永磁同步电机电感参数测量系统研究

本文中参数测量的重点也是难点的部分是电 机端电压的实时测量。本文采用一种重构方法，
万方数据
采用电压传感器对控制器母线电压进行采集，结 合控制器对ＩＧＢＴ用于产生ＰＷＭ波形的开关信号， 在ＤＳＰ内部进行电压重构，然后将其在线变换成ｄ —ｑ一０坐标系下对应的直交轴分量，再通过计算 以达到参数在线测量的目的。由于该方案通过对 稳定运行于不同状态下的永磁同步电机端电压的 在线测量得到参数，所以测量结果具有实时性， 并且可以得到不同工况下的参数，测量的同时也 考虑到了电机的交叉饱和效应。
０．０３４３９１ ０．０３１５７ ０．０２６２４１ Ｏ．０３６８１８ ０．０３１４３３ ０．０２３９５７ ０．０２３３２６ ０．０２３０７２ ０．０１５２０７
从表３可以看出，误差范围在１．１３％一 １１．５９３％之间，并且大部分误差在５％以内，既说
参考文献
明了转矩观测的正确性，也说明了所得电感参数 的正确性。
Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：ＦＯＣ；ＰＭＳＭ；Ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒ；Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｎ ｌｉｎｅ
０引 言
永磁电机的结构往往设计得较为复杂，磁路 相对比较饱和，由此导致电机的电抗随磁路的饱 和程度变化，换言之，参数随着电机的运行工况 变化。完全用额定工况时的参数已不能准确地反 映电机参数的本质，因此，为了实现更好地对电 机进行控制，需要准确计算不同工况下的电机参 数。文献［１］提出了基于稳态场的有限元算法，是 目前公认的也应用比较多的方法。该方法需要对 永磁体进行模拟、数值离散及非线性问题处理， 实现过程相对来说比较繁琐，并且该方法采用数 值的方法通过程序计算求解，并不能在系统运行 过程中在线求解。文献［２－３］采用测试方法来求 解，但这种实验方法是在离线状态下得到电机参 数，不能反映出参数随工况的变化情况。文献［４］ 提出了传统测试方法，但实现比较困难，现在多 不采用。本文研制出一种在线测量的系统，可以 测量不同工况下的永磁同步电机的电感参数；将 计算转矩同电机的输出转矩相比较，从而验证了 所得结果的正确性。
收稿日期：２００７·０９—１７ ·５６·
万方数据
１测量系统构建
电机驱动系统采用基于ＤＳＰ永磁同步电动机 矢量控制系统。转子磁链位置信息由旋转变压器 获得。ＤＳＰ用于实现电动机矢量控制算法和处理旋 转变压器信号。逆变器采用电压型的空间矢量脉 宽调制技术（ＳＶＰＷＭ）。
１．１测量原理
永磁同步电动机与电励磁凸极同步电动机有
ｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｄ ａｎｄ ｑ Ｒｅａｃｔａｎｃｅｅ ｄ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ－ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｎ＇－
哪ｍ Ｍｏｔｏｍ ｗｉｔｈｏｕｔ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ０ｆ ｔｈｅ Ｒｏｔｏｒ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ
电磁转矩与实际输出转矩相比较，验证了所得结 果的正确性。由于是在线测量，保证了所得结果 的真实性和实时性，测量的同时也考虑到了电机 的交叉饱和效应，为电机的准确控制提供了理论
ｔｈｅ ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ Ｌｄ Ｌ。ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｗｏｒｋ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｏｎ ｌｉｎｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ａｃｒｏｓｓ ｓａｔｕ—
ｒａｔｉｏｎ．Ｔｏｒｑｕｅ ｏｂｓｅｒｖｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｖａｌｉｄ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ．
徽电机
中围分类号：ＴＭ３５１ ＴＭ３４１
文献标志码：Ａ
文章编号：１００１－６８４８（２００８）１２－００５６－０４
永磁同步电机电感参数测量系统研究
武立国，温旭辉，赵峰
（中国科学院电工研究所，北京１０００８０）
摘 要：研制了一种矢量控制的永磁同步电机电感参数测量系统。该系统能够在线得到不同工 况下的永磁同步电机的电感参数，并且考虑到了电机的交叉饱和效应。根据所得结果进行转矩 观测，观测的结果验证了测量结果的正确性。 关键词：矢量控制；永磁同步电机；电感参数；在线测量
测量系统外部连线图以及系统结构如图２和图·
３所示。图２中，ＩＶＩ为电压传感器，幽为电流传
感器。
蛹圈慷 图２测量系统线路连接图
直流母线 电压果集
ＳＶＰＷＭ 信号
电流信号
采
集
旋转变压器信号
图３系统结构衙图
其中各个模块详细介绍如下： 信号采集：鉴于霍尔传感器能提高隔离能力 和精度，本文采用霍尔传感器。电压传感器型号 为ＬＶ２８－Ｐ，总精度为±０．６％，线性度为＜０．２％； 电流传感器型号为ＢＬＦ２００－Ｓ７Ｂ，线性度为４－ｌ％， ｄｉ／ｄｔ跟随精度为５０ Ａ／妒。 ＤＳＰ系统电路：ＤＳＰ处理器芯片选择采用 ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ。通过ＣＡＰ捕获单元对经过降压 后的ＳＶＰＷＭ开关信号进行捕获以得到脉宽，再结 合ＡＤＣ对电压、电流幅值的采样，进行电压重构。 根据脉宽得到每个周期内的平均电压。由于该平ｆ 均电压为电机端电压对地电压值，非电机相电压 值，采取两两相减后得到电机线电压，再根据线 电压推导出相电压，由旋转变压器得到转子的位 置信息，通过计算得到转子的绝对位置和速度， 再通过Ｃｌａｒｋ—Ｐａｒｋ变换计算出电压和电流的直交轴 分量，然后得到电压和电流的直交轴分量信号。 低通滤波器：由于得到的电压、电流信号存 在高次谐波，有可能会出现波动信号，有必要增
直交轴电感，需要知道电机的反电势、端电压、 转子位置角、电枢电阻以及电枢电流。其中，电
机的反电势可用另一台电机带动所测电机旋转而
测得。测得反电势后再根据测得的转速即可求得
永磁体磁链。电机的电枢电流可由传感器测得并经
Ｐａｒｋ—Ｃｌａｒｋ变换到ｄ—ｇ一０坐标系下。转子位置角可 由旋转变压器测得。电枢电阻可由电阻电桥测得。
％＝Ｒｉｄ—Ｌｑｉ。ｎ，
（２）
Ｕｑ＝Ｒｉ。一￡ｄｉ和＋矗｝职
（３）
Ｌ。：掣 当ｉｄｉ。≠Ｏ时，由式（２）和式（３）解得：
（４）
。。
’ｔｏｔｇ
wk.baidu.com
永磁体磁链
“扩 ，一．Ｕ２－ｔｏｑｔｆ－ｉｑＲ
∞‘
，气、
、。７
职＝Ｅｏ／ｔｏ
（６）
此时的电磁转矩为：
Ｔ＝ｐ［职＋（三ｄ—Ｌｑ）ｉｄ］ｉ。
（７）
从式（４）和式（５）可以看出，要想求得电机的
【１］刘长红，姚若萍，刘彤彦．变频调速永磁同步电机电抗参数 的研究【Ｊ］．大电机技术，２００３，（５＞．
［２］刘军锋，尹泉，万淑芸．永磁同步电动机参数辨识［Ｊ］．徽
３结论
电机，２００５，３８（１）．
［３】Ｎｅｅ，Ｈ．一Ｐ．；Ｌｅｆｅｖｒｅ，Ｌ．；Ｔｈｅｌｌｎ，Ｐ．；Ｓｏｎｌ“，Ｊ．Ｄｅ－
本文研制的参数测量系统能够在线的得到永 磁同步电机运行在不同工况下的电感参数。经过
在矢量控制情况下，电机的端电压为脉冲宽度调制
波形，要对其进行处理得到直交轴分量，具体实现
方法在下面论述。以上参数求得后，代入式（４）和 式（５），即可以求得电机的直交轴电感。在求得电
感后代人公式（７）可以求得电机的电磁转矩。
１．２电压ＰＷＭ信号处理原理
采样控制理论指出：冲量相等而形状不同的 窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相 同。冲量即指窄脉冲面积，此即是面积等效法。 在文献［５］中提到了离散电压的采样方法。其原理 是对于每个周期内的电压进行积分，求得在这个 周期内的平均电压。具体实现方法可由Ａ／Ｄ转换 器和电压积分器来实现。
着相似的内部电磁关系，故可采用双反应理论来
研究。电动机稳定运行于同步转速时，根据双反
应理论可写出永磁同步电机的电压方程为：
Ｕ＝ｇｏ＋ｌＬＲ＋ｉＩｔｘｔ＋ｊｌｑｘ４
＜１、）
永磁电机在ｄ一口坐标系下的等值电路如图１
所示。
函。一
（ａ）ｄ轴
（ｂ）ｑ轴
图１ ｄ—ｑ轴等值电路图
忽略铁损电阻（考虑定子绕组电阻Ｒ），此时 电压方程为：
只和电压平方项有关（忽略了和电流有关的部分铁 考虑到铁损和机械损耗后所得电磁转矩以及误差
损），并且认为机械损耗为一定值，由文献［６］可
如表２、表３所示。
裹２考虑了铁损和机械损耗后电磁转矩
ｎ＝ｌ ２ 玮 ＝１ ５
ｎ ＝ １ ８∞∞∞
一０．∞１０４７一Ｏ．０１４９６ ｏ．００９４５６ ０．０２７２３３ ０．０３２１８８ ０．０３３４８ —０．１０１３２．０．０１８１ ｏ．００９７９１ ０．０２９甜３ ０．０”０５ｌ ０．０３６９５６ —０．１１５９３—０．０４５２７—０．０１１７７ Ｏ．Ｏｌｌ２９９ ０．０１９８５５ ０．０２１２９５
·ｓ７·
微电机
加低通滤波电路，以得到理想的直交轴电压、电 流信号。本文采用一阶的低通滤波器，起到了良 好的滤波效果。
参数计算：由上面得到直交轴电压、电流的 分量，再结合离线测得的电机的磁链及电枢电阻， 由公式（４）、式（５）即可得到电机的直交轴电感。
转矩计算：由电机的直交轴电感值代人公式 （７）计算电机的电磁转矩值，除了用于检验所得结 果的正确性外，还可以进行转矩观测。 · 信号输出：采用ＤＳＰ上ＣＡＮ总线接口，通过 ＣＡＮ卡将所得结果输出到显示设备上。
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ【ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｍｍ。２０００，３６（５）： １３３０．１３３５． ［４】唐任远．现代永磁电机理论与设计［Ｍ］．北京：机械工业出 版社。１９９７．
基础。
作者简介：武立国，男，从事电机测量技术研究。
’眯神１６—吨常常书常永掣钟＾州喇席ｅ霄６ｔ６章。它ｏ々６帑。它ｏ’ｏ督６督６芎。胄。它。它。它。它。督。督ｅ，ｐ－謦ｅ，謦ｅ，曹｝督。它６’ｏ督。勺ｏ’ｏ’ｏ’Ｇ
由于测量的电压为矩形脉冲形式的波形，在 每个周期内波形幅值相同，占空比不同。由以上 原理可得，在每个脉冲周期内，设Ａ为脉冲的幅 值，ｒ为脉冲周期，ｔ。为脉冲开通的时间，则该周
ｆ
期内电压脉冲幅值的平均值为Ａ．＝：静。计算出每 Ｊ
个周期内的脉冲周期和导通时间即可求得脉冲的平 均幅值。得到电压脉冲平均值后，结合转子磁链的 角度信息，通过Ｃｌａｒｋ—Ｐａｒｋ变换即可得到‰和ｕ。。 １．３系统结构
（上接第４９页）
５ 结束语
可以简化为阻感负载，从而大大降低了被控对象 的非线性的前提下，传统的电压ＰＷＭ才能取得比
由仿真和实验的结果可以看出，在没有运动 电势解耦的电压ＰＷＭ控制下，相电流在刚刚建立 时就出现超调，而运动电势解耦以后则没有出现 这样的情况，后者电流波形比较理想。从转矩波 形上来看，也可以清楚的看到后者比前者转矩脉 动要小得多。由运动电势的波形也可以看出运动 电势的大小随着转子位置和电流在变化，从而在 解耦了反电动势影响后，ＰＩ电流调节器控制对象
２实验结果
由以上的参数测量系统对电动汽车用的永磁 同步电机进行测量。电机参数如下：额定频率： １００ Ｈｚ，额定功率：１９ ｋＷ，峰值功率：２８ ｋＷ， 额定转速：Ｉ ５００ ｒ／ｒａｉｎ，额定电压：３００ Ｖ，最高 转速：６ ０００ ｒ／ｍｉｎ，联结方式：Ｙ，额定转矩： １２０ Ｎ·ｍ，极对数：４。 ２．１测量结果
２ Ｉ．２
皇
ｌ
、
＿
Ｏ．８
Ｏ．６
ｏ．４ Ｏ．２
Ｏ
图５
Ｌｑ随ｉ。变化曲线
图６ ｋ曲线
王 ｇ Ｊ
图４乙随ｉ。变化曲线
从以上可以看出，ｋ、厶的值几乎不随转速 的变化而变化，但随转矩的增大而减小，因此在
差气器嚣嚣镰嚣怒需 ｋ、Ｌ。的值进行测定，所得结果如图 和图 ７
所示。
·５８·
万方数据
一：一１６
图７厶曲线
２．２转矩标定
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ０１１ Ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ
ＷＵ Ｌｉ－ｇｕｏ，ＷＥＮ Ｘｕ－ｈｕｉ，ＺＨＡＯ Ｆｅｎｇ （Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｆｏｒ ＰＭＳＭ ｗｈｉｃｈ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｂｙ ＦＯＣ Ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ
通过电阻桥的测量得到电枢电阻为０．０３５ Ｑ， 通过反拖实验得到永磁体磁链为０．１４８８ ｗｂ。
１
在ｉ。＝一÷ｉ。控制下，电机转速分别从１ ０００ 厶
转上升到２ ０００转、转矩从１０ Ｎ·ｍ上升到５０ Ｎ·ｍ 的情况下，乙、厶的值如图４和图５所示。
４ｊ
３三
墨３
§２｛
ｌ。｛ ｏ。３
２ １．８
１．６ Ｉ．４
２“转速分别为ｔ枷…、 ＂Ｉ：Ｙ－－ｔ，ｄ 一
～、啊尬川刖月‘…～ ’
一１ ５００ ｒ／ｒａｉｎ、１ ８００ ｒ／ｍｉｎ不同的输出转矩下，测
得的电磁转矩ｒ如表１所示。
永磁同步电机电感参数测最系统研究武立国，等 衰１电磁转矩
为了得到较为准确的转矩观测值，假定铁耗 知，铁损电阻为１１４．３２ Ｑ，机械损耗为２００ Ｗ。