CN1193497C

CN1193497C - 异步电机转动惯量辨识方法

Info

Publication number: CN1193497C
Application number: CNB011300574A
Authority: CN
Inventors: 刘宏鑫; 张科孟; 李俊田; 刘国伟
Original assignee: Emerson Network Power Co Ltd
Current assignee: Leroy Somer Electro Technique Fuzhou Co Ltd Shenzhen Branch Bright
Priority date: 2001-12-05
Filing date: 2001-12-05
Publication date: 2005-03-16
Anticipated expiration: 2021-12-05
Also published as: CN1354558A; AU2002349460A1; WO2003050939A1

Abstract

本发明涉及一种异步电机转动惯量辩识方法，包括以下步骤：采用转矩矢量控制方法，控制电机以恒定角加速度从第一角速度(ω₁)空载运行到第二角速度(ω₂)，记录运行时间(Δt)；采用速度矢量控制方法，控制电机以恒定角速度(ω₃)空载稳速运行，根据这时的转矩电流分量(I_t ^*)计算电磁转矩值从而得出电机的摩擦转矩(T₀)，再根据运行时间(Δt)和摩擦转矩(T₀)计算出电机的转动惯量(J)。本发明提供的转动惯量辩识方法辩识参数精度高，可大大提高矢量控制的性能。

Description

异步电机转动惯量辩识方法

技术领域

本发明涉及电机技术，更具体地说，涉及一种在矢量控制或直接转矩控制的变频调速系统中获得异步电机转动惯量参数的方法。

背景技术

异步电机的矢量控制在传动领域得到了很广泛的应用，其控制思路是将异步电机的定子电流分解为励磁电流分量和转矩电流分量两部分，仿照直流电动机的控制思路，通过控制定子电流的励磁电流分量来控制电动机的磁通和通过控制定子电流的转矩电流分量来控制输出转矩。

图1是应用最广泛的速度矢量控制系统结构图。图1中定子电流的转矩分量指令和励磁电流分量指令都是同步旋转坐标系中的电流值，转矩电流分量指令I_t ^*是速度调节器的输出，而励磁电流分量指令与电机的空载电流以及弱磁控制有关。转矩电流和励磁电流的调节是在同步旋转坐标系中进行的，两个电流调节器的输出即为定子电压矢量在同步旋转坐标系中两个坐标轴上的分量。电流调节器输出的两个电压指令分量经坐标变换后得到三相电压指令的瞬时值，这三个电压瞬时值就是脉冲宽度调制(PWM)逆变器的输入指令。另一方面，检测的三相电流值经过坐标变换得到电流在同步旋转坐标系中的两个电流反馈分量，这两个电流分量作为电流闭环控制的反馈。另外，根据转矩电流分量计算出滑差角频率，加上反馈的电机转速，得到额定同步旋转角频率，积分得到同步旋转坐标系的旋转角度，用于三相静止坐标系到同步旋转坐标系的坐标变换中。

图2是转矩矢量控制系统结构图。转矩矢量控制区别于速度矢量控制的关键在于：速度矢量控制控制的目标是转速，所以它的转矩电流分量指令I_t ^*是通过速度闭环，由速度调节器计算而来的，如图1所示；而转矩矢量控制是直接对转矩进行控制，故其转矩电流分量指令I_t ^*是直接给定的，如图2所示。

电机的转动惯量是与电机的动态过程相关的参数，其辩识方法中还不成熟。有些方法通过控制电机速度突变，利用电机运动方程辩识转动惯量，但电机速度突变的过程电流很大，容易产生过流故障，所以这种方法很难在工程上实用，还有的方法由于辩识的精度不高也难以实用。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种简单实用且高精度的异步电机转动惯量辩识方法。

按照本发明的一种异步电机转动惯量辩识方法，包括以下步骤：

采用转矩矢量控制方法，控制电机以恒定角加速度从第一角速度(ω₁)空载运行到第二角速度(ω₂)，记录运行时间(Δt)；

采用速度矢量控制方法，控制电机在恒定角速度(ω₃)下空载稳速运行，并取这时的转矩电流分量(I_t ^*)；

根据电机在恒定角速度(ω₃)下空载稳速运行的转矩电流分量(I_t ^*)计算出电机的摩擦转矩(T₀)；再根据运行时间(Δt)和摩擦转矩(T₀)计算出电机的转动惯量(J)。

在上述按照本发明的异步电机转动惯量辩识方法中，所述第一角速度(ω₁)为零，第二角速度(ω₂)为电机的额定转速，恒定角速度(ω₃)也为电机的额定转速。

在上述按照本发明的异步电机转动惯量辩识方法中，首先用转矩矢量控制方法，控制电机以恒定角加速度从零速空载运行到电机额定转速，记下运行时间(Δt)；然后再切换到速度矢量控制，控制电机在额定转速下恒速运行，得到转矩电流分量(I_t ^*)。

在上述按照本发明的异步电机转动惯量辩识方法中，所述第一角速度(ω₁)为电机的额定转速，第二角速度(ω₂)为零，恒定角速度(ω₃)也为电机的额定转速。

在上述按照本发明的异步电机转动惯量辩识方法中，首先用速度矢量控制方法，控制电机在额定转速下恒速运行，得到转矩电流分量(I_t ^*)，再用转矩矢量控制方法控制电机从额定转速减速到零，记录减速时间(Δt)。

在上述按照本发明的异步电机转动惯量辩识方法中，所述恒定角速度(ω₃)是第一角速度(ω₁)和第二角速度(ω₂)的算术平均值。

实施本发明提供的转动惯量辩识方法辩识参数精度高，可大大提高矢量控制的性能。

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

附图说明

图1是一种广泛应用的异步电机速度矢量控制系统结构图；

图2是异步电机转矩矢量控制系统结构图。

具体实施方式

本发明方法利用矢量控制中转矩电流分量易于控制、从而易于控制转矩的特点，使用转矩矢量控制方法控制电机以恒定角加速度运行，从而辩识出电机的转动惯量参数；在计算转动惯量时，需要知道电机摩擦转矩，本发明利用速度矢量控制中转矩易于计算的特点，在速度矢量控制下，控制电机在一定角速度下空载运行，可方便求出此时的转矩，即摩擦转矩。

1、辩识原理

电机的运动方程为：

(1) - - - J \frac{dωr}{dt} = T_{e} - T_{1} - T_{0}

式中，J为电机的转动惯量，ω_r为转子的瞬时机械角速度，T_e为瞬时电磁转矩，T₁为负载转矩，当电机空载运行时T₁＝0，T₀为摩擦转矩。根据运动方程，让电机按恒定角加速度从ω₁运行到ω₂，记录运行时间Δt，则：

(2) - - - J \frac{dωr}{dt} = J \frac{ω_{2} - ω_{1}}{Δt} = T_{e} - T_{1} - T_{0}

可得出转动惯量为：

(3) - - - J = \frac{Δt (T_{e} - T_{1} - T_{0})}{ω_{2} - ω_{1}}

在本发明中，采用转矩矢量控制方法辩识电机的转动惯量，转矩矢量控制系统的结构如图2所示。在转矩矢量控制中，给定一恒定的转矩电流分量I_t ^*，则电磁转矩T_e恒定、电机运行角加速度也恒定，电磁转矩可由下式计算求得：

(4) - - - T_{e} = \frac{L_{m} {PI}_{t}^{*} ψ_{2}}{L_{r}}

其中：L_m为电机互感，L_r为转子电感，P为电机极对数，Ψ₂为转子磁链(在转子磁场定向的矢量控制中，转子磁链被控制为常数)。

在本发明中保持电机空载运行，则转动惯量相应为：

(5) - - - J = \frac{Δ t^{*} (T_{e} - T_{0})}{ω_{2} - ω_{1}}

在公式(5)中，只要确定摩擦转矩T₀ ，转动惯量就能很容易地获得。

在本发明中，计算摩擦转矩的方法为：使用速度矢量控制方法，控制电机空载稳定运行在一定角速度ω₃下，由于电机恒速运行，则Δω＝0，此时的电磁转矩全部用来克服摩擦转矩，即：T₀＝T_e。因此，计算出电磁转矩就可获得摩擦转矩值，电磁转矩的计算式同公式(4)，其中的转矩电流分量I_t ^*是通过速度闭环由速度调节器计算后输出的，可直接得到。

2、实施例

本发明方法在高性能的矢量控制变频器中得到成功应用。该变频器采用TMS320F240芯片作为核心控制CPU，变频器的输出控制电机运行。在该实例中，首先用转矩矢量控制方法，控制电机以恒定角加速度从零速空载运行到电机额定转速，记下运行时间；然后再切换到速度矢量控制，控制电机在额定转速下恒速运行，用公式(4)计算出电机的摩擦转矩值，再代入公式(5)中计算出电机的转动惯量。当然，也可以先控制电机在额定转速下恒速运行测试摩擦转矩值，再用转矩矢量控制方法控制电机从额定转速减速到0，记录减速时间，然后计算转动惯量。以上两种实施方案在开机时和关机时辨识转动惯量，控制流程简洁，可在电机的同一个加速(减速)过程中获得。实际上，摩擦转矩并不恒定，还会受到电机转速的影响，为了更精确地辨识转动惯量，可取电机空载稳速运行时的角速度ω₃＝(ω₁+ω₂)/2，例如取ω₃为二分之一的额定转速，但这样会增加控制流程。

用一台7.5KW变频器分别带2.2KW、4KW的电机进行了转动惯量辩识试验，并把辩识的结果与电机铭牌参数相比较。试验电机铭牌数据如表1所示，变频器转动惯量辩识的结果如表2所示。

表1 试验电机铭牌数据

型号	额定功率	额定电压	额定电流	额定转速	转动惯量(kg.m²)	接法
型号	额定功率	额定电压	额定电流	额定转速	转动惯量(kg.m²)	接法	Y90L-2	2.2kW	380V	4.86A	2,860	0.0014	Y
Y112M-4	4.0kW	380V	8.77A	1,440	0.0095	Δ	Y90L-2	2.2kW	380V	4.86A	2,860	0.0014	Y

表2变频器参数辩识结果

电机功率	转动惯量(kg.m²)	摩擦转矩/额定转矩
电机功率	转动惯量(kg.m²)	摩擦转矩/额定转矩	2.2KW	0.0014	3％
4.0KW	0.0094	5％	2.2KW	0.0014	3％

从上表试验数据可以看出，变频器辩识的转动惯量与电机实际转动惯量值相差甚微，误差在5％以内。利用辩识出来的转动惯量J，可以用来设计速度调节器的参数，实现自适应控制。

实验表明，本发明提供的转动惯量辩识方法辩识参数精度高，可大大提高矢量控制的性能。

Claims

1、一种异步电机转动惯量辩识方法，其特征在于，包括以下步骤：

2、根据权利要求1所述的异步电机转动惯量辩识方法，其特征在于，所述第一角速度(ω₁)为零，第二角速度(ω₂)为电机的额定转速，恒定角速度(ω₃)也为电机的额定转速。

3、根据权利要求2所述的异步电机转动惯量辩识方法，其特征在于，首先用转矩矢量控制方法，控制电机以恒定角加速度从零速空载运行到电机额定转速，记下运行时间(Δt)；然后再切换到速度矢量控制，控制电机在额定转速下恒速运行，得到转矩电流分量(I_t ^*)。

4、根据权利要求1所述的异步电机转动惯量辩识方法，其特征在于，所述第一角速度(ω₁)为电机的额定转速，第二角速度(ω₂)为零，恒定角速度(ω₃)也为电机的额定转速。

5、根据权利要求4所述的异步电机转动惯量辩识方法，其特征在于，首先用速度矢量控制方法，控制电机在额定转速下恒速运行，得到转矩电流分量(I_t ^*)，再用转矩矢量控制方法控制电机从额定转速减速到零，记录减速时间(Δt)。

6、根据权利要求1所述的异步电机转动惯量辩识方法，其特征在于，所述恒定角速度(ω₃)是第一角速度(ω₁)和第二角速度(ω₂)的算术平均值。