一种简易的异步电机参数辨识方法及其应用
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［1 ］
， 但 在 很 多 实际的应 用 场 合， 负 载
是不允许脱 开 的， 空 载 实验 无 法 进 行， 所 以 传 统 的 离线辨识在实际应 用中 存 在 很 大的 局 限 性。 本文 提 出一种简易实 用 的 离 线 辨 识 方 法， 该 方 法 能 在 电机 静止状态下 辨 识 出电机的 各 个 参 数。 最 后 将 该 方 法 辨识所得 的 各 参 数 应 用 于 无速度 矢 量 控 制 系统中， 实验结果表明该方法具有实用意义。
1
定子电阻的辨识
定子电阻参数采用简单的直 流 伏 安法 即 可得到，
在电机任意两 项 通 入 低压 直 流 激励， 并 检 测 对应的 电压和电流即可。等效电路见图 1 。
20 收稿日期: 2010-05mail: jingy．ou@ foxmail．com 作者简介: 欧景云( 1985 ) ，男，硕士研究生，研究方向为电力电子与运动控制。E-
图 8 的简化电路在稳态下电导为: I ( ω) 1 1 f( ω) = + = a + jb = · ( 5) jωL s R + jωL U ( ω) 对图 7 的等效 电 路 通 入 频 率 为 ω1 和 ω2 的 正 弦 激励，其中 ω1 ＞ ω2 ，对电压和 电 流 进 行 采 样， 通过 式( 4 ) 变 换和 FFT 变 换 即 可 求出 等效 电 路 的电 导 参 数 a1 、b1 、a2 、b2 ，可得到以下方程组: 2 R 2 = a1 R + ( ω1 L ) ω1 L 1 + 2 2 = － b1 L ω1 s R + ( ω1 L ) 2 R 2 = a2 R + ( ω2 L ) ω2 L 1 + 2 = － b2 ω2 L s R + ( ω2 L ) 2
( 6)
显 然 ， 只 要 知 道 ω1 、 ω2 、 a 1 、 b 1 、 a 2 、 b 2 ， 式 ( 6 ) 的非线性方 程 组 必 然 能 解 出 L、 L s 、 R 三 个 未知 '。 数，进而求出 L m 、L k 、R2
图9
三相静止坐标系和两相静止坐标系
由于测量 定 子 电 阻 时 直 流 电 压 比 较 低， 此 时 的 占空比很小，功率 管 的 开 关 延 时 和 导 通 压 降 对输出 电压的影响 较 大， 故 直 流 电 压 的 计算 通过 以下 公 式 对式( 1 ) 进行修正: D' = D － T ON + T OFF TS TS U = ( U － 2 U ) ·D' － 1 dc IGBT ( U IGBT + U DIODE ) ·( 1 － D' ) 在式( 7 ) 中，各符号意义如下: D 为给定占空比; D' 为实际占空比; TON 为功率管 开通 延 时; TOFF 为 功率 管 关 断 延 时; TS 为 采 样时 间; Udc 为直流母线电压; UIGBT 为功率管导通压降; UDIODE 为 续流二极管导通压降; U1 为实际输出的直流电压。 定子电阻的测量采用电流闭环的方式，给定电机 的额定电流，并加入以上的各项补偿，分别对三相绕 组的每种两两组合情况进行测量求取平均值，由于直 流伏安法测得的是定子的直流电阻值，而电机在运行 过程中需要的 是 交 流 电 阻 参 数， 由 于 集 肤 效 应的影 响，交流电阻比直流电阻稍大，应再加以修正。
· · · ·
2 转子电阻、转子电感、定子电感、 互感的辨识
给 异 步 电机通 入 单相 交 流 电， 见 图 2 ， 可 使电 机处于 静 止 状态， 此 时 电机 处 于不对 称 运 行 状态。 利用对称 分 量 法 可 把 三 相 不对 称 电 压 U A 、 U B 、 U C 分解成正序分量 U + 、 负序 分 量 U － 和 零序 分 量 U 0 ， 由于电机 没 有中 性线， 故零序 分 量 U 0 = 0 ， U + 将 产 生正序电 流 I + ， U － 将 产生 负序 电 流 I － ， 零序 电 流 I 0 = 0。
( 3)
3期
欧景云等: 一种简易的异步电机参数辨识方法及其应用
· 91 ·百度文库
由于定子 电 阻 参 数 已 通过直 流 伏 安法 测 得， 故 图 7 的电路可进一步化简为图 8 ，变换关系为:
· · 1· U AB － R1 I A 2
流斩波的方式获得; 而测量 转子 电 阻、 定 转子 漏感、 互感的正 弦 激励 则 可 通过 单相 SPWM 的方 式 获 得。 以上方法都需 要 额 外 编写 程 序， 下面介绍 一种 简 易 的直流和正弦 激励产生 算 法， 它 只 需 要 在原有 的电 压空间矢 量 SVPWM 算 法 稍 作 修 改， 大大 简化 了 程 序，方便调试。 ( 1) 单相直流激励的产生 根据电压空间矢量 SVPWM 和坐标变换关系，见 图 9，静止三相坐标的 A 轴与静止两相坐标的 α 轴重
· 90 ·
44 卷
图1
通入单相直流激励的异步电机等效电路
定子电阻的计算公式为: U1 R1 = 2 I1 ( 1)
图5
叠加后的等效电路
在以上的等效电路中，各符号表示的意义如下: R1 为定 子 电 阻; L k1 定 子 漏感; R2 ' 为转子 电 阻; L' k2 为转子 漏感 ; L m 为 互 感 ; s 为转 差 率 ; U + 为 正 序 电压; I 1 + 为 正 序 定 子 电 流;
第 44 卷 2011 年
第3 期 3月
M ICROM OTORS
Vol. 44． No. 3 Mar. 2011
一种 简 易 的 异 步 电机参 数 辨 识 方 法 及 其 应用
1 1 1 欧景云 ，文小琴 ，游林儒
( 华南理工大学 自动化学院，广州 510641 ) 摘 要: 介绍一种简易的异步电机 参 数 辨 识 方 法， 该 方 法 能 在 电机 静 止 状态下 辨 识 出电机的 各 个 参 数，并 在 基于
· · · · · · · · · · · ·
I 2 + 为 正 序 转子 电 流;
·
U － 为负序 电 压;
·
·
I 1 － 为 负序 定 子 电 流;
I 2 － 为 负序
转子电流; U AB 为 AB 两相线电压; a 为 － 30° 复量 因
－ j30° 。 子; a = e
图 6 是异步电机通入单相正弦激励的等效电路， ' = L k ， 故 可 将图 6 的 等效 一般认为异步电机 L k1 = L k2 电路变换为图 7 的等效电路，参数变换关系为: Ls = Lr = Lm + Lk L2 L = 2s － 1 L s Lm L2 R = 2s R2 ' Lm
［2－ 3 ］
0
引
言
等 复 杂 的 算 法， 这 对
于定点 DSP 是难以 胜 任 的， 目前 尚 处 于理 论 研究 和 仿真阶段; 而传 统 的 离 线 辨 识 方 法 需 要 进 行 空 载 实 验和堵转实验
［5 ］
在异步电机 无速度 传 感 器 矢 量 控 制 系统中， 控 制的性能严重 依 赖 电机 参 数 的 准确 性， 如 电机的定 子电阻、 定 子 电 感、 转 子 电 阻、 转 子 电 感、 互 感， 电机参数的准确 性对 磁 场 定 向 的 准确 性与 解 耦 控 制 的性能影响 很 大
TMS320F2812 为主控制器的异步电机无速度传感器 矢 量 控 制 系统 进 行 实验， 将 辨 识 得到 的 参 数 投 入 到 实际 系统中， 通过 LabVIEW 虚拟示波器观测系统的实际运行情况。实验结果证明该方法辨识得到的参数准确性高，能直接应用于 无速度矢量控制系统，而避免了繁琐的参数整定过程。 关键词: 参数辨识; 静止状态; 矢量控制; 无速度传感器 中图分类号: TM306 ; TM346 + 2 文献标志码: A 文章编号: 1001-6848 ( 2011 ) 03-0089-05
A Simple Induction Motor Parameter Identification Method and Its Application
OU Jingyun ，WEN Xiaoqin，YOU Linru ( School of Automation，South China University of Technology，Guangzhou 510640 ，China) Abstract : Presented a simple induction motor parameter identification method． This method can identify the parameters of the induction motor in a stationary state． Experiment was carried out on speed sensorless vector control system based on TMS320F2812． Parameters obtained from the identification were input to the vector control system． LabVIEW virtual oscilloscope was used to observe the operation conditions of the system． The experimental results show that this method can identify the parameters with high accuracy． This method can be applied to speed sensorless vector control system，avoiding the cockamamie process of parameter tuning． Key words: parameter identification; stationary state; vector control; speed sensorless 有模糊 控 制、 变结构 控 制
3
3. 1
软件算法的实现
非线性方程组的求解
求解式 ( 6 ) 的 非 线 性 方 程 组 可 用 牛 顿 迭 代 法， 但该方法需 要 多次计算 雅 可 比 矩 阵， 运 算量 大， 不
。 当设 定的 参 数 偏 离 实际 值时，
会使电机工作在 不 合适 的 静 态 工作点， 将导 致 控 制 系统性能下 降; 而 对 未知 参 数 的 异 步 电机， 在 投 入 无速度矢量控 制 系统工作 前， 也 必 须 知 道 电机的 各 参数。因此， 在无速度 传 感 器 矢 量 控 制方 法 中， 对 电机的各参数进行准确的辨识尤为重要。 对异步电机 各 参 数 的 辨 识 主 要 有 离 线 辨 识 和在 线辨识两种方 法， 在 线 辨 识 尽 管 对于 控 制 系统 性能 的提高更为有利， 但 它 需 要 准确 速度 信 息， 其 方 法
U=
( 4)
图8
简化后的等效电路
·
合，要使电机运行于单相状态，只需令给定矢量 F 在 某相上的投影为 0，如需给 AB 两相通入直流电，C 相 断开，只需令 F 与 α 轴的夹角固定且 θ = － 30°，F 为 一给定常数，调节矢量 F 的长度即可调节输出地直流 激励信号的大小。此 时 通过 矢 量 的分 解 可 知 F A = － F B ，F C = 0; 同理，令 F 与 α 轴的夹角 θ = － 150° 和 θ = － 90°，可使电机运行于 AC、BC 单相状态。
(
)
( 2)
反之，从图 7 到图 6 的变换关系为: Ls L = m L +1 Ls Lk = Ls － Lm R R2 '= L +1 Ls
图2
通入单相正弦激励的异步电机
槡
图 3 和图 4 分别 为 异 步 电机 正 序 和 负序 等效 电 路，当通入单相 正 弦 激励 时， 电机的 运 行 可 看 成在 正序电流和负序电流下运行的叠加，如图 5 所示。
， 但 在 很 多 实际的应 用 场 合， 负 载
是不允许脱 开 的， 空 载 实验 无 法 进 行， 所 以 传 统 的 离线辨识在实际应 用中 存 在 很 大的 局 限 性。 本文 提 出一种简易实 用 的 离 线 辨 识 方 法， 该 方 法 能 在 电机 静止状态下 辨 识 出电机的 各 个 参 数。 最 后 将 该 方 法 辨识所得 的 各 参 数 应 用 于 无速度 矢 量 控 制 系统中， 实验结果表明该方法具有实用意义。
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定子电阻的辨识
定子电阻参数采用简单的直 流 伏 安法 即 可得到，
在电机任意两 项 通 入 低压 直 流 激励， 并 检 测 对应的 电压和电流即可。等效电路见图 1 。
20 收稿日期: 2010-05mail: jingy．ou@ foxmail．com 作者简介: 欧景云( 1985 ) ，男，硕士研究生，研究方向为电力电子与运动控制。E-
图 8 的简化电路在稳态下电导为: I ( ω) 1 1 f( ω) = + = a + jb = · ( 5) jωL s R + jωL U ( ω) 对图 7 的等效 电 路 通 入 频 率 为 ω1 和 ω2 的 正 弦 激励，其中 ω1 ＞ ω2 ，对电压和 电 流 进 行 采 样， 通过 式( 4 ) 变 换和 FFT 变 换 即 可 求出 等效 电 路 的电 导 参 数 a1 、b1 、a2 、b2 ，可得到以下方程组: 2 R 2 = a1 R + ( ω1 L ) ω1 L 1 + 2 2 = － b1 L ω1 s R + ( ω1 L ) 2 R 2 = a2 R + ( ω2 L ) ω2 L 1 + 2 = － b2 ω2 L s R + ( ω2 L ) 2
( 6)
显 然 ， 只 要 知 道 ω1 、 ω2 、 a 1 、 b 1 、 a 2 、 b 2 ， 式 ( 6 ) 的非线性方 程 组 必 然 能 解 出 L、 L s 、 R 三 个 未知 '。 数，进而求出 L m 、L k 、R2
图9
三相静止坐标系和两相静止坐标系
由于测量 定 子 电 阻 时 直 流 电 压 比 较 低， 此 时 的 占空比很小，功率 管 的 开 关 延 时 和 导 通 压 降 对输出 电压的影响 较 大， 故 直 流 电 压 的 计算 通过 以下 公 式 对式( 1 ) 进行修正: D' = D － T ON + T OFF TS TS U = ( U － 2 U ) ·D' － 1 dc IGBT ( U IGBT + U DIODE ) ·( 1 － D' ) 在式( 7 ) 中，各符号意义如下: D 为给定占空比; D' 为实际占空比; TON 为功率管 开通 延 时; TOFF 为 功率 管 关 断 延 时; TS 为 采 样时 间; Udc 为直流母线电压; UIGBT 为功率管导通压降; UDIODE 为 续流二极管导通压降; U1 为实际输出的直流电压。 定子电阻的测量采用电流闭环的方式，给定电机 的额定电流，并加入以上的各项补偿，分别对三相绕 组的每种两两组合情况进行测量求取平均值，由于直 流伏安法测得的是定子的直流电阻值，而电机在运行 过程中需要的 是 交 流 电 阻 参 数， 由 于 集 肤 效 应的影 响，交流电阻比直流电阻稍大，应再加以修正。
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2 转子电阻、转子电感、定子电感、 互感的辨识
给 异 步 电机通 入 单相 交 流 电， 见 图 2 ， 可 使电 机处于 静 止 状态， 此 时 电机 处 于不对 称 运 行 状态。 利用对称 分 量 法 可 把 三 相 不对 称 电 压 U A 、 U B 、 U C 分解成正序分量 U + 、 负序 分 量 U － 和 零序 分 量 U 0 ， 由于电机 没 有中 性线， 故零序 分 量 U 0 = 0 ， U + 将 产 生正序电 流 I + ， U － 将 产生 负序 电 流 I － ， 零序 电 流 I 0 = 0。
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3期
欧景云等: 一种简易的异步电机参数辨识方法及其应用
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由于定子 电 阻 参 数 已 通过直 流 伏 安法 测 得， 故 图 7 的电路可进一步化简为图 8 ，变换关系为:
· · 1· U AB － R1 I A 2
流斩波的方式获得; 而测量 转子 电 阻、 定 转子 漏感、 互感的正 弦 激励 则 可 通过 单相 SPWM 的方 式 获 得。 以上方法都需 要 额 外 编写 程 序， 下面介绍 一种 简 易 的直流和正弦 激励产生 算 法， 它 只 需 要 在原有 的电 压空间矢 量 SVPWM 算 法 稍 作 修 改， 大大 简化 了 程 序，方便调试。 ( 1) 单相直流激励的产生 根据电压空间矢量 SVPWM 和坐标变换关系，见 图 9，静止三相坐标的 A 轴与静止两相坐标的 α 轴重
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44 卷
图1
通入单相直流激励的异步电机等效电路
定子电阻的计算公式为: U1 R1 = 2 I1 ( 1)
图5
叠加后的等效电路
在以上的等效电路中，各符号表示的意义如下: R1 为定 子 电 阻; L k1 定 子 漏感; R2 ' 为转子 电 阻; L' k2 为转子 漏感 ; L m 为 互 感 ; s 为转 差 率 ; U + 为 正 序 电压; I 1 + 为 正 序 定 子 电 流;
第 44 卷 2011 年
第3 期 3月
M ICROM OTORS
Vol. 44． No. 3 Mar. 2011
一种 简 易 的 异 步 电机参 数 辨 识 方 法 及 其 应用
1 1 1 欧景云 ，文小琴 ，游林儒
( 华南理工大学 自动化学院，广州 510641 ) 摘 要: 介绍一种简易的异步电机 参 数 辨 识 方 法， 该 方 法 能 在 电机 静 止 状态下 辨 识 出电机的 各 个 参 数，并 在 基于
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I 2 + 为 正 序 转子 电 流;
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U － 为负序 电 压;
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I 1 － 为 负序 定 子 电 流;
I 2 － 为 负序
转子电流; U AB 为 AB 两相线电压; a 为 － 30° 复量 因
－ j30° 。 子; a = e
图 6 是异步电机通入单相正弦激励的等效电路， ' = L k ， 故 可 将图 6 的 等效 一般认为异步电机 L k1 = L k2 电路变换为图 7 的等效电路，参数变换关系为: Ls = Lr = Lm + Lk L2 L = 2s － 1 L s Lm L2 R = 2s R2 ' Lm
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引
言
等 复 杂 的 算 法， 这 对
于定点 DSP 是难以 胜 任 的， 目前 尚 处 于理 论 研究 和 仿真阶段; 而传 统 的 离 线 辨 识 方 法 需 要 进 行 空 载 实 验和堵转实验
［5 ］
在异步电机 无速度 传 感 器 矢 量 控 制 系统中， 控 制的性能严重 依 赖 电机 参 数 的 准确 性， 如 电机的定 子电阻、 定 子 电 感、 转 子 电 阻、 转 子 电 感、 互 感， 电机参数的准确 性对 磁 场 定 向 的 准确 性与 解 耦 控 制 的性能影响 很 大
TMS320F2812 为主控制器的异步电机无速度传感器 矢 量 控 制 系统 进 行 实验， 将 辨 识 得到 的 参 数 投 入 到 实际 系统中， 通过 LabVIEW 虚拟示波器观测系统的实际运行情况。实验结果证明该方法辨识得到的参数准确性高，能直接应用于 无速度矢量控制系统，而避免了繁琐的参数整定过程。 关键词: 参数辨识; 静止状态; 矢量控制; 无速度传感器 中图分类号: TM306 ; TM346 + 2 文献标志码: A 文章编号: 1001-6848 ( 2011 ) 03-0089-05
A Simple Induction Motor Parameter Identification Method and Its Application
OU Jingyun ，WEN Xiaoqin，YOU Linru ( School of Automation，South China University of Technology，Guangzhou 510640 ，China) Abstract : Presented a simple induction motor parameter identification method． This method can identify the parameters of the induction motor in a stationary state． Experiment was carried out on speed sensorless vector control system based on TMS320F2812． Parameters obtained from the identification were input to the vector control system． LabVIEW virtual oscilloscope was used to observe the operation conditions of the system． The experimental results show that this method can identify the parameters with high accuracy． This method can be applied to speed sensorless vector control system，avoiding the cockamamie process of parameter tuning． Key words: parameter identification; stationary state; vector control; speed sensorless 有模糊 控 制、 变结构 控 制
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软件算法的实现
非线性方程组的求解
求解式 ( 6 ) 的 非 线 性 方 程 组 可 用 牛 顿 迭 代 法， 但该方法需 要 多次计算 雅 可 比 矩 阵， 运 算量 大， 不
。 当设 定的 参 数 偏 离 实际 值时，
会使电机工作在 不 合适 的 静 态 工作点， 将导 致 控 制 系统性能下 降; 而 对 未知 参 数 的 异 步 电机， 在 投 入 无速度矢量控 制 系统工作 前， 也 必 须 知 道 电机的 各 参数。因此， 在无速度 传 感 器 矢 量 控 制方 法 中， 对 电机的各参数进行准确的辨识尤为重要。 对异步电机 各 参 数 的 辨 识 主 要 有 离 线 辨 识 和在 线辨识两种方 法， 在 线 辨 识 尽 管 对于 控 制 系统 性能 的提高更为有利， 但 它 需 要 准确 速度 信 息， 其 方 法
U=
( 4)
图8
简化后的等效电路
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合，要使电机运行于单相状态，只需令给定矢量 F 在 某相上的投影为 0，如需给 AB 两相通入直流电，C 相 断开，只需令 F 与 α 轴的夹角固定且 θ = － 30°，F 为 一给定常数，调节矢量 F 的长度即可调节输出地直流 激励信号的大小。此 时 通过 矢 量 的分 解 可 知 F A = － F B ，F C = 0; 同理，令 F 与 α 轴的夹角 θ = － 150° 和 θ = － 90°，可使电机运行于 AC、BC 单相状态。
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( 2)
反之，从图 7 到图 6 的变换关系为: Ls L = m L +1 Ls Lk = Ls － Lm R R2 '= L +1 Ls
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通入单相正弦激励的异步电机
槡
图 3 和图 4 分别 为 异 步 电机 正 序 和 负序 等效 电 路，当通入单相 正 弦 激励 时， 电机的 运 行 可 看 成在 正序电流和负序电流下运行的叠加，如图 5 所示。