感应电机参数的离线辨识

感应电机参数的离线辨识罗慧　刘军锋　万淑芸华中科技大学 摘要:提出了一种基于SVPWM的感应参数离线辨识方法,通过改进的直流实验、堵转实验、空载实验和阶跃电压实验辨识感应电机所有的参数。

辨识过程由系统自动完成,无需人工操作,无需速度信息。

信号处理使用了离散快速傅立叶变换(DFF T)和最小二乘法,准确地提取了有效信息,提高了辨识精度。

实验结果证明了上述方法是正确可靠的,且保证了较高的辨识精度。

关键词:感应电机　参数辨识　离散快速傅立叶变换Off2line Identif ication of Induction Motor P arametersL uo Hui　Liu J unfeng　Wan ShuyunAbstract:An off2line identification method of induction motor(IM)parameters is presented in this paper. Before startup,the inverter drive automatically performs the modified DC test,locked2rotor test,no2load test and step2voltage test.No speed signals are required in this approach.In order to obtain the effective message in these tests,the discrete fast fourier transform(DFFT)and the least2squares are used to process the signals of currents and voltages.The validity,reliability and accuracy of the presented methods are verified by the ex2 periments on a VSI2fed IM drive system.K eyw ords:induction motor　parameter identification　discrete fast fourier transform1　引言随着矢量控制技术的发展,使感应电机达到了与直流电机相当的调速性能,加之感应电机结构简单、鲁棒性强、无电刷且价格低廉,使之在工业应用中越来越广泛。

现在的感应电机驱动系统多使用间接磁场定向或无速度传感器磁场定向控制技术,无论是间接磁场定向还是无速度传感器磁场定向控制,都需要准确的电机参数[1,2],特别是无速度传感器磁场定向控制。

一般感应电机参数辨识可分为在线式和离线式。

在线式辨识需要系统已整定好以及准确的速度信息,其方法主要有卡尔曼滤波[3]、遗传算法[4]、模型参考自适应[5]和最小方差估计器[6]。

这些方法要么计算量大,实时性不强,要么需要特殊的激励信号,而且在无速度传感器系统中,电机转速和转子电阻的同时辨识是很困难的[7]。

离线式辨识可以不需要速度信息。

利用离线辨识得到电机参数的初始值,当电机运行时根据参数变化在线修改电机参数,可以加快在线辨识算法的收敛速度。

学者们提出了许多感应电机参数的离线自动辨识方法,无需机械堵转电机,也不需要专业人员操作。

这些方法在电机投入运行前,向电机施加不同形式的电压、电流信号,检测电机的电压、电流,通过它们的关系计算出各种电机参数或者采用某种拟合算法辨识电机参数[8～13]。

本文在假定感应电机三相平衡的前提下,基于SV PWM,提出了一种改进的直流实验、堵转实验、空载实验和阶跃电压实验对感应电机参数进行离线辨识。

直流实验辨识定子电阻(R s)。

堵转实验可以通过单相实验实现[13],辨识定、转子漏感(L ls=L lr)和转子电阻(R r)。

空载实验采用V/f控制方式,辨识定转子间的互感(L m)。

通过阶跃电压实验直接辨识总漏感(σL s),消除了采用前3个实验辨识出的定、转子自感(L s=L r)和L m计算σL s产生的累计误差。

上述实验过程全部由系统自动完成,无需机械堵转和专业人员操作。

本文还提出了一种电机相电压的检测方法,省去了死区补偿。

实验结果说明上述方法保证了较高的可靠性和精度。

612　参数辨识图1所示为电压型逆变器与三相感应电机的典型连接方式。

逆变器的3个桥臂A ,B ,C 分别与感应电机的三相绕组a ,b,c 对应相连。

图1　电压型逆变器与感应电机的连接2.1　直流实验直流实验时,使图1中B ,C 桥臂的控制信号相同(电机b,c 相短接),向电机施加直流电压。

此时的等效电路如图2所示。

图2　直流实验等效电路 电机的定子电阻为R s =V a /I a(1)三相电流、电压关系如下:I b =I c =-0.5I a (2)V b =V c =-0.5V a(3)图3　直流实验控制结构在SV PWM 中,V α=V a ,V β=(V a +2V b )/3=0。

因此,直流实验可采用图3所示的控制结构。

图3中在两相静止坐标系上,α轴电流给定为额定值,调节电机的α轴电流,电流稳定后α轴的电压给定为一直流量。

V β=0,保证了B ,C 桥臂的控制信号相同。

直流实验的给定为I 3α=I rated V β=0(4)待电流稳定后,检测电机的a 相电压V a ,a 相电流I a ,辨识定子电阻R s 。

此时图1中的T 1,T 6,T 2导通。

2.2　单相实验单相实验时,使图1中B ,C 桥臂的控制信号相同(电机b,c 相短接),向电机施加正弦电压,构成H 桥电路。

此时的等效电路如图4所示。

图4　单相实验等效电路 等效阻抗为Z eq =V ab /I a(5)等效电阻为R eq =(V ab /I a )cos θ(6)等效电抗为X eq =Z 2eq -R 2eq(7)定、转子漏感为L ls =L lr =13X eqω3e(8)式中:ω3e 为电流、电压的同步角频率。

转子电阻为R r =23R eq -R s(9)三相电流、电压关系仍为式(2)、式(3)。

在SV PWM 中,V α=V a ,V β=(V a +2V b )/3=0。

因此,单相实验可采用与图3相同的控制结构,此时的给定为I 3α=2I rated cos (ω3e t )V β=0(10)待电流稳定后,检测电机的ab 线电压有效值V ab ,a 相电流有效值I a 以及功率因数cos θ,辨识定、转子漏感L ls =L lr 和转子电阻R r 。

此时图1中的T 1,T 6,T 2导通或者T 3,T 5,T 4导通。

由于直接检测的电机电流和电压存在很多噪声和谐波成分,为了准确得到电流和电压的有效值以及功率因数。

在某一时刻,同时采样一个周期的电流、电压信号,利用离散快速傅立叶变换(DFF T )对电流、电压信号进行分析,分别得到它们的幅值谱和相位谱。

取其中基波(一次谐波)的幅值和相角,便可算出电流和电压的有效值以及71功率因数。

2.3　空载实验空载实验时,采用V /f 控制方式。

当电机在空载情况下运行,电机转速基本上接近同步转速,转差率s ≈0,电机转子回路相当于开路,此时电机的等效电路如图5所示。

图5　空载实验等效电路等效阻抗为Z eq =V a /I a(11)等效电抗为X eq =(V a /I a )sin θ(12)互感为L m =X eq /ω3e-L ls(13)式中:ω3e 为电流、电压的同步角频率。

空载实验的控制结构如图6所示。

待转速稳定后,检测电机的a 相电压有效值V a ,a 相电流有效值I a 以及功率因数cos θ,辨识互感L m 。

V a ,I a 和co s θ的计算,采用与单相实验相同的离散快速傅立叶变换(DFF T )。

值得注意的是I a 即为感应电机励磁电流的幅值。

图6　空载实验控制结构2.4　阶跃电压实验由前3个实验可以得到互感L m ,定子自感L s =L m +L ls(14)转子自感L r =L m +L lr(15)利用这3个参数可以计算出总漏感σL s =(L s L r -L 2m )/L r(16)这样直接计算会产生较大的累计误差。

令L l =L ls =L lr(17)L ′m =L m +ΔL m(18)L ′l =L l +ΔL l(19)σL ′s =σL s +ΔσL s(20)式中:L ′m ,L ′l ,σL ′s 为辨识值;L m ,L l ,σL s 为真实值;ΔL m ,ΔL l ,ΔσL s 为辨识误差。

由式(14)～式(20),可得ΔσL s =σL ′s -σL s=(L ′s L ′r -L ′2m )/L ′r -(L s L r -L 2m )/L r=ΔL l +L m L ′m ΔL l +L l L ′l ΔL m (L ′m +L ′l )(L m +L l )(21)由式(21)可得ΔL l <ΔσL s <2ΔL l +ΔL m (22)为消除式(22)的累计误差,本文通过阶跃电压实验直接辨识总漏感σL s [14]。

2.4.1　辨识模型推导根据文献[15],当输入的阶跃电压幅值足够高时,可得σL s 的计算式σL s ≈V αs p I αs =V αs ΔTΔΙαs (23)2.4.2　辨识过程在阶跃电压实验中,先使图1中的T 1,T 6,T 2导通,T 4,T 3,T 5关断,母线电压直接加在a ,b 相之间,V ab =V dc 。

电流将近似线性上升,直至a 相电流I a 上升至事先设定的阀值I th 。

当I a 达到I th 后,使T 4,T 3,T 5导通,T 1,T 6,T 2关断,V ab =-V dc 。

电流将近似线性下降,当I a 下降至-I th 时,再使T 1,T 6,T 2导通,T 4,T 3,T5关断,如此反复将V dc 和V -dc 施加在电机上。

V ab 和I a 的关系如图7所示。

图7　阶跃电压实验波形示意图 此时图1中的T 1,T 6,T 2导通,或者T 3,T 5,T 4导通。

检测母线电压V dc 和a 相电流的正负峰值I a p ,I a n 以及ΔT 。

采用上述辨识方法有:|V α|=|V a |=23V dc ,I α=I a 。

根据式(23)总漏感σL s =23V dc ΔTI a p -I a n(24)3　实验与结果上述辨识方法在以TI 公司DSP 器件81TMS320L F2407A 为核心控制器的实验平台上得到了验证,实验中PWM 开关频率f k =5k Hz 。