励磁支路阻抗远远大于转子支路阻抗，进而忽略励磁支路。
根据定子电压参考值以及采集的定子电流值进行估算：采用矢量控制，通过设定逆变器输出频率为固定高频，由于电流闭环的作用，得到电机的定子电流为高频交流状态。在此状态下，电机阻抗的等效电阻为下式(1)所示：
Figure BDA0002232886640000051
其中，Rz为等效电阻，Rs为定子电阻，Rr为转子电阻，s为转差率。
在电流注入时根据输入的有功功率可以得到下式(2)：
Figure BDA0002232886640000052
其中，Pin为电机输入的有功功率，Isα为电机输入电流的有效值。
根据有效值的定义得到下式(3)：
Figure BDA0002232886640000053
其中，usα为电机输入电压瞬时值，isα为电机输入电流瞬时值。
最后估计的等效电阻值为下式(4)所示：
Figure BDA0002232886640000061
其中，t0为高频电流注入后选择的积分开始时刻，t1为高频电流注入结束时刻，即交流注入的结束时刻。t0选择为高频注入后的一小段时间，本实施例中优选的一小段时间为10ms，开始激活辨识逻辑是为了避开高频交流电流建立过程中的暂态过程。
通过低通滤波器的处理滤除噪声信号，得到等效电阻估计值，参考图3，其中将同步旋转坐标系下的电流指令值
Figure BDA0002232886640000062
设置为0，
Figure BDA0002232886640000063
设置为固定值，通过闭环比例积分(PI)调节得到电压指令值usq与usd，通过坐标变换得到静止坐标系下的电压指令值usβ与usα，然后通过脉冲调制(PWM)产生脉冲到三相逆变器(VSI)。其中，逆变器的输出频率设置为固定值，根据α轴电压参考值usα以及反馈的电流isα可以进一步的计算提取等效电阻的估计值。
S2改变注入方式为直流电流注入，对异步电机的定子电阻进行估算，通过积分处理以及低通滤波处理得到定子电阻估计值。
修改所述矢量控制，将逆变器输出频率设置为0，利用电流闭环控制使得电机的三相电流为直流电流，对电机定子电阻进行估算，通过积分处理滤除交流分量，将定子电压积分值与电流积分值相除对异步电机的定子电阻进行估算，通过低通滤波器输出定子电阻估计值。
由于电机处于自由旋转的状态，在直流注入情况下定子电压参考值中含有较多的交流分量，通过积分处理滤除交流分量。
图4为定子电阻计算原理图，参照图4，为了消除定子电压中的交流分量，利用下式(5)中积分的方式估算定子电阻值：
Figure BDA0002232886640000071
其中，t2为直流电流注入后选择的积分开始时刻，t3为直流电流注入结束时刻，即为直流注入结束时刻。t2选择为直流注入开始后一小段时间激活辨识逻辑是为了避开直流建立过程中的暂态过程。
图5为利用直流电流注入辨识定子电阻的矢量控制框图，其中，将同步旋转坐标系下的电流指令值
Figure BDA0002232886640000072
设置为0，
Figure BDA0002232886640000073
设置为固定值，通过闭环比例积分(PI)调节得到电压指令值usq与usd，通过坐标变换得到静止坐标系下的电压指令值usβ与usα，然后通过脉冲调制(PWM)产生脉冲到三相逆变器(VSI)。参考图5，将逆变器的输出频率设置为0Hz，根据α轴电压参考值usα以及反馈的电流isα进一步的计算提取定子电阻的估计值，其中，提取定子电阻的估计值的过程是通过将电压电流积分值相除然后经过低通滤波获得。
S3根据所述的等效电阻估计值、定子电阻估计值以及电机转速，计算出转子电阻估计值。
图6为转子电阻计算原理图，参考图6，在通过高频电流注入以及直流电流注入后，根据获得的等效电阻估计值
Figure BDA0002232886640000074
定子电阻估计值
Figure BDA0002232886640000075
以及电机转速
Figure BDA0002232886640000076
可以求解出转子电阻，需要将定子电阻估计值从等效电阻中去除，然后乘以转差率s就可以获得转子电阻估计值。其中，转差率的计算是根据同步频率以及实际的转速计算得到。
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种异步电机无速度传感器控制定转子电阻辨识方法，其特征在于，包括：
基于高频电流注入，对自由旋转电机阻抗等效电阻进行估算，通过积分处理以及低通滤波处理得到等效电阻估计值,包括：通过积分处理得到估计的等效电阻值为下式(1)所示：
Figure FDA0002768539600000011
其中，usα为电机输入电压瞬时值，isα为电机输入电流瞬时值，t0为高频电流注入后选择的积分开始时刻，t1为高频电流注入结束时刻，即交流注入的结束时刻；
改变注入方式为直流电流注入，对异步电机的定子电阻进行估算，通过积分处理以及低通滤波处理得到定子电阻估计值，利用下式(5)中积分的方式估算定子电阻值：
Figure FDA0002768539600000012
其中，t2为直流电流注入后选择的积分开始时刻，t3为直流电流注入结束时刻，即为直流注入结束时刻；t2选择为直流注入开始后一小段时间激活辨识逻辑是为了避开直流建立过程中的暂态过程；
根据所述的等效电阻估计值、定子电阻估计值以及电机转速，计算出转子电阻估计值，包括：将定子电阻估计值从等效电阻中去除，然后乘以转差率s就可以获得转子电阻估计值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的基于高频电流注入，对自由旋转电机阻抗等效电阻进行估算，通过积分处理以及低通滤波处理得到等效电阻估计值，包括：
在旋转的异步电机中采用矢量控制，将逆变器输出频率设定为高于电机额定基波频率，利用闭环控制使得电机的三相电流为高频交流，对旋转电机阻抗的等效电阻进行估算，通过低通滤波器输出等效电阻估计值。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的改变注入方式为直流电流注入，对异步电机的定子电阻进行估算，通过积分处理以及低通滤波处理得到定子电阻估计值，包括：
修改所述矢量控制，将逆变器输出频率设置为0，利用电流闭环控制使得电机的三相电流为直流电流，对电机定子电阻进行估算，通过积分处理滤除交流分量，将定子电压积分值与电流积分值相除对异步电机的定子电阻进行估算，通过低通滤波器输出定子电阻估计值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的基于高频电流注入，对自由旋转电机阻抗等效电阻进行估算，通过积分处理以及低通滤波处理得到等效电阻估计值，包括：忽略励磁支路，根据定子电压参考值以及采集的定子电流值进行积分处理估算，并通过低通滤波器的处理滤除噪声信号，得到等效电阻估计值。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的根据所述的等效电阻估计值、定子电阻估计值以及电机转速，计算出转子电阻估计值，包括：根据所述的等效电阻估计值、定子电阻估计值以及电机转速计算出高频注入时的转差率，进一步计算出转子电阻估计值。
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