一种简易的感应电机参数自提交方法

一种简易的感应电机参数自提交方法
黄其福，李洁，钟彦儒，朱权兵
西安理工大学自动化学院，陕西西安710048
摘要提出一种简单易行的感应电机参数自提交方法。

辨识过程由系统自动完成，分为四部分：定子电阻辨识、定转子漏感辨识、转子电阻辨识
和互感辨识。

用FIR数字滤波器对电流进行滤波处理，提高了参数辨识的精度。

使用简单的相位差检测方法，省去了复杂的FFT。

只须改变电流给
定值，算法就可适用于不同容量的感应电机。

实验结果证明提出的方法是正确、可靠的，且具有较高的辨识精度。

关键字参数辨识；相位差检测；FIR滤波器
A Simple Self-commissioning Method for Induction Motor Parameters
HUANG Qifu，LI Jie，ZHONG Yanru，ZHU Quanbing
Xi'an University of Technology，Xi'an Shaanxi 710048 China
Abstract A simple self -commissioning method of induction motor (IM) parameters is presented. The identification process is completed automatically by system. There are four parts in the process: identification of stator resistance, leak inductance, rotor resistance, and mutual inductance. The sampled current is filtered by FIR digital filter which improves identification precision. It dispenses with complicated fast fourier transform (FFT) because of the easy way of phase difference identification. It just needs to change the given current for different induction
motors. The accuracy and reliability of the presented methods are verified by the experiments, and it also has high identification precision.
Keywords parameter identification；phase difference detection；FIR filter
0 引言
矢量控制变频调速系统已经进入实用阶段。

众所周知，矢量控制系统性能的好坏，很大程度上依赖于电机参数辨识的准确与否，因而准确获得这些参数是矢量控制系统的关键问题。

一般而言感应电机参数辨识分为离线自提交和在线自校正。

电机参数的在线自校正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、模型参考自适应和最小方差估计器等。

参数离线自提交得到的电机参数的初始值，用于在线自校正算法中，可提高算法的收敛速度。

因此国内外许多学者对此做了很多有意义的工作，主要有以下几种方法：
1）空载试验和堵转试验法[1]；
2）对电机的三相输入侧施加不同的激励，利用电机本身的空载和堵转等效电路进行参数自提交[2~5]；
3）利用最小二乘法进行参数自检测[6、7]；
4）利用过渡过程响应波形进行自提交[8]。

在假定感应电机三相平衡的前提下，提出一种简易的高精度异步电机参数离线辨识方法，利用电机学原理，同时对逆变器及电机中的导通压降、开关延迟、死区时间和集肤效应等因素进行合理的补偿，以保证辨识的参数具有较高的精度和可信度。

该方法包括4个辨识子过程:定子电阻辨识、定转子漏感辨识、转子电阻辨识以及互感的辨识。

整个过程可自动完成，不需要进行复杂的堵转实验。

1 参数辨识原理
1.1 定子电阻辨识
假设感应电机三相平衡，则只需要检测其单相电路的定子电阻。

如图2所示为电压型交-直-交变频调速系统的主电路，使V1一直导通，V2、V3、V5、V6一直关断，而V4 由脉冲序列驱动，则在A、B 两相绕阻上将产生一组电压脉冲序列。

设时钟周期为Ts，脉冲宽度为t，则脉冲的占空比D=t/Ts，绕阻上的电压平均值则为Udc伊D，这样就得到一个等效的直流电压，A、B两相同时流过的电流为I，相应的辨识定子电阻值为
1.2 定转子漏感辨识
根据电机的电磁物理特性，可以假设定转子的漏感是相等的。

如图3所示，当进行电机漏感测试时，由于向电机注入的是高频脉冲信号（1 kHz 左右），只要频率足够高，等效电路中的电阻项就可以忽略。

对电机进行单相测试，A、B两相同时进行，为了减小忽略定、转子电阻所带来的影响，可以使定子电流的最大值与最小值的大小相等而极性相反，即在测定漏感的时间间隔内，使电流的平均值为零。

如图2中所示，V5和V6在测试A、B侧的漏感时始终为关断。

当UAB=+Udc时，使V1和V4同时导通，V2 和V3处于关断状态；当UAB= -Udc时，使V2和V3同时导通，V1和V4处于关断状态, 电压电流波形如图4 所示。

计算漏感的公式为
1.3 转子电阻辨识
电机加上单相正弦电压时，没有电磁转矩产生，其电磁现象与三相堵转时基本相同，图5为模拟电机堵转的等效电路。

当电流达到给定值后，在A、B 两相之间产生了一个基波频率为f，基波幅值为Um的正弦PWM电压。

通过检测电压和电流信号之间的相位差兹，可以算出转子电阻为
在该检测过程中，正弦基波频率f的大小对转子电阻辨识结果影响很大。

若f较小，则Xm（电机励磁电抗）值变小，励磁支路的阻抗将不能忽视；若f较大，
则集肤效应的影响严重，导致辨识转子电阻偏大。

采用在f1=20 Hz 和f2=40 Hz两个频率点进行单相短路试验，得到转子电阻值Rr1、Rr2。

近似认为集肤效应的
影响与频率成线性关系，则可通过对电阻值Rr1、Rr2采用两点法，计算出额定转差频率fs（1 ~4 Hz）处的转子电阻，以此作为真正的转子电阻值
1.4 互感辨识
电机空载时转差s=0，这时等值电路变成图6所示电路。

逆变器供电下的空载试验与常规电机学试验非常类似。

采用V/f 控制方式，使电机不带任何负载运行在频率f下，从而检测出电压和电流信号之间的相位差兹。

这样就可以按照辨识转子电阻试验的计算方法得到异步电机空载等效电路中的电抗了。

电机励磁电抗为
会对相位的检测造成较大的影响，所以需要对采样的电流信号进行低通滤波处理。

考虑到基波信号的最大频率值为50 Hz，且需要知道信号的精确的相位信息，所以设计的滤波器截止频率为100 Hz，是具有线性相移的FIR 滤波器，阶数为50 阶，图7 为该滤波器的幅频相频特性。

2 实验结果
实验是在以TI 公司DSP TMS320F2812 为控制
CPU 的平台上进行的，实验中的PWM 开关频率fk=
4 kHz，感应电机铭牌参数为：额定功率PN=1.1 kW；额
定电压UN=380 V；额定电流IN=2.67 A；额定频率fN=
50 Hz；额定转速nN=1 410 r/min；定子电阻Rs=5.27 赘；
转子电阻Rr=5.07 赘；互感Lm=0.421 H；定子电感Ls=
0.423 H；转子电感Lr=0.479 H。

2.1 检测定子电阻
给定电流I*，通过PI控制器调节占空比D，使流过定子侧的直流电流稳态值达到I*。

由于该直流电流信号是直流母线经过PWM 斩波加在定子电阻两相的，所以存在高频信号和线路白噪声的干扰，需要用本文设计的FIR滤波器对其进行处，由于是直流信号，所以幅值没有衰减，不需要进行相应的幅值和相位
的补偿。

图8为给定电流I*=2.4 A时，定子电流的波形，等电流进入稳态，对滤波后的电流进行连续100次的采样，通过式（1）计算每次采样的电流对
应的定子电阻
值，取平均值即为定子电阻的辨识值，定子电阻的最终辨识结果为5.43 赘。

2.2 检测定转子漏感
在检测漏感的实验中，将直流母线电压交替作用于A、B两相，占空比为50%。

给定近似三角波的电流幅值I*=2.4 A，通过调节作用周期T，达到对定子电流幅值的控制。

图9为AB 间线电压和B相的电流，A相的电流和B相大小相等方向相反。

在每次Uab切换的瞬间，对电流进行采样，分别取得电流的最大值和最小值，然后通过公式（2）就可以计算出定转子漏感。

从图9 中可以看出，Uab的幅值为514 V，电流Ib的幅值为2.4 A，周期为1 ms，在每一
个周期中进行一次采样计算，取10 组数据算平均值，最后得出定转子的漏感为0.029 H。

2.3 检测转子电阻
为了提高转子电阻的辨识精度，需要在两个频率点分别辨识转子电阻，然后根据式（4）进行线性化处理。

实验中，首先给定同步频率f=40 Hz，电流的采样周期为0.25 ms。

对采样的电流信号进行FIR滤波处理，由FIR滤波器的特性可知，滤波后的信号相位将延迟90毅，在电压值为0时，取得该时刻的电流值，然后检测电流信号的幅值，即可得出滤波后电流信号和电压信号之间相位差兹忆的sin兹忆，并做相应的相位补偿，可以得出实际电压和电流之间的相位差兹，根据式（3）就可以计算出f=40 Hz时的转子电阻。

然后设置同步频率f=20 Hz，此时滤波器的相移为45毅，进行同f=40 Hz时一样的处理，即可得出f=20 Hz 时的转子电阻值，最后用公式（4）进行线性化处理。

图10为辨识转子电阻时电压电流波形，通过多次计算取平均值，得出转子电阻
Rr=4.95 赘。

2.4 检测互感
用V/f的控制方法起动电机到给定的同步频率f=40 Hz，电机空载运行，相电压为额定电压220 V，这样所得出的电流就是该电机的空载电流。

检测电压和电流之间相位差的办法和测转子电阻时是一样的。

图11为空载时，A相电压和电流的波形，从图中可以看出，空载电流幅值大约为1.8 A。

对电压电流进行10个周期的采样和计算，取它们的平均值即为感应电机互感值，本实验电机的互感辨识值为0.445 H。

3 结语
介绍了一种离线检测感应电机四个主要电气参数的方法，所有实验过程均由系统自动完成。

该方法的特点如下：
1）加入了低通数字滤波器，实验系统具有较强的抗噪特性；
2）无须增加外围设备，现场开机前或者运行间隙均可进行参数辨识；
3）自动测试结果重复性好，精度能满足要求；
4）整个测试过程计算量小，通过引入滤波器，省去了复杂的FFT。

作者简介：
黄其福，男，西安理工大学电力电子与电力传动专业，
硕士研究生毕业，现在就职于德力西（杭州）变频器公司。

参考文献：
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