CN111064412A - 一种异步电机的定子电阻在线辨识方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种异步电机的定子电阻在线辨识方法，所述的方法通过判断感应电动机是否进入稳态，若收到稳态信号即进入辨识过程；采集当前时刻系统电压和电流信号；计算虚拟无功转矩、无功转矩和两者偏差ηv,
Δη，无功转矩为无功功率和定子角频率之比，并判断Δη是否位于辨识阈值范围内，若需要通过Δη调整
则根据Δη的符号来判断迭代方向，迭代步长可采用定步长、模糊控制或变步长等；最后更新输出当前时刻的定子电阻辨识值
本发明提供的无功转矩的定子电阻在线辨识算法基于无功与电阻无关性原理，计算方式不受电动机转速影响，可提高信噪比，参数收敛速度提高了一个数量级，只需在机端进行测量数据，简化了工作流程。
Description
技术领域
本发明涉及电机电阻技术领域，尤其是一种异步电机的定子电阻在线辨识方法。
背景技术
近年来，随着电气化、智能化交通不断发展，对电动汽车驱动、高铁电力牵引等精细化的控制要求越来越高，降低感应电动机驱动系统参数的依赖度，特别是对定子电阻的灵敏度，是提高驱动系统可靠运行的关键手段。
为了实现感应电动机精准控制设计，对无功功率作用的挖掘已经崛起，在物理概念和数学计算上都有相关研究。对无功功率及其相关量的研究主要有两个方面：一，目前无功功率的应用研究主要针对电机控制，在参数识别和状态估计方面有很大应用；二，现有研究对瞬时功率可表征电压信号特性未充分应用，特别是使用了积分运算或低通滤波器的定子磁链观测器，对电压信号的积分运算抑制了基波频率以上频段的信号，高频段信号特征可以进一步研究。尽管无功功率对感应电动机的研究有很大帮助，但并没有得到重视和充分利用。
在感应电动机直接转矩控制(DTC)方法中，对定子磁链的观测是必不可少的环节，传统采用的电压-电流型定子磁链观测器不可避免地会引入定子电阻参数。而在感应电动机运行过程中，定子电阻会随着绕组温度的上升而缓慢上升，或在参数失配的情况下，定子电阻的不确定性会给磁链观测器带来误差，造成定子磁链观测不准确，影响磁链定向精度，最终导致感应电动机运行稳定性受到影响。
在异步电机参数的离线辨识中，目前通常都是基于电机的等效电路进行计算，各类方法也仅是在等效电路的选择、针对逆变器死区和集肤效应的处理、数据的处理方法、计算方法及公式等存在差别。定子电阻辨识较为常用的一种简单的方法即是通过直流伏安法测定，但这类方法中由于在低电压情况下逆变器死区及集肤效应对重构电压的精确度影响较大，同时各个数据点可能存在的测量误差。为了减小测量误差，目前主要采用两点法、多次测量求平均值的方法、或电压补偿方法等，但其中两点法测量数据点有限，不能有效减小测量误差；多次测量求平均值的方法操作过程复杂，需要进行多次辨识操作，甚至需要多次起动逆变器，且由于无法排除测量中存在误差较大的数据点以及错误的数据点，因而在实际应用中其辨识结果存在较大的误差，辨识精度不高；电压补偿的方法则需要进行电压补偿，其辨识过程及算法复杂，对系统的采样装置及处理器要求较高，不利于进行实际应用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种异步电机的定子电阻在线辨识方法，本发明通过将无功转矩η引入定子磁链观测过程，结合基于机端的物理测量和数学模型的计算方法，构造一种基于无功转矩的定子电阻观测器，进而实现对定子电阻参数在线辨识，大大缓解了磁链观测器精度受定子电阻不确定影响的问题。
本发明的技术方案为：一种异步电机的定子电阻在线辨识方法，包括以下步骤：
S1)、实时采集k时刻变流器直流侧电压Udc和机端三相定子电流值isa(k)、isb(k)、isc(k)；根据感应电动机PWM变流器驱动信号Sa，Sb，Sc和直流侧电压值Udc计算得到k时刻三相定子电压usa(k)、usb(k)、usc(k)；
S2)、计算基于物理测量方法的虚拟无功转矩值ηv和基于模型方法下的无功转矩观测值
并计算两者误差Δη；
S3)、判断误差是否在辨识阈值范围内，并根据误差符号判断迭代方向；
S4)、输出当前时刻定子电阻辨识值。
优选的，上述方法中，步骤S1)中，所述的机端电压和电流信号的采集，具体如下：
所述的机端三相定子电流值isa(k)、isb(k)、isc(k)以及变流器侧直流电压udc分别通过霍尔传感器和电压传感器实时采集得到；
三相定子电压usa(k)、usb(k)、usc(k)计算式如下：
优选的，上述方法中，步骤S2)中，具体为：
所述的基于物理测量方法的虚拟无功转矩值ηv可表示为虚拟磁链矢量
和机端定子电流矢量
的点积，即，
式中，
为虚拟磁链矢量，
为机端定子电流矢量，
为机端定子电压矢量；
基于模型方法下的无功转矩观测值
根据磁链观测值
和机端定子电流矢量
的点积得到，即为：
式中，
为磁链观测值矢量，
为定子电阻观测值；
两者误差为虚拟无功转矩与实际观测值相减，即
优选的，上述方法中，步骤S3)中，具体为：预设误差辨识阈值ηth，并判断误差Δη绝对值是否在辨识阈值ηth范围内；
若在则认为定子电阻观测值
与实际值Rs相等，输出本时刻定子电阻；
若不在则根据误差Δη的符号判断迭代方向，具体如下：
通过限制误差Δη为零，以消除无功转矩误差，规定一个相对小的误差阈值ηth，若Δη的绝对值在误差阈值范围内，认为定子电阻观测值与实际值相等；
若误差大于正阈值，迭代在负向上进行；
若误差小于负阈值，迭代在正方向进行，直至迭代值在误差阈值范围内，输出此时刻定子电阻辨识值。
优选的，上述方法中，步骤S4)中，所述的输出当前时刻定子电阻辨识值，具体为：通过不断实时循环，当误差值Δη在规定的误差阈值ηth范围内时，输出迭代之后准确的定子电阻在线辨识值。
优选的，预设在定子电阻后的任意A点，其无功转矩η可以由下式计算：
根据电阻对无功功率非耗散性，且
可以证明A点处的无功功率等于机端输入无功功率，即：
式中，
为反电动势矢量，Rs为定子电阻，假定感应电动机稳定运行，定子角频率为ω，机端定子电压矢量
和反电动势矢量
可表示为：
式中，j为虚数符号，
为虚拟磁链矢量，
为磁链观测值矢量；
结合上式，得到无功功率q与无功转矩η和虚拟无功转矩ηv之间的关系为：
q＝ωηv＝ωη；
从上式可知，无功功率q是无功转矩η和定子角频率ω的乘积，无功转矩的计算与电机的转速和运行频率无关，基于此通过无功转矩构建参数观测器。
优选的，当定子电阻变化时，定子磁链矢量的幅值变化要远慢于其相角变化，假定观测得到的定子磁链矢量
在幅值上与实际的定子磁链矢量
幅值相等，但是相角存在误差，如下式：
式中，Δδ是实际相角值δ与观测相角值
之间的误差；
当定子电阻实际值Rs与观测值
之间存在不匹配时，定子磁链矢量的相角将产生误差，进而导致产生
中的计算误差，若认为无功转矩误差全部由相角偏差造成，则无功转矩误差为：
基于无功转矩的定子电阻辨识方法通过限制Δη为零，进而消除无功转矩误差。
优选的，通过对虚拟无功转矩ηv与无功转矩观测值
进行迭代，定子电阻可以通过不断满足下式条件得到：
式中，ηv(k+1)表示k+1时刻的虚拟无功转矩值ηv，
表示k+1时刻的磁链观测值；采用固定步长ΔRs(k)＝ΔRs，可得到其更新律为：
式中，ΔRs为迭代步长，其迭代方向取决于虚拟无功转矩与无功转矩观测值之间的误差，若Δη的绝对值在次误差阈值ηth范围内，认为定子电阻与实际值相等；
其判定方向如下式：
若误差大于正阈值ηth，迭代在负向上进行，若误差小于负阈值，迭代在正方向进行；式中，
为k+1时刻的定子电阻观测值，μ(k)为迭代方向。
本发明的有益效果为：
1、本发明通过无功转矩η，提出了一种基于无功转矩η构造的结合物理测量与模型计算方法的定子电阻在线辨识算法；该算法使用无功转矩误差Δη实时参与迭代过程计算，通过限制Δη为零得到精确的定子电阻辨识值，保证了定子磁链定向精度；
2、本发明的算法在辨识速度上提高了一个数量级，提高了信噪比，并且计算过程与电机转速、频率无关，结构简单，只需在机端进行测量，简化了工作流程。
附图说明
图1为本发明定子电阻在线辨识方法的流程图。
图2为本发明机端输入功率通过定子电阻传输示意图。
图3为本发明基于无功转矩的定子电阻观测器详细控制结构图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
如图1所示，本实施例提供一种异步电机的定子电阻在线辨识方法，包括以下步骤：
S1)、实时采集k时刻变流器直流侧电压Udc和机端三相定子电流值isa(k)、isb(k)、isc(k)；根据感应电动机PWM变流器驱动信号Sa，Sb，Sc和直流侧电压值Udc计算得到k时刻三相定子电压usa(k)、usb(k)、usc(k)。
三相定子电压usa(k)、usb(k)、usc(k)。计算式如下：
S2)、计算基于物理测量方法的虚拟无功转矩值ηv和基于模型方法下的无功转矩观测值
并计算两者误差Δη；具体为：
所述的基于物理测量方法的虚拟无功转矩值ηv可表示为虚拟磁链矢量
和机端定子电流矢量
的点积，即，
式中，
为虚拟磁链矢量，
为机端定子电流矢量，
为机端定子电压矢量；
基于模型方法下的无功转矩观测值
根据磁链观测值
和机端定子电流矢量
的点积得到，即为：
式中，
为磁链观测值矢量，
为定子电阻观测值；
两者误差为虚拟无功转矩与实际观测值相减，即
同理，如图2所示，预设在定子电阻后的任意A点，其无功转矩η可以由下式计算：
根据电阻对无功功率非耗散性，且
可以证明A点处的无功功率等于机端输入无功功率，即：
式中，
为反电动势矢量，Rs为定子电阻，假定感应电动机稳定运行，定子角频率为ω，机端定子电压矢量
和反电动势矢量
可表示为：
式中，j为虚数符号，
为虚拟磁链矢量，
为磁链观测值矢量；
结合上式，得到无功功率q与无功转矩η和虚拟无功转矩ηv之间的关系为：
q＝ωηv＝ωη；
从上式可知，无功功率q是无功转矩η和定子角频率ω的乘积，无功转矩的计算与电机的转速和运行频率无关，基于此通过无功转矩构建参数观测器。所述的观测器的如图3所示。
在实际系统中，直接转矩控制的性能下降主要原因是定子电阻值与其实际值不匹配。由于定子观测器信息不准确，无功转矩η的真实值难以得到，因此，利用虚拟无功转矩ηv准确计算定子电阻值。
如图3所示，使用基于物理的计算和调整模型来构造自适应更新律，以获得定子电阻观测值
在电机运行过程中，当存在由于绕组温度升高而造成参数失配的情况时，将给电压-电流型定子磁链观测器带来误差。即
当定子电阻变化时，定子磁链矢量的幅值变化要远慢于其相角变化。可以假定观测得到的定子磁链矢量在幅值上与实际的定子磁链矢量幅值相等，但是相角存在误差，如下式：
式中，Δδ是实际相角值δ与观测相角值
之间的误差；
当定子电阻实际值Rs与观测值
之间存在不匹配时，定子磁链矢量的相角将产生误差，进而导致产生
中的计算误差，若认为无功转矩误差全部由相角偏差造成，则无功转矩误差为：
基于无功转矩的定子电阻辨识方法通过限制Δη为零，进而消除无功转矩误差。
S3)、判断误差是否在辨识阈值范围内，并根据误差符号判断迭代方向；
通过对虚拟无功转矩ηv与无功转矩观测值
进行迭代，定子电阻可以通过不断满足下式条件得到：
式中，ηv(k+1)表示k+1时刻的虚拟无功转矩值ηv，
表示k+1时刻的磁链观测值；采用固定步长ΔRs(k)＝ΔRs，可得到其更新律为：
式中，ΔRs为迭代步长，其迭代方向取决于虚拟无功转矩与无功转矩观测值之间的误差，若Δη的绝对值在次误差阈值ηth范围内，认为定子电阻与实际值相等；
其判定方向如下式：
若误差大于正阈值ηth，迭代在负向上进行，若误差小于负阈值，迭代在正方向进行；式中，
为k+1时刻的定子电阻观测值，μ(k)为迭代方向。
S4)、输出当前时刻定子电阻辨识值。
本发明提出了一种基于无功转矩η构造的结合物理测量与模型计算方法的定子电阻在线辨识算法。该算法使用无功转矩误差Δη实时参与迭代过程计算，通过限制Δη为零得到精确的定子电阻辨识值，保证了定子磁链定向精度。该算法在辨识速度上提高了一个数量级，提高了信噪比，并且计算过程与电机转速、频率无关，结构简单，只需在机端进行测量，简化了工作流程。
上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理和最佳实施例，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (8)
1.一种异步电机的定子电阻在线辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1)、实时采集k时刻变流器直流侧电压Udc和机端三相定子电流值isa(k)、isb(k)、isc(k)；根据感应电动机PWM变流器驱动信号Sa，Sb，Sc和直流侧电压值Udc计算得到k时刻三相定子电压usa(k)、usb(k)、usc(k)；
S2)、计算基于物理测量方法的虚拟无功转矩值ηv和基于模型方法下的无功转矩观测值
并计算两者误差Δη，即：
所述的基于物理测量方法的虚拟无功转矩值ηv可表示为虚拟磁链矢量
和机端定子电流矢量
的点积，即，
式中，
为虚拟磁链矢量，
为机端定子电流矢量，
为机端定子电压矢量；
基于模型方法下的无功转矩观测值
根据磁链观测值
和机端定子电流矢量
的点积得到，即为：
式中，
为磁链观测值矢量，
为定子电阻观测值；
两者误差为虚拟无功转矩与实际观测值相减，即
S3)、判断误差是否在辨识阈值范围内，并根据误差符号判断迭代方向；
S4)、输出当前时刻定子电阻辨识值。
2.根据权利要求1所述的一种异步电机的定子电阻在线辨识方法，其特征在于：步骤S1)中，所述的机端电压和电流信号的采集，具体如下：
所述的机端三相定子电流值isa(k)、isb(k)、isc(k)以及变流器侧直流电压Udc分别通过霍尔传感器和电压传感器实时采集得到；
三相定子电压usa(k)、usb(k)、usc(k)计算式如下：
3.根据权利要求1所述的一种异步电机的定子电阻在线辨识方法，其特征在于：步骤S3)中，具体为：预设误差辨识阈值ηth，并判断误差Δη绝对值是否在辨识阈值ηth范围内；
若在则认为定子电阻观测值
与实际值Rs相等，输出本时刻定子电阻；
若不在则根据误差Δη的符号判断迭代方向。
4.根据权利要求3所述的一种异步电机的定子电阻在线辨识方法，其特征在于：若误差Δη绝对值不在辨识阈值ηth范围内，具体如下：
通过限制误差Δη为零，以消除无功转矩误差，规定一个相对小的误差阈值ηth，若Δη的绝对值在误差阈值范围内，认为定子电阻观测值与实际值相等；
若误差大于正阈值，迭代在负向上进行；
若误差小于负阈值，迭代在正方向进行，直至迭代值在误差阈值范围内，输出此时刻定子电阻辨识值。
5.根据权利要求4所述的一种异步电机的定子电阻在线辨识方法，其特征在于：所述的输出当前时刻定子电阻辨识值，具体为：通过不断实时循环，当误差值Δη在规定的误差阈值ηth范围内时，输出迭代之后准确的定子电阻在线辨识值。
6.根据权利要求1所述的一种异步电机的定子电阻在线辨识方法，其特征在于：预设在定子电阻后的任意A点，其无功转矩η可以由下式计算：
根据电阻对无功功率非耗散性，且
可以证明A点处的无功功率等于机端输入无功功率，即：
式中，
为反电动势矢量，Rs为定子电阻，假定感应电动机稳定运行，定子角频率为ω，机端定子电压矢量
和反电动势矢量
可表示为：
式中，j为虚数符号，
为虚拟磁链矢量，
为磁链观测值矢量；
结合上式，得到无功功率q与无功转矩η和虚拟无功转矩ηv之间的关系为：
q＝ωηv＝ωη；
从上式可知，无功功率q是无功转矩η和定子角频率ω的乘积，无功转矩的计算与电机的转速和运行频率无关，基于此通过无功转矩构建参数观测器。
7.根据权利要求1所述的一种异步电机的定子电阻在线辨识方法，其特征在于：当定子电阻变化时，定子磁链矢量的幅值变化要远慢于其相角变化，假定观测得到的定子磁链矢量
在幅值上与实际的定子磁链矢量
幅值相等，但是相角存在误差，如下式：
式中，Δδ是实际相角值δ与观测相角值
之间的误差；
当定子电阻实际值Rs与观测值
之间存在不匹配时，定子磁链矢量的相角将产生误差，进而导致产生
中的计算误差，若认为无功转矩误差全部由相角偏差造成，则无功转矩误差为：
基于无功转矩的定子电阻辨识方法通过限制Δη为零，进而消除无功转矩误差。
8.根据权利要求4所述的一种异步电机的定子电阻在线辨识方法，其特征在于：通过对虚拟无功转矩ηv与无功转矩观测值
进行迭代，定子电阻可以通过不断满足下式条件得到：
式中，ηv(k+1)表示k+1时刻的虚拟无功转矩值ηv，
表示k+1时刻的磁链观测值；采用固定步长ΔRs(k)＝ΔRs，可得到其更新律为：
式中，ΔRs为迭代步长，其迭代方向取决于虚拟无功转矩与无功转矩观测值之间的误差，若Δη的绝对值在次误差阈值ηth范围内，认为定子电阻与实际值相等；
其判定方向如下式：
若误差大于正阈值ηth，迭代在负向上进行，若误差小于负阈值，迭代在正方向进行；式中，
为k+1时刻的定子电阻观测值，μ(k)为迭代方向。
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| CN110138299A (zh) * | 2019-05-22 | 2019-08-16 | 河南科技大学 | 基于转子电阻在线辨识的无轴承异步电机逆解耦控制系统 |
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