異步電機離線參數辨識

文章編號：1003-6199(2011)04-0073-04

摘 要：異步電機矢量控制要求準確獲得磁場定向，而磁場定向的精度取決于電機參數值。為了準確辨識出電機的參數，本文研究基于靜止狀態下異步電機T型等效電路模型，采用脈沖電壓法，單相交流注入法取代傳統堵轉和空載試驗，實現對異步電機參數的準確測量。仿真實驗結果證明上述方法正確可靠，且得到了較高的辨識精度。



關鍵詞：異步電機；參數；靜止狀態

中圖分類號： TM346 文獻標識碼：A



Offline Parameter Identification Method of Induction Motor



LI Guojin，HU Changlin，HOU Xuda

(Colleage of Electrical Engineering Guangxi Unievrsity，Nanning 530004，China)

Abstract:For tha vector control of an induction motor，it require accurately field oriented，while the precision of the field oriented depends on motor parameter values.In order to accurately identify the parameters of the motor，this paper studies on the basic of T equivalent circuit model of induction motor at standstill state，we use pluse voltage or single phase AC as an excitation signals to measure the static of parameter for induction motor，this method don't require do locked rotor and noload tests.The validity，reliability and accuracy of the proposed scheme is verified through simulation.



Key words:induction motor;parameter;standstill state



1 引 言異步電動機通過矢量坐標變化，實現了磁通和轉矩在等效兩相正交繞組狀態下的解耦，從而獲得不亞于直流電機的調速性能。這類控制技術關鍵是準確獲得磁場定向，而磁場定向又與電機參數的設定息息相關，參數設定的不匹配將會降低轉矩控制的響應^［1］。傳統方法通過對電機進行堵轉或者空載實驗從而計算電機參數值，該方法需要專用實驗條件的支持，而大多數實際場合都不具備。目前對于電機進行參數辨識的研究主要有在線或者離線辨識，在線辨識技術可以不斷對運行中的電機參數進行更新，但通常需要花費大量的計算時間，且低轉速下效果不好^［2，3］。離線辨識技術是在電機運行之前，對電機施加特定波形激勵，檢測電機對激勵的響應從而辨識電機參數^［4，5］，這些方法在電機投入運行之前可以得到電機參數的初始值。本文在假定感應電機三相平衡下，通過直流試驗（注入脈沖電壓），單相交流試驗，檢測定子端電流電壓，在分析電機T型等效電路下，實現對電機參數的辨識，該辨識方案在電機靜止狀態下控制逆變器輸出各種需要的信號進行參數辨識，算法簡單、精度高、且易于實現。

2 參數辨識

假設異步電機三相繞組對稱，忽略集膚效應、磁飽和及鐵損，異步電機控制系統有如圖1連接方式，其中逆變器的 3 個橋臂A，B，C分別與感應電機的三相繞組 a，b，c對應相連。靜止狀態下異步電機T型等效電路如圖2所示，圖中Rs、Lls分別為定子每相電阻和漏感，Rr和Llr分別為折合到定子側的轉子每相電阻和漏感，Lm為互感，Us為定子相電壓，頻率ω。

21 定子電阻辨識

根據圖2電機T型穩態等效電路可知，當對電機通入直流電壓信號時，電路中的感抗為零，電路可以看成為只有定子電阻的阻抗負載電路，只需知道電路中電流值的大小，就可以計算定子電阻阻值大小。由于電機定子電阻較小，不能將直流母線電壓直接加在定子繞組上，需對直流母線電壓進行斬波降壓，如圖1所示對VT1管施加PWM信號，VT2、VT3、VT5一直處于關斷狀態，而VT4、VT6一直處于導通狀態，VT1管上的PWM脈沖信號脈寬必須較窄，且頻率較高以保證加在電機上的直流電壓平均值不會太大，使得流過定子繞組的電流為一脈動很小的直流電。按照圖1產生直流電壓，電機等效電路如圖3所示。

則電機的定子電阻為：

Rs=Udc#8226;D1.5ID （1）

式中D為脈沖占空比，ID為負載電流。

22 漏感辨識

對于圖1，電機b，c相短接，向電機施加單相交流高頻電壓時，電機中產生的是脈振的磁動勢，不能形成旋轉的磁動勢，所以電機不會旋轉，構成H橋如圖1所示，這時勵磁支路的電流會很小，同時定轉子阻抗負載上的壓降相比于定轉子漏感壓降要小很多，其可以看成為一個純感抗性負載電路，那么就可以變換成等效電路圖4，實際電機定子側和轉自側的漏感值是不相同的，但是相比互感小很多，所以近似認為二者值相同。

所以通單相高頻交流電時，電壓和電流的振幅比近似于3ωLlr，那么有漏感表達式如下

Lls=Llr=Uamp3ωIamp （2）

23 轉子電阻、互感辨識

轉子電阻與互感辨識與漏感辨識一樣，將電機b，c相短接，同樣施加單相交流電壓，但不為高頻，于是所有負載都可以等效成一個電抗Zeq。那么圖2的T型等效回路就變為圖5簡化等效電路

圖5 電機簡化等效電路

Zeq=VI=Req+jXeq

=Rs+jX1+jXm(Rr+jX2)Rr+j(Xm+X2) （3）

考慮到定子漏磁通與轉子漏磁通相同，則有

Req=|V||I|cos=Rs+RrXmR2r+(Xm+X2)2 （4）

Xeq=|V||I|sin=Xs+R2rXm+XmX2(Xm+X2)R2r+(Xm+X2)2（5）

上述各式中有X1=X2=ωLls=ωLlr，Xm=ωLm且有Ls=Lr=Llr+Lm，令R2eq=Req－Rs，為電流基波與電壓基波的相位差，對圖2的電路分別通頻率ω1，ω2，由式（4）和（5）可得：

Req=R2eq(ω1)Xeq(ω2)Xeq(ω1)－R2eq(ω2)ω2ω1Xeq(ω2)Xeq(ω1)－ω2ω1 （6）

Lr=XeqRr(Rr-R2eq)ω （7）

由于漏感Llr在上述2.2中已求，所以有

Lm=Lr－Llr （8）

3 仿真研究

本文采用Matlab對電機參數辨識系統進行仿真研究，以驗證參數辨識算法的正確性。所選用電機參數為：PN=4kw，UN=400V，fN=50Hz，nN=1430r/min，Lls=Llr=0.005839H，Lm=0.1722H，Rs=1.405Ω，Rr=1.395Ω。

檢測定子電阻時，系統所產生的直流PWM頻率為1KHz，通過調節占空比來調節定子電流的大

(a)定子電流

(b)穩態后定子電流

小。圖6(a)為定子側A相電流。當電流進入穩態后圖6(b)，對穩態電流進行連續采樣，通過公式（1）計算每次結果，取其平均值即為定子電阻辨識值，有Rs=1.403Ω。

在檢測漏感的試驗中，對電機注入高頻交流電壓，其頻率為1KHz，電流電壓波形如圖7所示。當電流進入穩態后，選擇一個時間點t=0.1s（圖7）處，電壓初相位為0，可以看到電流與電壓相位相差約90°，這也正說明了2.2中注入高頻交流電壓時，等效電路近似為一純感抗負載電路。由圖中可知Uamp=220V，Iamp=2.03A，通過公式（2）算得Llr=Llr=0.005749H。

(a)定子相電流、定子端電壓

（b）t=0.1后定子電流、電壓

轉子電阻與互感是通過注入兩個不同頻率的激勵信號來測量辨識，由于2.3中辨識算法的實現需要有勵磁感抗，那么所選取的頻率應需要同時對勵磁側和轉子側提供電流，試驗中選取高頻測試頻率為10Hz，低頻測試頻率為5 Hz。選定某一相電壓相位為 0的時刻（如圖7）開始對該相繞組中的電流進行采樣。對一個周期中采樣到的數據進行傅氏分解，然后根據式(6)、(7)、(8)辨識算出轉子電阻與互感值。Rr=0.1391Ω，Lm=0.1734H。對所選電機參數和辨識結果進行對比：實際Rs為1.405Ω，Rr為1.395Ω，Lls與Llr為0.005839H，Lm為0.1722H，辨識結果值Rs為1.403Ω，Rr為1.391Ω，Lls與Llr為0.005749H，Lm為0.1734H，可見辨識結果非常理想。



(a)輸入5Hz單相交流電定子電流、電壓波形

(a)輸入10Hz單相交流電定子電流、電壓波形

4 結 論

本文通過對電機注入不同激勵，實現了對電機相關參數的辨識，通過仿真實驗證明了該方法能夠獲得較為精確的電機參數值。與其它方法相比，實現簡單，數據可靠，可以滿足電機控制的要求。

參考文獻

［1］ 王秀芝，王紅，許鎮琳，等.參數變化對異步機解耦控制的影響［J］.天津大學學報，1996，29(4):638-641.

［2］ J.Holtz and T.Thimm. Identification of the machine parameters in a vector controlled induction motor drive［J］.IEEE Trans.Ind. Applicaf，vol.27， no.6， pp. 1111-1118， Nov./Dec. 1991.

［3］ R. D. Lorenz and D. B. Lawson. A simplified approach to continous on line tuning of field oriented induction machine drives［J］. IEEE Trans.Ind. Applicaf ，vol. 26， no.3，pp.420-424， May/June 1990.

［4］ 余功軍，鐘彥儒，楊耕.無速度傳感器矢量控制系統中的電機參數辨識［J］.電氣傳動，1999，29(1):7-10.

［5］ 許鎮琳，何啟蓮，李國民，等．異步機矢量控制的電機參數參數自設定 ［J］．電工技術學報，1995(1)：44-47.

［6］ A. Gastli.Identification of induction motor equivalent circuit paramaters Using the sinle-phase test［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion， Vol.14， No.1，1999.

收稿日期：2011-10-18

作者簡介：李國進（1964—），男，湖南湘潭人，副教授，博士，碩士生導師，研究方向：工業過程控制與綜合自動化、運動控制與機電控制技術(E-mail：lqigx@163.com)；胡常林（1985—），男，廣西桂林人，碩士研究生，研究方向：運動控制與機電控制技術。