异步电机的研究文献阅读报告

自动化学院电气工程系 文献阅读报告 题 目 对异步电机参数离线辨识的研究 专业名称 电气工程及其自动化 学生姓名 …… 学生学号 …… 学生班号 …… 201*年*月 自动化学院电气工程系 摘 要 本篇论文是从阅读文献报告的角度来解读论文的。 为实现变频调速系统的自运行，提出了一种异步电机参数离线辨识的改进算法，该算法能直接辨识出与无速度传感器定子磁场定向矢量控制相关的大部分电机参数。利用直流实验辨识定子电阻，并通过分析逆变器的开关状态，得到直流实验的等效控制电路。采用单相交流堵转实验辨识定子总漏感和转子电阻，并通过分析异步电机相量图得到单相交流堵转实验稳定运行的工作条件。恒压频比空载实验辨识定子自感，对电机定子频率进行补偿以 消除可能出现的定子电流振荡。利用直流侧电压和PWM占空比来重构定子电压，并根据电机电流极性补偿逆变器死区引起的电压误差。最后，在两台不同功率等级的异步电机上进行了参数辨识和无速度传感器定子磁场定向控制的实验研究。实验结果表明，辨识得到的电机参数能满足无速度传感器矢量控制系统对电机参数准确性的要求。 最后对这次文献阅读作出三方面的自我总结。

关键词：异步电机 参数离线辨识 矢量控制

1 引言 本次阅读文献的报告主要课题是对异步电机参数离线辨识的研究，报告内容主要来自《异步电机参数离线辨识改进方法》、《考虑铁损的异步电机参数辨识实验研究》以及《Application of genetic algorithms in parameters identification of asynchronous motor》等，其中也参考了一些关于在线辨识的论文。现从研究问题、研究方法及研究结果三方面来阐述报告内容。 异步电机具有廉价、牢固、易维护的优点，因而广泛应用于各工业传动场合，约消耗全国总用电量的60%。近年来，能源危机加剧，环境问题日益突出，节能减排成为共识。如何进一步优化异步电机的运行效率也成为目前异步电机高性能控制领域的热点问题。 按磁场定向的矢量控制策略在电动汽车电机驱动系统中已得到广泛的应用，尤其是无速度传 感器矢量控制系统以其简便的结构、优良的性能、低廉的价格得到了更广泛的应用。众所周知，无速度传感器矢量控制系统必须依赖于电机参 自动化学院电气工程系 数来完成 磁通或者是速度的估算，以及控制器参数的设计，因而如何准确地获得电机参数是矢量控制系统的首要问题。 异步电机参数辨识一般可分为在线式和离线式两类。无速度传感器矢量控制系统中，离线辨识能够保证电机安全可靠地起动，并能为在线辨识算法提供很好的初值，加快在线辨识算法的收敛速度。然而传统的离线辨识方法一般是通过标准的空载和堵转实验（电机直接连接到50Hz电网）得到电机参数，这种方法比较麻烦，需要人工接线和机械堵转，不适合变频调速系统。为解决上述问题，国内外很多学者提出了各种异步电机参数的离线辨识方法。比如采用脉冲电压法和脉冲电流法辨识电机参数，因为处理的是电机的瞬态过程，因此对数据处理的实时性要求高。又比如基于间接矢量控制系统，采用改进的直流实验辨识定子电阻、单相交流堵转实验辨识转子电阻和定子漏感、空载实验辨识电机互感，但是在单相交流实验中采用功率表来获得电机功率，不能实现参数辨识的完全自动化；此外，由于总漏感通过估计的参数值计算得到，引入了累积误差。

2 异步电机参数离线辨识 2.1 研究思路 通过分析无速度传感器定子磁场定向矢量控制中参数的依赖性，提出了一种改进的离线辨识算法。采用直流实验辨识定子电阻、单相交流堵 转实验辨识转子电阻和定子总漏感以及恒压频比空载实验辨识定子自感。通过分析逆变器的开关状态，得到了直流实验的等效控制电路。基于电机堵转时的频域方程，通过快速傅里叶分析计算电机转子电阻和总漏感，消除了总漏感的计算累积误差，既简化了辨识过程，而且估计精度不受直流侧电压的影响。恒压频比空载实验时，对电机定子频率进行补偿以消除可能出现的电流振荡，且不需要电机转速信息。利用直流侧电压和PWM占空比来重构定子电压，补偿死区效应引起的电压误差，保证重构电压和实际电压一致，可以省去电压传感器。最后，在一台2.2kW和一台200kW的异步电机进行了参数的离线辨识，并将辨识出来的参数应用到无速度传感器定子磁场定向矢量控制系统，以验证辨识算法的实用性和有效性。

2.2无速度传感器矢量控制系统的介绍 定子磁场定向时，规定 d轴和定子磁链矢量的方向重合，q轴逆时针垂直于d轴，即ψsd =ψs和ψsq = 0 。无速度传感器定子磁场定向矢量控制框图如图1所示。采用电压模型定子磁链观测器，动态转速估计法辨识转速，由式（1）计算出电机的同步角频率，由式（2）得到电机转差角频率，由式（3）得到电机转速角频率。 自动化学院电气工程系 式中 ψˆs ——估计的定子磁链矢量； ψsd

* ——磁通指令；

Ls——定子自感； Tr——转子时间常数，Tr=Lr/Rr； Rr——转子电阻； Lr——转子自感；

σ ——总漏感系数，σ=1−L2m /(LLs r) ； p——微分算子，p=d/dt。 ωˆr ——电机转速估计值；

ωˆsl ——转差角频率估计值； ωˆe ——同步转速角频率估计值； 上标“*”代表指令值，上标“^”表示估计量。

图1 定子磁场定向无速度传感器矢量控制框图 由于电压模型磁链观测器只与定子电阻有关。由式（2）可以看出，与转差计算直接相关的电机参数是定子总漏感，转子时间常数和定子自感。定子磁场定向时，由于转矩和磁通没有完全解耦，需要加入电流解耦项如式（4）所示。可以看出与之直接相关的电机参数是总漏感。 自动化学院电气工程系 图2 直流实验控制框图 定子a相电流给定 isa* 为直流，大小为电机额定线电流有效值Irated，Vs*β给定为零，从而保证电机转速为零。检测电机的定子a相电压稳态值vsa 和定子a相电流稳态值 isa，定子电阻可由式（5）得到

由于采用逆变器供电，不能直接在电机上施加 直流电压，因此需要通过一定的控制手段使 B，C 桥臂的控制信号相同，使三相逆变器变成 Buck 电 路，等效控制电路为如图 3 所示。通过斩波控制调 节施加在电机上的电压值，PWM 占空比为采用图 3 控制时 a 桥臂和 b 桥臂占空比之差。

图3 直流实验的等效控制电路 3 研究方法：离线辨识算法的研究 采用直流实验辨识定子电阻、单相交流堵 转实验辨识转子电阻和定子总漏感以及恒压频比空 载实验辨识定子自感，由转子电阻和转子自感计算得到转子时间常数。利用直流侧电压和PWM占空比来重构定子电压，并根据电机电流极性补偿逆变器死区引起的电压误差。

3.1定子电阻辨识 定子电阻可以通过向定子绕组施加直流激励来实现。直流实验地控制框图如图4所示，定子电流 通过电流传感器采样得到，定子电压通过直流侧电压和逆变器开关函数计算得到，Tabc表示PWM波占空比。 自动化学院电气工程系 图 4 直流实验控制框图 3.2 转子电阻和总漏感辨识

用单相交流堵转实验来完成转子电阻Rr和总漏感σLs的辨识。向电机注入单相交流电流，采用的是比例调节器。定子a相电流给定为

式中ω e *——给定定子电流角频率，选取较高的ω e *（45Hz）来减小铁损的影响。

单相交流实验时，定子 a 相电压方程的频域表达式为

式中 Lm——电机互感，Lm=Ls−Lls=Lr−Llr； Lls——定子漏感； Llr——转子漏感；

ωe——定子角频率。

当 jωeLr ≫Rr 时，式（7）可简化为

待电流稳定后，利用快速傅里叶分析计算定子 a 相和 b 相之间线电压基波有效值 Vsab，定子 a 相电 流基波有效值Isa以及功率因数cosθ，可计算得到电 机的等效阻抗Zeq，等效电阻Req，等效电抗Xeq，因L2m / L 2r≈1，可以计算

出总漏感σLs = Xeq /ωe*，转子电阻Rr=Req−Rs。 自动化学院电气工程系 3.3 定子自感辨识 用空载实验实现定子自感Ls的辨识时，采用恒压频比控制方式，通过提取无功电流分量进行反馈控制来抑制电流振荡，采用的恒压频比控制框图如图5所示

图5 恒压频比控制原理图 3.4 定子电压的重构 设 a相桥臂开关函数为Sa，当 Sa=1 时代表a相桥臂上管开通，当Sa=0时代表a相桥臂下管开通。同理可以得到其他两相的开关函数 Sb 和 Sc。三相定子电压就可以通过开关函数和直流侧电压值计算得到，如式（10）所示。

由于逆变器死区会带来实际电压和指令电压之间的偏差，使参数辨识结果出现偏差，因此必须对其补偿。通过检测电机电流的方向，在每相电压上加上与误差电压相同的电压补偿量就可以消除死区效应引起的电压误差。死区引起的误差电压值为

式中 Td——死区时间； fs——开关频率； 自动化学院电气工程系 Udc——直流侧电压； isx——定子a、b、c 相电流，x=a，b，c。

4 实验仿真 在介绍完研究方法之后，为验证算法的有效性，采用对两台不同功率等级的异步电机进行了参数辨识和无速度传感器定 子磁场定向控制实验研究。采用光电编码转速传感器得到实际转速用来与估计转速对比。

4.1 2.2kW异步电机实验研究 实验平台为同轴联结的2.2kW异步电机和3kW 直流电机，直流电机用来模拟负载。 参数辨识实验电压电流波形如图6所示：