异步电动机参数自辨识

参数自辨识——现代逆变器结构下感应电动机系统的新特征

介绍

在实际应用中，磁场定向（field-oriented）现代交流调速系统的突出优点只有在自运行过程中准确得到所连接系统的信息才能够完全发挥。在实际系统中，当变频器和电机不是一起销售的时候，电机的参数是不能够预先知道的。因此，在试车过程中，必须有一些特别的测量和测试步骤。因为磁场定向矢量控制结构的复杂性，因此控制器参数设定将是一个需要时间而且特别受训练的人员才能够胜任。

为了简化这个过程，，在文章中给出来了参数自辨识（self-commissioning）——现代控制系统一种新特征。在参数自辨识过程中，系统自己得到电机参数并且同时设置控制器参数。这些过程都是在静止状态下完成的。随后，用一个测试来得到电机的转动惯量。

在现代直流控制系统中，这些特性已经可以得到[1],但是对交流调速系统，或者更复杂的系统，参数自辨识的过程完全是新的。

文章中描述了PWM逆变器结构下异步电动机参数自辨识过程。

1、驱动装置结构

系统由整流部分、电压源型逆变器（VSI）和鼠笼电动机（M）组成。微处理器控制逆变器，执行磁场定向控制并控制操作面板。电机的两相电流Ri和Si需要被测量。A/D部分在综合测量原则下工作以使在选定周期里能够得到信号的准确平均值。中间回路的直流电压dU和电机转速需要另外测量。

自辨识过程可以在所有电压等级和所有类型的PWM逆变器（thyristor、GTO、transistor）上实施。实验是在15KW电机上进行，逆变器的开关频率为500Hz。

图1 驱动装置结构

2、自辨识的过程

当逆变器连接到主回路和主电机上时，操作者可以启动参数自辨识程序。首先，系统通过交互界面模式要求操作者输入电机的额定电压、电流和频率。然后，系统调整各个测量通道的偏移量（offset），系统测量A/D转换模块和逆变器及电机控制所必须的其他部分的功能，故障（如缺中断信号）会被准确检测到。这样，可以避免更大的损坏并且简化维修。

电机电流的测量通道和和逆变器本身只有在电子管被触发并且有电流流过时才可能。在操作者给予授权之前，这个测试是不能进行的。

当第二阶段测试正确执行以后，电机的参数（定子和转子电阻、总漏感L、转子时间常数）被确定。参数测量程序在几秒钟内完成。

接着，控制参数将自动计算并且被设置。

在需要的情况下，参数自辨识程序可以在电机运行的情况下再进行测试，以确定驱动装置的机械参数。

所有的参数被保存在非易失性存储器中，以便它们在下次启动时候可以立即调用。

3、异步电动机的数学模型

经过常规的近似以后，方程（1）可以用来描述鼠笼电机的电磁特性。

122111121121222222221010100010maaammmRRTiLiuRRiLiTuRTRT （1）

符号表

12,RR 定子电阻、*变换后转子电阻；

11,uu 两相坐标系下的定子电压；

11,ii 两相坐标系下的定子电流；

22, *变换后的转子磁链；

m 单极对数下的电角速度；

L 总漏感；

2L *变换后的转子电抗；

222LTR 转子时间常数 （* 转子磁链变换是通过乘以互感和转子电感的商，而转子阻抗变换是通过乘以商的平方得到的）

要想调节电机控制系统，方程（1）的所以系数必须知道。另外，需要特别注意的是一些非线性效应如磁饱和集肤效应将会改变一些参数。

因为参数是在静止条件下测量的（0m），方程式（1）可以被简化来推导参数测量程序，这样得到两个独立的等效子系统。式（2）为轴结果。

12211122221[]10aaaRRTiuLiRT （2）

4、静止测量

4.1 总漏感测量

在比转子时间常数小的时间周期内，定子电流以一阶时滞环节跟踪定子电压。电流阶跃响应的初始斜率是由总漏感决定的。

11/Lui ，如果 120,0i （3）

图2 描述了测量程序。在1t时间，触发相应的晶体管，使中间回路直流电压加到电机的RS和RT端（123duU）。在2t时刻，定子电流Ri达到额定电流的峰值，这时，触发晶体管使电机绕组短路。在3t时刻，提供dU；到4t时，电机恢复定子绕组短路。

图2 求漏感时，定子电压和电流图形

等式（3）中，如果电流的导数用电流和时间的偏差来表示，可以得到式（4）

4313142()/(()())3LUdttitit （4）

选择时间间隔34tt而不是12tt有许多好处。电流和时间的偏差越大，计算结果越准确。这段时间间隔（34tt）内电流的平均值与期望值0偏差较小，见图3。触发延时不会影响结果。

根据式（4）计算出来的漏感偏小因为集肤效应和铁芯的旋涡电流作用。要消除由此产生的误差，可以用计算的1'4()it代替测量值。这是通过根据指数函数来拟合在时间间隔56tt的测量值，然后得到初始值1'4()it，见图3。仿真和实验结果说明用这种方法得到的结果只有百分之几的误差。

这次测试过程对三相都实施。结果取平均值，大值舍去。

图4 采样定子电流曲线（1i）和拟合曲线（'1i）

4.2 电阻、转子时间常数测量

这些参数可以通过在电机中注入不同大小的直流电流来实现。这可以在通过在软件上特别为此组参数测试而设计的电流调节器和PWM调制器上来实现。图4给出了电流测量值和控制器输出。

图4 电流测量值（Ri）和控制器电压输出（Cu）

在区间c上，电流为额定电流的峰值，在区间a和b上，电流大约为其的30%。后者必须低于电机的额定励磁电流，防止以为饱和效应而引起参数测量误差。

4.2.1 定子电阻

在稳态时（1.iconst，2.const），式（5）给出了电机的终端电压。

1,11statuRi （5）

终端电压的平均值是和电流控制器的输出成正比的，并且如果电压知道的话，是可以计算出来的。但是，因为晶体管的压降，电压还是会有一点背离。为了得到准确结果，定子电阻可以由式（6）来求得。

11,1,11(()())/(()())statstatRucuaicia （6）

在式中，1,()statua表示图4中区间a上的终端电压的平均值。

4.2.2 转子时间常数

在图4中的区间b，转子磁链以指数规律从初值221()RTia到终值221()RTib，指数函数的时间常数为转子时间常数。这个方程可以由方程（2）中的电压方程得到。因此，转子时间常数可以通过控制器输出来计算。

图5 区间b控制器输出采样Cu和拟合曲线,Cu

图5显示了控制器输出和最优的拟合曲线。考虑到集肤效应，阶跃响应后面紧跟的一个区间不可以用来计算。

图4中的区间C也不能够用来计算，因为大电流使磁链在很短的时间以后就会进入饱和，用这段来算转子时间常数将会变小。

4.2.3 转子电阻

由等式（2），在区间C，图4中的电压可以用下式来计算。

111211()()(()())oucRicRicib （7）

这个方程用来求转子电阻。

5、控制参数

矢量控制中，最好的控制原则是利用定子电流在磁场定向坐标系中的两个分量来控制转矩和转子磁链。前面已经描述过，控制器利用电机测试所得到数据自动求得电机参数。如果在线参数自调整，则可以得到随时更新的电阻。

电机的额定点的转子磁链和励磁电流由计算得到的参数和额定电压、额定电流、额定频率得到。不考虑饱和效应，励磁电流大约要小5%。根据这里的控制原理[3]，所要得到转子磁链由提供的电压来产生，而上面的误差是不重要的。在其他一些控制方式中，计算值必须通过测试过程来校正。

6、装置的机械参数

要调整速度环（带或不带速度测量），装置的机械惯量必须知道但是这个值不可能静止测量，机械惯量只有在第一次运行时获得。要得到全系统的转动惯量，电机必须连接到装置上。根据装置不同，操作范围是受严格限制的。因此，控制系统不应该改变速度给定。它只计算装置对于由操作器给定速度变化的响应。因为装置的负载转矩——转速特性不影响结果，这种方法可以被用在全速应用中。

7、内存需求和计算时间

参数自辨识程序有大约6K的内存，它可以几乎在没有时间滞后的情况下完成。在静态测试整个过程中，电机控制程序是不激活的。当转动惯量得到了以后，只有少数的指令在严格时序情况下需要执行因为绝大部分程序在背景程序中执行。