感应电机参数的离线辨识

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
( DF FT ) 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
17
电气传动 2006 年 第 36 卷 第 8 期
图 3 直流实验控制结构
图 4 单相实验等效电路
等效阻抗为
Zeq = V ab / I a
( 5)
等效电阻为
Req = ( V ab / I a ) cos H
( 6)
等效电抗为
X eq =
Z
2 eq
-
R
2 eq
( 7)
定、转子漏感为
L ls= L lr=
1 3
X eq X*e
( 8)
式中: X*e 为电流、电压的同步角频率。
Keywords: induct ion moto r parameter identificatio n discrete fast four ier tr ansfo rm
1 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。
L s= Lm + L ls
( 14)
转子自感
L r = Lm + L lr
( 15)
利用这 3 个参数可以计算出总漏感
RL s =
( L sL r-
L
2 m
)
/
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
c m
=
L m+
$L m
( 18)
L
c l
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 1 电压型逆变器与感应电机的连接
=
(
L
c s
L
c r
-
Lcm2
)
/
L
c r
-
( L s L r-
L
2 m
)
/
L
r
=
$L l +
L
m
L
c m
$L
l
+
L
l
L
c l
$L
m
(
L
c m
+
L
c l
)
(
L
m+
Ll)
( 21)
由式( 21) 可得
$L l< $RL s < 2$L l+ $L m
( 22)
为消除式( 22) 的累计误差, 本文通过阶跃电压实
| Va| =
2 3
V dc,
I A=
I a。根据式( 23) 总漏感
RL s=
2 V dc $T 3 I ap - Ian
( 24)
3 实验与结果
上述 辨 识 方 法 在 以 T I 公 司 DSP 器 件
感应电机参数的离线辨识
T M S320L F 2407A 为核心控制器的实验平台上得
电气传动 2006 年 第 36 卷 第 8 期
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 SV PW M 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
Off-l ine Identification of Induction Motor Parameters
L uo H ui L iu Junf eng Wan Shuyun
Abstract: A n o ff- line ident ificatio n method of induction motor ( IM ) pa rameters is presented in this paper. Befor e st artup, the inverter driv e auto matically perfo rms the modified DC test, lo cked- roto r test, no- load test and st ep- vo ltag e test. N o speed sig nals are r equired in this appr oach. In or der to o btain t he effectiv e messag e in t hese test s, the discrete fast fo urier transform ( DFF T ) and the least- squares are used to pro cess the sig na ls of cur rents and v olt ages. T he validity, reliability and accuracy o f t he presented metho ds are ver ified by the experiments on a V SI- fed IM dr ive system.
I a 下降至- I th 时, 再使 T 1 , T 6 , T 2 导通, T 4 , T 3 ,
T 5 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 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
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
V B= 0
( Fra Baidu bibliotek0)
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 H, 辨识
定、转子漏感 L ls = L lr 和转子电 阻 Rr 。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
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。
感应电机 参数的离线辨识
式中:
L
c m
,
Lcl ,
RL
c s
为辨识值;
L
m
,
L
l,
RL
s
为真实值;
$L m, $L l, $RL s 为辨识误差。
由式( 14) ~ 式( 20) , 可得
$RL s = RLcs- RL s
( 2)
V b= V c = - 0. 5V a
( 3)
在 SV PWM 中, V A= V a , V B= ( 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, A轴电流给定 为额定值, 调节电机的 A轴电流, 电流稳定后 A轴 的电压给定为一直流量。V B= 0, 保证了 B, C 桥 臂的控制信号相同。直流实验的给定为
验直接辨识总漏感
RL
[ 14] s
。
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 RL s的计算式
RL s
U
V As p I As
=
V As $T $)As
( 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 ,
=
Ll+
$L l
( 19)
RLcs= RL s + $RL s
( 20)
18
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 ap , I an 以及 $T 。采用上述辨识方法有: | V A| =
感应电机参数的离线辨识
2 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。
电气传动 2006 年 第 36 卷 第 8 期
I
* A
=
I rated
( 4)
V B= 0
待电流稳定后, 检测电机的 a 相电压 V a, a 相电
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 U 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
Zeq = V a / I a
( 11)
等效电抗为
X eq = ( V a / I a ) s in H
( 12)
互感为
L m = X eq / X*e - L ls
( 13)
式中: X*e 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 co sH, 辨识互感 L m 。
V a , I a 和 cos H的计算, 采用与单相实验相同
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
Rs = V a/ I a
( 1)
三相电流、电压关系如下:
I b = I c = - 0. 5I a
16
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 SVPWM , 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 ( Rs ) 。 堵转实验可以通过单相实验实现[ 1 3] , 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( RL 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 Lm 计算 RL 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。
转子电阻为
Rr=
2 3
Req -
Rs
( 9)
三相电流、电压关系仍为 式( 2) 、式( 3) 。在
SV PWM 中, V A= V a , V B= ( 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
* A
=
2I rated cos ( X*e t )
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