CN110690836A - 一种直线同步电机参数的测量方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直线同步电机参数的测量方法及系统，与现有技术的参数测量方法相比，本申请利用直线同步电机的使用现场已有的矢量控制系统，两次调整其给定定子d轴电流，并对应获取PI控制器两次输出的电压。考虑到矢量控制系统中某些电力电子器件的非线性，为了消除非线性影响，本申请利用两次输出电压的差值进行电阻测量，从而计算出定子电阻。可见，本申请利用使用现场已有的矢量控制系统，无需设置额外的测量设备，节省了测量成本且容易实施；而且，本申请对定子d轴注入电流，对定子q轴未注入电流，从而将电机动子固定在d轴位置，应用性较强。

Description

一种直线同步电机参数的测量方法及系统
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，特别是涉及一种直线同步电机参数的测量方法及系统。
背景技术
目前，由于直线同步电机具有噪音低、效率高、响应快等优点，使其在各领域得到广泛应用。一般，在直线同步电机的使用现场，还包括与直线同步电机配套的控制系统。请参照图1、图2及图3，图1为现有技术中的一种直线同步电机定子的矢量控制系统的结构示意图，图2为现有技术中的一种直线同步电机动子的闭环控制系统的结构示意图，图3为现有技术中的一种逆变器与电机定子的连接电路图。
定子的矢量控制系统的控制过程包括：1)将定子输入的三相交流电流ia、ib、ic按照坐标变换公式变换为两个直流电流，分别是定子d轴电流id及定子q轴电流iq；2)将定子的给定定子d轴电流及给定定子q轴电流与id、iq对应作差，并将两个差值对应经两个PI(proportion-integral，比例积分)控制器调节分别输出电压；3)逆变器包括斩波装置、中间电容及开关，将两个PI控制器输出的电压经空间矢量调制算法调制后控制逆变器中开关的开通状态，以便于逆变器调整输出至定子三相绕组a、b、c的三相交流电。动子的闭环控制系统的控制过程包括：1)将动子的给定动子电流
Figure BDA0001719158240000013
与动子电流if作差，并将差值经PID(proportion-integral-derivative，比例积分微分)控制器调节输出电压；2)将PID控制器输出的电压依次经载波调制算法调制和励磁装置调控，以实现动子的输入电量的调整。
对于直线同步电机来说，控制系统控制其稳定运行至关重要，而直线同步电机的控制离不开电机参数的测量。现有技术中，有两种常用的测量电机参数的方法，第一种，使用现场设置额外的测量设备对电机参数进行测量，比如设置用于测量定子电阻的电阻测量设备，但是，该方法的测量成本较高且不易实施；第二种，借鉴旋转电机的参数测量方法，即在旋转电机旋转的过程中测得电机参数，但是，直线同步电机的动子做直线运动，需要运行很长距离才能测得电机参数，在某些实际应用中无法实施。
因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是本领域的技术人员目前需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种直线同步电机参数的测量方法及系统，利用使用现场已有的矢量控制系统，无需设置额外的测量设备，节省了测量成本且容易实施；而且，本申请对定子d轴注入电流，对定子q轴未注入电流，从而将电机动子固定在d轴位置，应用性较强。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种直线同步电机参数的测量方法，包括：
根据直线同步电机在dq坐标轴下的电机模型，确定所述直线同步电机在其定子d轴注入电流、定子q轴未注入电流的稳态情况下的定子d轴电压ud＝Rsid，其中，ud为定子d轴电压，Rs为定子电阻，id为定子d轴电流；
将定子的矢量控制系统中的给定定子d轴电流进行两次不同的调整、给定定子q轴电流置零，以对所述定子d轴两次注入不同的电流及所述定子q轴未注入电流，并对应获取所述矢量控制系统中d轴的比例微分PI控制器两次输出的电压；
利用计算定子电阻，其中，ud1、ud2为所述PI控制器两次输出的电压，id1、id2为两次调整的给定定子d轴电流。
优选地，该测量方法还包括：
根据所述电机模型，确定所述直线同步电机在其定子d轴注入电流、定子q轴未注入电流及动子注入电流的稳态情况下的动子电压uf＝Rfif，其中，uf为动子电压，Rf为动子电阻，if为动子电流；
将所述动子的闭环控制系统中的给定动子电流进行两次不同的调整，以对所述动子两次注入不同的电流，并对应获取所述闭环控制系统中比例微分积分PID控制器两次输出的电压；
利用计算动子电阻，其中，uf1、uf2为所述PID控制器两次输出的电压，if1、if2为两次调整的给定动子电流。
优选地，该测量方法还包括：
在对所述直线同步电机的定子d轴及动子均注入电流后，关闭所述矢量控制系统中的逆变器及所述动子的闭环控制系统中的励磁装置，使所述逆变器的中间电容进行放电直至其电压为零；
开启所述励磁装置，对所述动子注入以预设斜率上升的斜坡电流直至到达其额定电流，再对所述动子注入以所述斜率下降的斜坡电流直至电流为零；
重复执行对所述动子注入以预设斜率上升的斜坡电流直至到达其额定电流，再对所述动子注入以所述斜率下降的斜坡电流直至电流为零的步骤，直至所述中间电容的电压稳定；
根据所述电机模型确定所述定子在所述中间电容的电压稳定时的定子d轴电压
Figure BDA0001719158240000032
并根据预设坐标变换公式得到所述斜坡电流上升时ua＝ud、所述斜坡电流下降时ua＝-ud、
Figure BDA0001719158240000034
其中，Lm为动子对定子的互感，ua为定子绕组a的电压，ub为定子绕组b的电压，uc为定子绕组c的电压；
在两电平逆变器的拓扑下，根据所述中间电容在所述斜坡电流上升或下降时的充电电路得到
Figure BDA0001719158240000036
并利用所述
Figure BDA0001719158240000037
及定子三相绕组a、b、c的电压公式计算得其中，udc为所述中间电容的电压，ufwd为所述两电平逆变器的开关中反并联二极管的导通压降，
Figure BDA0001719158240000041
k为所述斜率；
在三电平逆变器的拓扑下，根据所述中间电容在所述斜坡电流上升或下降时的充电电路得到
Figure BDA0001719158240000042
并利用所述
Figure BDA0001719158240000043
及定子三相绕组a、b、c的电压公式计算得
Figure BDA0001719158240000047
其中，ufwd为所述三电平逆变器的开关中反并联二极管的导通压降。
优选地，在所述中间电容的电压稳定之后，在根据所述电机模型确定所述定子在所述中间电容的电压稳定时的定子d轴电压
Figure BDA0001719158240000045
之前，该测量方法还包括：
当所述中间电容的稳定电压小于预设电压时，增大所述斜率；
重复执行对所述动子注入以增大的斜率上升的斜坡电流直至到达其额定电流，再对所述动子注入以增大的所述斜率下降的斜坡电流直至电流为零的步骤，直至所述中间电容的电压再次稳定。
优选地，该测量方法还包括：
对所述矢量控制系统中的空间矢量调制环节输入ud＝Asin(ω1t)及uq＝0，以对所述定子d轴加入交流电压，得到所述定子d轴的当前电流，其中，uq为定子q轴电压，其中，A为定子d轴电压幅值，ω1t为定子d轴电压相位，定子额定频率＜ω1＜所述矢量控制系统中逆变器的开关频率×0.5，t为时间；
根据所述定子d轴的当前电流确定d轴电流幅值和d轴电流相位，并根据
Figure BDA0001719158240000046
计算定子d轴电感，其中，Ld为定子d轴电感，θid为所述d轴电流相位，|id|为所述d轴电流幅值。
优选地，所述根据所述定子d轴的当前电流确定d轴电流幅值和d轴电流相位的具体过程为：
对所述定子d轴的当前电流进行傅里叶变换，得到d轴电流幅值和d轴电流相位。
优选地，该测量方法还包括：
对所述定子d轴注入恒定电流，并对所述空间矢量调制环节的q轴电压输入端输入uq＝B sin(ω2t)，以对所述定子q轴加入交流电压，得到所述定子q轴的当前电流，其中，B为定子q轴电压幅值，ω2为预设频率，ω2t为定子q轴电压相位；
根据所述定子q轴的当前电流确定q轴电流幅值和q轴电流相位，并根据
Figure BDA0001719158240000051
计算定子q轴电感，其中，Lq为定子q轴电感，θiq为所述q轴电流相位，|iq|为所述q轴电流幅值。
优选地，所述根据所述定子q轴的当前电流确定q轴电流幅值和q轴电流相位的具体过程为：
对所述定子q轴的当前电流进行傅里叶变换，得到q轴电流幅值和q轴电流相位。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种直线同步电机参数的测量系统，包括：
第一确定单元，用于根据直线同步电机在dq坐标轴下的电机模型，确定所述直线同步电机在其定子d轴注入电流、定子q轴未注入电流的稳态情况下的定子d轴电压ud＝Rsid，其中，ud为定子d轴电压，Rs为定子电阻，id为定子d轴电流；
电流调整单元，用于将定子的矢量控制系统中的给定定子d轴电流进行两次不同的调整、给定定子q轴电流置零，以对所述定子d轴两次注入不同的电流及所述定子q轴未注入电流，并对应获取所述矢量控制系统中d轴的比例微分PI控制器两次输出的电压；
电阻计算单元，用于利用
Figure BDA0001719158240000061
计算定子电阻，其中，ud1、ud2所述PI控制器两次输出的电压，id1、id2为两次调整的给定定子d轴电流。
优选地，该测量系统还包括：
电容放电单元，用于在对所述直线同步电机的定子d轴及动子均注入电流后，关闭所述矢量控制系统中的逆变器及所述动子的闭环控制系统中的励磁装置，使所述逆变器的中间电容进行放电直至其电压为零；
电流注入单元，用于开启所述励磁装置，对所述动子注入以预设斜率上升的斜坡电流直至到达其额定电流，再对所述动子注入以所述斜率下降的斜坡电流直至电流为零；
重复注入单元，用于重复执行对所述动子注入以预设斜率上升的斜坡电流直至到达其额定电流，再对所述动子注入以所述斜率下降的斜坡电流直至电流为零的步骤，直至所述中间电容的电压稳定；
第二确定单元，用于根据所述电机模型确定所述定子在所述中间电容的电压稳定时的定子d轴电压
Figure BDA0001719158240000062
并根据预设坐标变换公式得到所述斜坡电流上升时ua＝ud、
Figure BDA0001719158240000063
所述斜坡电流下降时ua＝-ud、其中，Lm为动子对定子的互感，ua为定子绕组a的电压，ub为定子绕组b的电压，uc为定子绕组c的电压；
互感计算单元，用于在两电平逆变器的拓扑下，根据所述中间电容在所述斜坡电流上升或下降时的充电电路得到
Figure BDA0001719158240000065
并利用所述
Figure BDA0001719158240000066
及定子三相绕组a、b、c的电压公式计算得或者在三电平逆变器的拓扑下，根据所述中间电容在所述斜坡电流上升或下降时的充电电路得到
Figure BDA0001719158240000071
并利用所述
Figure BDA0001719158240000072
及定子三相绕组a、b、c的电压公式计算得
Figure BDA0001719158240000073
其中，udc为所述中间电容的电压，ufwd为所述两电平逆变器的开关中反并联二极管的导通压降，
Figure BDA0001719158240000076
k为所述斜率，ufwd’为所述三电平逆变器的开关中反并联二极管的导通压降。
本发明提供了一种直线同步电机参数的测量方法，包括：根据直线同步电机在dq坐标轴下的电机模型，确定所述直线同步电机在其定子d轴注入电流、定子q轴未注入电流的稳态情况下的定子d轴电压ud＝Rsid，其中，ud为定子d轴电压，Rs为定子电阻，id为定子d轴电流；将定子的矢量控制系统中的给定定子d轴电流进行两次不同的调整、给定定子q轴电流置零，以对所述定子d轴两次注入不同的电流及所述定子q轴未注入电流，并对应获取所述矢量控制系统中d轴的PI控制器两次输出的电压；利用
Figure BDA0001719158240000075
计算定子电阻，其中，ud1、ud2为所述PI控制器两次输出的电压，id1、id2为两次调整的给定定子d轴电流。
与现有技术的参数测量方法相比，本申请利用直线同步电机的使用现场已有的矢量控制系统，两次调整其给定定子d轴电流，并对应获取PI控制器两次输出的电压。考虑到矢量控制系统中某些电力电子器件的非线性，为了消除非线性影响，本申请利用两次输出电压的差值进行电阻测量，从而计算出定子电阻。可见，本申请利用使用现场已有的矢量控制系统，无需设置额外的测量设备，节省了测量成本且容易实施；而且，本申请对定子d轴注入电流，对定子q轴未注入电流，从而将电机动子固定在d轴位置，应用性较强。
本发明还提供了一种直线同步电机参数的测量系统，与上述测量方法具有相同的有益效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例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为现有技术中的一种直线同步电机定子的矢量控制系统的结构示意图；
图2为现有技术中的一种直线同步电机动子的闭环控制系统的结构示意图；
图3为现有技术中的一种逆变器与电机定子的连接电路图；
图4为本发明提供的一种直线同步电机参数的测量方法的流程图；
图5(1)为本发明提供的一种图3所示电路图在斜坡电流上升阶段的等效电路图；
图5(2)为本发明提供的一种图3所示电路图在斜坡电流下降阶段的等效电路图；
图6为本发明提供的一种定子d轴电感的辨识原理图；
图7为本发明提供的一种定子q轴电感的辨识原理图；
图8为本发明提供的一种直线同步电机参数的测量系统的结构示意图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种直线同步电机参数的测量方法及系统，利用使用现场已有的矢量控制系统，无需设置额外的测量设备，节省了测量成本且容易实施；而且，本申请对定子d轴注入电流，对定子q轴未注入电流，从而将电机动子固定在d轴位置，应用性较强。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参照图4，图4为本发明提供的一种直线同步电机参数的测量方法的流程图。
该测量方法包括：
步骤S1：根据直线同步电机在dq坐标轴下的电机模型，确定直线同步电机在其定子d轴注入电流、定子q轴未注入电流的稳态情况下的定子d轴电压ud＝Rsid，其中，ud为定子d轴电压，Rs为定子电阻，id为定子d轴电流；
需要说明的是，本申请中的预设是提前设置好的，只需要设置一次，除非根据实际情况需要修改，否则不需要重新设置。
具体地，直线同步电机的坐标变换过程具体包括：
1)已知直线同步电机中定子三相绕组a、b、c，通以三相平衡的交流电流ia、ib、ic时，会产生合成的磁动势F。多相电机模型等效的原则是：在不同的坐标系下所产生的磁动势完全一致。考虑到两相电机模型最简单，所以对互相垂直的两相绕组α、β通以两相平衡的交流电流iα、iβ，也产生合成的电动势F，即三相电机模型等效成两相电机模型，也即abc坐标系到αβ坐标系的变换。
2)已知通入两相交流电流iα、iβ的两相电机和通入两个直流电流id、iq的两相电机若以同步转速旋转，产生相等的合成磁动势F，则实现αβ坐标系到dq坐标系的变换。
本申请利用dq坐标轴下的直线同步电机模型，对各电机参数进行辨识，也即完成参数测量。参数辨识的原理为：根据实验数据和建立的模型来确定一组参数值，使得由模型计算得到的数值结果能最好的拟合测试数据，从而实现对未知过程的预测。
在dq坐标轴下，假设气隙磁场按正弦规律分布，忽略相应的空间谐波磁场、磁路饱和、磁滞等的影响，直线同步电机的模型如下所示：
电压方程：
Figure BDA0001719158240000101
磁链方程：
Figure BDA0001719158240000104
Figure BDA0001719158240000105
其中，ud为定子d轴电压，Rs为定子电阻，id为定子d轴电流，
Figure BDA00017191582400001010
为定子d轴磁场，ωr为动子转动角频率，
Figure BDA0001719158240000107
为定子q轴磁场，uq为定子q轴电压，iq为定子q轴电流，uf为动子电压，Rf为动子电阻，if为动子电流，
Figure BDA0001719158240000108
为动子磁场，Ld为定子d轴电感，Lm为动子对定子的互感，Lq为定子q轴电感，Lf为动子励磁电感。
接下来，对定子电阻进行辨识：首先，根据直线同步电机在dq坐标轴下的电机模型，确定直线同步电机在其定子d轴注入直流电流、定子q轴未注入直流电流的稳态情况下的定子d轴电压，由于稳定情况下磁场固定，所以
Figure BDA0001719158240000109
又由于定子d轴注入直流电流、定子q轴未注入直流电流，起到固定动子位置的作用，即使动子注入直流电流，由于稳态情况下行波磁场不会移动，所以动子不会移动，所以ωr＝0，从而确定定子d轴电压ud＝Rsid。
步骤S2：将定子的矢量控制系统中的给定定子d轴电流进行两次不同的调整、给定定子q轴电流置零，以对定子d轴两次注入不同的电流及定子q轴未注入电流，并对应获取矢量控制系统中d轴的比例微分PI控制器两次输出的电压；
具体地，如图1可知，当定子的矢量控制系统的给定电流改变时，其对应的PI控制器的输出电压也会相应改变。本申请考虑到定子的给定电流与定子的实际电流之间虽有误差，但误差较小，PI控制器输出的电压与定子的实际电压之间也有误差，但误差也较小，所以本申请将给定定子d轴电流作为定子d轴电流id，控制定子d轴电流的PI控制器输出的电压作为定子d轴电压ud。
考虑到矢量控制系统中的逆变器中电力电子器件的非线性，逆变器输出的电压与实际电压存在偏差，所以本申请将矢量控制系统的给定定子d轴电流进行两次不同的调整，从而对定子d轴两次注入不同的电流；且将给定定子q轴电流置零，从而对定子q轴未注入电流，并对应获取d轴的PI控制器两次输出的电压，以便于后续利用两次输出电压的差值进行定子电阻辨识，从而消除电力电子器件非线性的影响。
步骤S3：利用计算定子电阻，其中，ud1、ud2为PI控制器两次输出的电压，id1、id2为两次调整的给定定子d轴电流。
具体地，给定定子d轴电流两次调整至稳态后，d轴的PI控制器两次输出的电压为：ud1＝Rsid1、ud2＝Rsid2，所以利用计算定子电阻，消除了电力电子器件非线性的影响。本发明提供了一种直线同步电机参数的测量方法，包括：根据直线同步电机在dq坐标轴下的电机模型，确定所述直线同步电机在其定子d轴注入电流、定子q轴未注入电流的稳态情况下的定子d轴电压ud＝Rsid；将定子的矢量控制系统中的给定定子d轴电流进行两次不同的调整、给定定子q轴电流置零，以对所述定子d轴两次注入不同的电流及所述定子q轴未注入电流，并对应获取所述矢量控制系统中d轴的PI控制器两次输出的电压；利用
Figure BDA0001719158240000113
计算定子电阻。
与现有技术的参数测量方法相比，本申请利用直线同步电机的使用现场已有的矢量控制系统，两次调整其给定定子d轴电流，并对应获取PI控制器两次输出的电压。考虑到矢量控制系统中某些电力电子器件的非线性，为了消除非线性影响，本申请利用两次输出电压的差值进行电阻测量，从而计算出定子电阻。可见，本申请利用使用现场已有的矢量控制系统，无需设置额外的测量设备，节省了测量成本且容易实施；而且，本申请对定子d轴注入电流，对定子q轴未注入电流，从而将电机动子固定在d轴位置，应用性较强。
在上述实施例的基础上：
作为一种优选地实施例，该测量方法还包括：
根据电机模型，确定直线同步电机在其定子d轴注入电流、定子q轴未注入电流及动子注入电流的稳态情况下的动子电压uf＝Rfif，其中，uf为动子电压，Rf为动子电阻，if为动子电流；
将动子的闭环控制系统中的给定动子电流进行两次不同的调整，以对动子两次注入不同的电流，并对应获取闭环控制系统中比例微分积分PID控制器两次输出的电压；
利用
Figure BDA0001719158240000121
计算动子电阻，其中，uf1、uf2为PID控制器两次输出的电压，if1、if2为两次调整的给定动子电流。
同样地，对动子电阻进行辨识：首先，根据直线同步电机在dq坐标轴下的电机模型，确定直线同步电机在其定子d轴注入直流电流、定子q轴未注入直流电流及动子注入直流电流的稳态情况下的动子电压，由于稳定情况下磁场固定，所以
Figure BDA0001719158240000122
从而确定动子电压uf＝Rfif。
如图2可知，当动子的闭环控制系统的给定动子电流改变时，PID控制器的输出电压也会相应改变。本申请考虑到给定动子电流与实际动子电流之间虽有误差，但误差较小，PID控制器输出的电压与实际动子电压之间也有误差，但误差也较小，所以本申请将给定动子电流作为动子电流if，PID控制器输出的电压作为动子电压uf。
而且，闭环控制系统中的励磁装置包含非线性的电力电子器件，导致励磁装置输出的电压与实际电压存在偏差，所以本申请在定子d轴注入直流电流、定子q轴未注入直流电流的情况下，将动子的闭环控制系统中的给定动子电流进行两次不同的调整，从而对动子两次注入不同的电流，并对应获取PID控制器两次输出的电压，以便于后续利用两次输出电压的差值进行动子电阻辨识，从而消除电力电子器件非线性的影响。
其中，在给定动子电流两次调整至稳态后，PID控制器两次输出的电压为：uf1＝Rfif1、uf2＝Rfif2，所以利用计算动子电阻，消除了电力电子器件非线性的影响。作为一种优选地实施例，该测量方法还包括：
在对直线同步电机的定子d轴及动子均注入电流后，关闭矢量控制系统中的逆变器及动子的闭环控制系统中的励磁装置，使逆变器的中间电容进行放电直至其电压为零；
开启励磁装置，对动子注入以预设斜率上升的斜坡电流直至到达其额定电流，再对动子注入以斜率下降的斜坡电流直至电流为零；
重复执行对动子注入以预设斜率上升的斜坡电流直至到达其额定电流，再对动子注入以斜率下降的斜坡电流直至电流为零的步骤，直至中间电容的电压稳定；
根据电机模型确定定子在中间电容的电压稳定时的定子d轴电压
Figure BDA0001719158240000132
并根据预设坐标变换公式得到斜坡电流上升时ua＝ud、
Figure BDA0001719158240000133
斜坡电流下降时ua＝-ud、
Figure BDA0001719158240000134
其中，Lm为动子对定子的互感，ua为定子绕组a的电压，ub为定子绕组b的电压，uc为定子绕组c的电压；
在两电平逆变器的拓扑下，根据中间电容在斜坡电流上升或下降时的充电电路得到
Figure BDA0001719158240000135
并利用及定子三相绕组a、b、c的电压公式计算得
Figure BDA0001719158240000141
其中，udc为中间电容的电压，ufwd为两电平逆变器的开关中反并联二极管的导通压降，
Figure BDA0001719158240000142
k为斜率；
在三电平逆变器的拓扑下，根据中间电容在斜坡电流上升或下降时的充电电路得到
Figure BDA0001719158240000143
并利用
Figure BDA0001719158240000144
及定子三相绕组a、b、c的电压公式计算得其中，ufwd’为三电平逆变器的开关中反并联二极管的导通压降。
具体地，动子对定子的互感的辨识：1)对直线同步电机的动子注入直流电流、定子d轴注入直流电流、定子q轴未注入电流，使动子保持在d轴位置上；2)关闭矢量控制系统中的逆变器及闭环控制系统中的励磁装置，逆变器直流侧的斩波装置会对中间电容进行放电直至其电压为零，强制封锁逆变器的三相半导体开关器件的脉冲输出；3)开启励磁装置，对电机动子注入以一定斜率上升的斜坡电流，直至到达其额定电流，再对电机动子注入以一定斜率下降的斜坡电流，直至电流为零，再控制电机动子的斜坡电流以一定斜率上升，重复执行斜坡电流上升至额定电流、下降至电流为零的过程，直到逆变器的中间电容的电压稳定，其中，上升斜率等于下降斜率；4)根据中间电容的稳定电压值计算动子对定子的互感。
计算过程分析：由于此时动子在d轴位置上，动子不会发生运动，励磁方向始终在d轴方向上，因此定子上感应的电压始终在d轴上，q轴上将无电流存在，此时定子电压可以表示为：
uq＝0
由于动子不会运动，此时d轴上感应的电动势全部为变压器电动势，可以表示为：
Figure BDA0001719158240000151
当定子绕组a、b、c感应出变压器电动势时，若中间电容上的电压为零，则定子绕组a、b、c会对中间电容充电，当中间电容的电压达到稳态后，定子电流变为零，定子绕组的端电压等于变压器电动势，也即：
Figure BDA0001719158240000152
定子绕组a的电压ua、定子绕组b的电压ub、定子绕组c的电压uc与ud的关系：根据坐标变换公式
Figure BDA0001719158240000153
Figure BDA0001719158240000154
由于uq＝0及θ＝0，在斜坡电流上升的过程中，可得：
ua＝ud
Figure BDA0001719158240000155
在斜坡电流下降的过程中，可得：
ua＝-ud
请参照图5(1)及图5(2)，图5(1)为本发明提供的一种图3所示电路图在斜坡电流上升阶段的等效电路图；图5(2)为本发明提供的一种图3所示电路图在斜坡电流下降阶段的等效电路图。
根据斜坡电流上升阶段及下降阶段的等效电路及ua、ub、uc与ud的关系，并设逆变器(图3的逆变器为两电平逆变器)的开关中反并联二极管的导通压降为ufwd，从而得到中间电容的电压udc与定子绕组相电压的关系式：已知
Figure BDA0001719158240000162
k为斜坡电流的斜率，得到斜坡电流上升阶段的动子对定子的互感：
Figure BDA0001719158240000163
若逆变器选用三电平逆变器，则根据斜坡电流上升阶段及下降阶段的等效电路及ua、ub、uc与ud的关系，并设三电平逆变器的开关中反并联二极管的导通压降为ufwd’，从而得到中间电容的电压udc与定子绕组相电压的关系式：
Figure BDA0001719158240000164
进而得到斜坡电流下降阶段的动子对定子的互感：
Figure BDA0001719158240000165
作为一种优选地实施例，在中间电容的电压稳定之后，在根据电机模型确定定子在中间电容的电压稳定时的定子d轴电压
Figure BDA0001719158240000166
之前，该测量方法还包括：
当中间电容的稳定电压小于预设电压时，增大斜率；
重复执行对动子注入以增大的斜率上升的斜坡电流直至到达其额定电流，再对动子注入以增大的斜率下降的斜坡电流直至电流为零的步骤，直至中间电容的电压再次稳定。
进一步地，考虑到当中间电容稳定后的电压值过小时，不易进行互感计算且计算不够准确，本申请将中间电容的稳定电压与预先设置的电压相比较，当中间电容的稳定电压小于所设电压时，说明其稳定电压过小，则增大设置的斜坡电流的斜率，并重复执行斜坡电流以增大的斜率上升至额定电流、以增大的斜率下降至电流为零的过程，直到逆变器的中间电容的电压再次稳定，从而提高了计算互感的准确性。
作为一种优选地实施例，该测量方法还包括：
对矢量控制系统中的空间矢量调制环节输入ud＝Asin(ω1t)及uq＝0，以对定子d轴加入交流电压，得到定子d轴的当前电流，其中，uq为定子q轴电压，其中，A为定子d轴电压幅值，ω1t为定子d轴电压相位，定子额定频率＜ω1＜矢量控制系统中逆变器的开关频率×0.5，t为时间；
根据定子d轴的当前电流确定d轴电流幅值和d轴电流相位，并根据
Figure BDA0001719158240000174
计算定子d轴电感，其中，Ld为定子d轴电感，θid为d轴电流相位，|id|为d轴电流幅值。
具体地，请参照图6，图6为本发明提供的一种定子d轴电感的辨识原理图。定子d轴电感的辨识：1)对矢量控制系统中的空间矢量调制环节输入ud＝Asin(ω1t)及uq＝0，从而对定子d轴加入频率大于定子额定频率、小于0.5倍的逆变器的开关频率的交流电压信号，以检测定子d轴的当前电流；2)根据定子d轴的当前电流确定d轴电流幅值|id|和d轴电流相位θid，并根据计算定子d轴电感。
此外分析：在动子静止状态下，定子d轴电压可以表示为：
Figure BDA0001719158240000172
可见，定子d轴电流的大小与定子d轴电感和定子电阻有关，对d轴加入一定频率的交流电压，定子绕组中会出现相应频率的电流，当定子电阻已知，通过定子d轴电流的大小可以判断定子d轴电感的大小，也即二者的关系式
Figure BDA0001719158240000173
作为一种优选地实施例，根据定子d轴的当前电流确定d轴电流幅值和d轴电流相位的具体过程为：
对定子d轴的当前电流进行傅里叶变换，得到d轴电流幅值和d轴电流相位。
进一步地，本申请通过对定子d轴的当前电流进行傅里叶变换，得到d轴电流幅值和d轴电流相位。
作为一种优选地实施例，该测量方法还包括：
对定子d轴注入恒定电流，并对空间矢量调制环节的q轴电压输入端输入uq＝Bsin(ω2t)，以对定子q轴加入交流电压，得到定子q轴的当前电流，其中，B为定子q轴电压幅值，ω2为预设频率，ω2t为定子q轴电压相位；
根据定子q轴的当前电流确定q轴电流幅值和q轴电流相位，并根据
Figure BDA0001719158240000181
计算定子q轴电感，其中，Lq为定子q轴电感，θiq为q轴电流相位，|iq|为q轴电流幅值。
同样地，请参照图7，图7为本发明提供的一种定子q轴电感的辨识原理图。定子q轴电感的辨识：1)对定子d轴注入恒定电流，并对空间矢量调制环节的q轴电压输入端输入uq＝Bsin(ω2t)，从而对定子q轴加入一定频率的交流电压信号，以检测定子q轴的当前电流，其中，ω2频率也可以大于定子额定频率、小于0.5倍的逆变器的开关频率，根据实际情况选定；2)根据定子q轴的当前电流确定q轴电流幅值|iq|和q轴电流相位θiq，并根据
Figure BDA0001719158240000182
计算定子q轴电感。
此外分析：在动子静止状态下，定子q轴电压可以表示为：
Figure BDA0001719158240000183
可见，定子q轴电流的大小与定子q轴电感和定子电阻有关，对q轴加入一定频率的交流电压，定子绕组中会出现相应频率的电流，当定子电阻已知，通过定子q轴电流的大小可以判断定子q轴电感的大小，也即二者关系式
Figure BDA0001719158240000191
作为一种优选地实施例，根据定子q轴的当前电流确定q轴电流幅值和q轴电流相位的具体过程为：
对定子q轴的当前电流进行傅里叶变换，得到q轴电流幅值和q轴电流相位。
同样地，本申请通过对定子q轴的当前电流进行傅里叶变换，得到q轴电流幅值和q轴电流相位。
请参照图8，图8为本发明提供的一种直线同步电机参数的测量系统的结构示意图。
该测量系统包括：
第一确定单元1，用于根据直线同步电机在dq坐标轴下的电机模型，确定直线同步电机在其定子d轴注入电流、定子q轴未注入电流的稳态情况下的定子d轴电压ud＝Rsid，其中，ud为定子d轴电压，Rs为定子电阻，id为定子d轴电流；
电流调整单元2，用于将定子的矢量控制系统中的给定定子d轴电流进行两次不同的调整、给定定子q轴电流置零，以对定子d轴两次注入不同的电流及定子q轴未注入电流，并对应获取矢量控制系统中d轴的比例微分PI控制器两次输出的电压；
电阻计算单元3，用于利用
Figure BDA0001719158240000192
计算定子电阻，其中，ud1、ud2为PI控制器两次输出的电压，id1、id2为两次调整的给定定子d轴电流。
作为一种优选地实施例，该测量系统还包括：
电容放电单元，用于在对直线同步电机的定子d轴及动子均注入电流后，关闭矢量控制系统中的逆变器及动子的闭环控制系统中的励磁装置，使逆变器的中间电容进行放电直至其电压为零；
电流注入单元，用于开启励磁装置，对动子注入以预设斜率上升的斜坡电流直至到达其额定电流，再对动子注入以斜率下降的斜坡电流直至电流为零；
重复注入单元，用于重复执行对动子注入以预设斜率上升的斜坡电流直至到达其额定电流，再对动子注入以斜率下降的斜坡电流直至电流为零的步骤，直至中间电容的电压稳定；
第二确定单元，用于根据电机模型确定定子在中间电容的电压稳定时的定子d轴电压
Figure BDA0001719158240000201
并根据预设坐标变换公式得到斜坡电流上升时ua＝ud、
Figure BDA0001719158240000202
斜坡电流下降时ua＝-ud、
Figure BDA0001719158240000203
其中，Lm为动子对定子的互感，ua为定子绕组a的电压，ub为定子绕组b的电压，uc为定子绕组c的电压；
互感计算单元，用于在两电平逆变器的拓扑下，根据中间电容在斜坡电流上升或下降时的充电电路得到
Figure BDA0001719158240000204
并利用
Figure BDA0001719158240000205
及定子三相绕组a、b、c的电压公式计算得或者在三电平逆变器的拓扑下，根据中间电容在斜坡电流上升或下降时的充电电路得到
Figure BDA0001719158240000207
并利用及定子三相绕组a、b、c的电压公式计算得其中，udc为中间电容的电压，ufwd为两电平逆变器的开关中反并联二极管的导通压降，k为斜率，ufwd’为三电平逆变器的开关中反并联二极管的导通压降。
本申请提供的系统的介绍请参考方法实施例，本申请在此不再赘述。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种直线同步电机参数的测量方法，其特征在于，包括：
根据直线同步电机在dq坐标轴下的电机模型，确定所述直线同步电机在其定子d轴注入电流、定子q轴未注入电流的稳态情况下的定子d轴电压ud＝Rsid，其中，ud为定子d轴电压，Rs为定子电阻，id为定子d轴电流；
将定子的矢量控制系统中的给定定子d轴电流进行两次不同的调整、给定定子q轴电流置零，以对所述定子d轴两次注入不同的电流及所述定子q轴未注入电流，并对应获取所述矢量控制系统中d轴的比例微分PI控制器两次输出的电压；
利用
Figure FDA0001719158230000011
计算定子电阻，其中，ud1、ud2为所述PI控制器两次输出的电压，id1、id2为两次调整的给定定子d轴电流。
2.如权利要求1所述的直线同步电机参数的测量方法，其特征在于，该测量方法还包括：
根据所述电机模型，确定所述直线同步电机在其定子d轴注入电流、定子q轴未注入电流及动子注入电流的稳态情况下的动子电压uf＝Rfif，其中，uf为动子电压，Rf为动子电阻，if为动子电流；
将所述动子的闭环控制系统中的给定动子电流进行两次不同的调整，以对所述动子两次注入不同的电流，并对应获取所述闭环控制系统中比例微分积分PID控制器两次输出的电压；
利用
Figure FDA0001719158230000012
计算动子电阻，其中，uf1、uf2为所述PID控制器两次输出的电压，if1、if2为两次调整的给定动子电流。
3.如权利要求1所述的直线同步电机参数的测量方法，其特征在于，该测量方法还包括：
在对所述直线同步电机的定子d轴及动子均注入电流后，关闭所述矢量控制系统中的逆变器及所述动子的闭环控制系统中的励磁装置，使所述逆变器的中间电容进行放电直至其电压为零；
开启所述励磁装置，对所述动子注入以预设斜率上升的斜坡电流直至到达其额定电流，再对所述动子注入以所述斜率下降的斜坡电流直至电流为零；
重复执行对所述动子注入以预设斜率上升的斜坡电流直至到达其额定电流，再对所述动子注入以所述斜率下降的斜坡电流直至电流为零的步骤，直至所述中间电容的电压稳定；
根据所述电机模型确定所述定子在所述中间电容的电压稳定时的定子d轴电压
Figure FDA0001719158230000021
并根据预设坐标变换公式得到所述斜坡电流上升时ua＝ud、
Figure FDA0001719158230000022
所述斜坡电流下降时ua＝-ud、
Figure FDA0001719158230000023
Figure FDA0001719158230000024
其中，Lm为动子对定子的互感，ua为定子绕组a的电压，ub为定子绕组b的电压，uc为定子绕组c的电压；
在两电平逆变器的拓扑下，根据所述中间电容在所述斜坡电流上升或下降时的充电电路得到
Figure FDA0001719158230000025
并利用所述及定子三相绕组a、b、c的电压公式计算得
Figure FDA0001719158230000027
其中，udc为所述中间电容的电压，ufwd为所述两电平逆变器的开关中反并联二极管的导通压降，
Figure FDA0001719158230000028
k为所述斜率；
在三电平逆变器的拓扑下，根据所述中间电容在所述斜坡电流上升或下降时的充电电路得到并利用所述
Figure FDA00017191582300000210
及定子三相绕组a、b、c的电压公式计算得
Figure FDA00017191582300000211
其中，ufwd’为所述三电平逆变器的开关中反并联二极管的导通压降。
4.如权利要求3所述的直线同步电机参数的测量方法，其特征在于，在所述中间电容的电压稳定之后，在根据所述电机模型确定所述定子在所述中间电容的电压稳定时的定子d轴电压
Figure FDA0001719158230000031
之前，该测量方法还包括：
当所述中间电容的稳定电压小于预设电压时，增大所述斜率；
重复执行对所述动子注入以增大的斜率上升的斜坡电流直至到达其额定电流，再对所述动子注入以增大的所述斜率下降的斜坡电流直至电流为零的步骤，直至所述中间电容的电压再次稳定。
5.如权利要求1所述的直线同步电机参数的测量方法，其特征在于，该测量方法还包括：
对所述矢量控制系统中的空间矢量调制环节输入ud＝Asin(ω1t)及uq＝0，以对所述定子d轴加入交流电压，得到所述定子d轴的当前电流，其中，uq为定子q轴电压，其中，A为定子d轴电压幅值，ω1t为定子d轴电压相位，定子额定频率＜ω1＜所述矢量控制系统中逆变器的开关频率×0.5，t为时间；
根据所述定子d轴的当前电流确定d轴电流幅值和d轴电流相位，并根据计算定子d轴电感，其中，Ld为定子d轴电感，θid为所述d轴电流相位，|id|为所述d轴电流幅值。
6.如权利要求5所述的直线同步电机参数的测量方法，其特征在于，所述根据所述定子d轴的当前电流确定d轴电流幅值和d轴电流相位的具体过程为：
对所述定子d轴的当前电流进行傅里叶变换，得到d轴电流幅值和d轴电流相位。
7.如权利要求5所述的直线同步电机参数的测量方法，其特征在于，该测量方法还包括：
对所述定子d轴注入恒定电流，并对所述空间矢量调制环节的q轴电压输入端输入uq＝Bsin(ω2t)，以对所述定子q轴加入交流电压，得到所述定子q轴的当前电流，其中，B为定子q轴电压幅值，ω2为预设频率，ω2t为定子q轴电压相位；
根据所述定子q轴的当前电流确定q轴电流幅值和q轴电流相位，并根据计算定子q轴电感，其中，Lq为定子q轴电感，θiq为所述q轴电流相位，|iq|为所述q轴电流幅值。
8.如权利要求7所述的直线同步电机参数的测量方法，其特征在于，所述根据所述定子q轴的当前电流确定q轴电流幅值和q轴电流相位的具体过程为：
对所述定子q轴的当前电流进行傅里叶变换，得到q轴电流幅值和q轴电流相位。
9.一种直线同步电机参数的测量系统，其特征在于，包括：
第一确定单元，用于根据直线同步电机在dq坐标轴下的电机模型，确定所述直线同步电机在其定子d轴注入电流、定子q轴未注入电流的稳态情况下的定子d轴电压ud＝Rsid，其中，ud为定子d轴电压，Rs为定子电阻，id为定子d轴电流；
电流调整单元，用于将定子的矢量控制系统中的给定定子d轴电流进行两次不同的调整、给定定子q轴电流置零，以对所述定子d轴两次注入不同的电流及所述定子q轴未注入电流，并对应获取所述矢量控制系统中d轴的比例微分PI控制器两次输出的电压；
电阻计算单元，用于利用
Figure FDA0001719158230000042
计算定子电阻，其中，ud1、ud2为所述PI控制器两次输出的电压，id1、id2为两次调整的给定定子d轴电流。
10.如权利要求9所述的直线同步电机参数的测量系统，其特征在于，该测量系统还包括：
电容放电单元，用于在对所述直线同步电机的定子d轴及动子均注入电流后，关闭所述矢量控制系统中的逆变器及所述动子的闭环控制系统中的励磁装置，使所述逆变器的中间电容进行放电直至其电压为零；
电流注入单元，用于开启所述励磁装置，对所述动子注入以预设斜率上升的斜坡电流直至到达其额定电流，再对所述动子注入以所述斜率下降的斜坡电流直至电流为零；
重复注入单元，用于重复执行对所述动子注入以预设斜率上升的斜坡电流直至到达其额定电流，再对所述动子注入以所述斜率下降的斜坡电流直至电流为零的步骤，直至所述中间电容的电压稳定；
第二确定单元，用于根据所述电机模型确定所述定子在所述中间电容的电压稳定时的定子d轴电压
Figure FDA0001719158230000051
并根据预设坐标变换公式得到所述斜坡电流上升时ua＝ud、
Figure FDA0001719158230000052
所述斜坡电流下降时ua＝-ud、
Figure FDA0001719158230000053
其中，Lm为动子对定子的互感，ua为定子绕组a的电压，ub为定子绕组b的电压，uc为定子绕组c的电压；
互感计算单元，用于在两电平逆变器的拓扑下，根据所述中间电容在所述斜坡电流上升或下降时的充电电路得到并利用所述
Figure FDA0001719158230000055
及定子三相绕组a、b、c的电压公式计算得
Figure FDA0001719158230000056
或者在三电平逆变器的拓扑下，根据所述中间电容在所述斜坡电流上升或下降时的充电电路得到并利用所述
Figure FDA0001719158230000058
及定子三相绕组a、b、c的电压公式计算得
Figure FDA0001719158230000059
其中，udc为所述中间电容的电压，ufwd为所述两电平逆变器的开关中反并联二极管的导通压降，
Figure FDA00017191582300000510
k为所述斜率，ufwd’为所述三电平逆变器的开关中反并联二极管的导通压降。
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