基于矢量控制的異步電機參數(shù)離線辨識策略

李 勇，李 智，牛軍浩,聶述霞

(1.桂林電子科技大學(xué)，桂林 541004；2.桂林航天工業(yè)學(xué)院，桂林 541004；3.廣西自動檢測技術(shù)與儀器重點實驗室，桂林 541004)

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基于矢量控制的異步電機參數(shù)離線辨識策略

李 勇1，李 智2，牛軍浩3,聶述霞1

(1.桂林電子科技大學(xué)，桂林 541004；2.桂林航天工業(yè)學(xué)院，桂林 541004；3.廣西自動檢測技術(shù)與儀器重點實驗室，桂林 541004)

在常規(guī)電機參數(shù)辨識中需要額外設(shè)備和電機堵轉(zhuǎn)，實際應(yīng)用不方便。提出了一種基于矢量控制的電機參數(shù)離線辨識方法，該方法通過設(shè)定勵磁電流、轉(zhuǎn)矩電流和磁鏈角對電機參數(shù)進(jìn)行辨識。實驗結(jié)果表明，該方法能夠減小由死區(qū)、三相電阻不對稱等因素造成的辨識誤差，辨識結(jié)果應(yīng)用到矢量控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)快速響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)誤差保持在1%之內(nèi)。

逆變控制器；矢量控制；磁鏈角；參數(shù)辨識

0 引 言

自矢量控制提出以來，異步電動機的調(diào)速性能得到迅速地發(fā)展，能夠達(dá)到和直流電動機相媲美的調(diào)速性能。但是由于矢量控制自身對電機參數(shù)的依賴性很大，為了達(dá)到精確的調(diào)速性能，需要準(zhǔn)確地獲取電機參數(shù)。

常見電機參數(shù)的測量主要分為離線辨識和在線辨識[1]。在線辨識，常見的有擴展卡爾曼濾波和最小二乘法，在進(jìn)行參數(shù)辨識前需要對電機數(shù)學(xué)模型進(jìn)行詳細(xì)的預(yù)處理，并且需要測量實時電壓、電流值，對硬件要求較高。常規(guī)的離線辨識策略就是利用直流實驗、堵轉(zhuǎn)實驗以及空載試驗來獲取電機參數(shù)，但是此種方法需要人為操作，增加附加設(shè)備，不適合應(yīng)用到實際場合[2-3]。

當(dāng)前常用的一種方法是對傳統(tǒng)參數(shù)辨識進(jìn)行改進(jìn)，即利用控制器產(chǎn)生對應(yīng)的實驗電源來實現(xiàn)直流、堵轉(zhuǎn)和空載試驗[4-6]。但是這種方法需要單獨編寫測試程序，實現(xiàn)比較復(fù)雜，未能充分利用矢量控制系統(tǒng)，并且在測試中需要改變硬件接線方式。本文通過對矢量控制進(jìn)行詳細(xì)的分析，給定特定的定子勵磁電流、轉(zhuǎn)矩電流和磁鏈角，經(jīng)過矢量坐標(biāo)變換產(chǎn)生直流、單相和三相電源。同樣能夠完成異步電機的直流實驗、單相電源堵轉(zhuǎn)實驗以及開路實驗，采用這種方式能夠充分利用矢量控制系統(tǒng)，操作方便，實現(xiàn)簡單。

1 異步電機參數(shù)離線辨識原理

1.1 矢量控制總體方案

異步電機的矢量控制就是采用坐標(biāo)變換的方式實現(xiàn)類似直流電機一樣的控制性能。以產(chǎn)生同樣的磁動勢為原則，經(jīng)過三相靜止——兩相靜止變換(Clarke變換)和兩相靜止——兩相旋轉(zhuǎn)變化(Park變換)以及其相應(yīng)的逆變換。這樣就可以把三相異步電機等效為直流電動機。

在整個控制過程中，矢量控制交流框圖如圖1所示。首先，通過采集三相異步電動機的三相電流經(jīng)坐標(biāo)變換得勵磁電流im和轉(zhuǎn)矩電流it。

圖1 矢量控制系統(tǒng)框圖

同時，通過編碼器測電機當(dāng)前速度ω，通過轉(zhuǎn)子電流磁鏈模型，我們可以估算轉(zhuǎn)子磁鏈ψg和磁鏈角φ。

然后，分別通過PI調(diào)節(jié)達(dá)到了對磁鏈和轉(zhuǎn)速的獨立控制。最后再經(jīng)過SVPWM逆變調(diào)制，得到所需要的六路PWM調(diào)制波輸入到逆變器得到期望電壓供給電機。

1.2 電機定子電阻測試

(1)

再經(jīng)過Clarke逆變換，得三相靜止坐標(biāo)系A(chǔ)-B-C下電流值：

(2)

最終產(chǎn)生的三相電源是A相與同電位B,C相間為固定占空比的直流電源，待電流穩(wěn)定后測出電壓占空比D和電流穩(wěn)定值I，則定子電阻：

(3)

式中:U為母線電壓；D為穩(wěn)定后占空比；I為穩(wěn)定后電流值；T為周期；t為脈寬時間；ton和toff分別為上升和下降死區(qū)時間。

利用矢量控制的電流采樣和坐標(biāo)變換實現(xiàn)電流閉環(huán)和PI調(diào)節(jié)的效果，穩(wěn)定后得到我們所需要電機定子端的電壓和電流值，如圖2所示。

圖2 定子電阻測試實驗框圖

通過設(shè)定兩次不同勵磁電流值，利用兩次電壓和電流差計算，消除開關(guān)管和續(xù)流二極管的管壓降以及導(dǎo)通、關(guān)斷延遲的影響。

(4)

式中：U1，D1，I1和U2，D2，I2分別為第一次和第二次測量的母線電壓、穩(wěn)定后占空比、穩(wěn)定后電流值；T為周期；t1和t2分別為第一次測量和第二次測量的脈寬時間；ton和toff分別為上升死區(qū)時間和下降死區(qū)時間。

考慮到三相電阻值存在不同的情況，故可以不改變勵磁和轉(zhuǎn)矩電流，更改磁鏈角φ為120°和240°，能夠得到三相順序電位不同，以此來消除三相電阻不對稱對測量結(jié)果的影響。以磁鏈角為120°為例，經(jīng)過矢量Park和Clarke變換后得：

(5)

這樣最終的結(jié)果和磁鏈角為0°的區(qū)別僅僅是，前者U，W的電位相同，后者的V，W電位相同，最終測量電阻不同。當(dāng)磁鏈角為240°時可以達(dá)到類似的結(jié)果。這樣可以實現(xiàn)消除定子三相電阻值的不同對測量結(jié)果的影響。

1.3 電機定轉(zhuǎn)子漏感測試

對三相異步電機進(jìn)行單相電源測試辨識電機轉(zhuǎn)子電阻和定、轉(zhuǎn)子漏感。

向電機中注入單相電源，采用同電機定子測試類似的方法，設(shè)定勵磁電流im為50 Hz的正弦信號im=Urefsin(ωt)，it=0，磁鏈角φ=0；經(jīng)過矢量坐標(biāo)變換Park逆變換可以得到兩相坐標(biāo)系α-β下電流值：

(6)

再經(jīng)過Clarke逆變換得三相坐標(biāo)系A(chǔ)-B-C下電流值：

(7)

最終產(chǎn)生的三相電源是A相與同電位B，C相間為正弦電源信號，根據(jù)電機原理容易得到如圖3所示的等效和簡化電路。

(a)等效電路(b)簡化電路

圖3 單相電源下電機等效電路

待電流穩(wěn)定后測量計算得電壓有效值U，電流有效值I，電壓電流相位差θ。通過等效簡化電路可以得到轉(zhuǎn)子電阻：

(8)

通常認(rèn)為定、轉(zhuǎn)子電感值相同，即：

(9)

采用矢量控制對電流進(jìn)行PI調(diào)節(jié)避免了產(chǎn)生電流過流現(xiàn)象，同時也保證輸出的單相電源的穩(wěn)定性。

通過前面公式，在進(jìn)行計算中我們需要知道當(dāng)前通入電機中的電壓和電流的有效值以及兩者相位差，采用快速傅里葉變換(FFT)的方法計算電壓電流間相位差。

采用和上節(jié)類似的方法，消除三相參數(shù)不同的影響。設(shè)置磁鏈角為120°和240°，能夠非常方便地實現(xiàn)消除三相不對稱的影響。

1.4 電機互感測試

采用空載試驗進(jìn)行電機互感Lm的測試。同樣是采用矢量控制的方法，設(shè)定勵磁電流im=im，it=0，磁鏈角φ成正弦方式下變化,即φ=ω0t；此時經(jīng)過矢量坐標(biāo)變換得：

(10)

最終經(jīng)過逆變器產(chǎn)生三相交流電。三相異步電機的空載試驗中，由于轉(zhuǎn)速基本接近同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差率近似為0，忽略轉(zhuǎn)子側(cè)電流，相當(dāng)于轉(zhuǎn)子側(cè)開路，等效電路如圖4所示。

(a)等效電路(b)簡化電路

圖4 空載試驗下電機等效電路

待電機穩(wěn)定運行后，測量電機的相電壓U和相電流的有效值I以及兩者相位差θ。

通過等效電路得到總電抗：

(11)

互感：

(12)

通過這種方式就可以產(chǎn)生了用于空載試驗的三相電源。相位差同樣是采用快速傅里葉變換進(jìn)行計算。

具體通過圖5來實現(xiàn)。

圖5 空載實驗框圖

2 電機參數(shù)離線辨識實驗及分析

2.1 控制器硬件驗證平臺

參數(shù)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和矢量控制器結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 矢量控制器硬件電路框圖

采用自主設(shè)計的控制器硬件平臺進(jìn)行離線參數(shù)辨識的驗證。本系統(tǒng)主要包括核心控制板、驅(qū)動和逆變電路板、電流電壓檢測電路板。采用TI公司的TMS320F28335芯片作為核心控制器，進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換和上位機的通信，利用前文中提到的方法產(chǎn)生所需的PWM控制信號；驅(qū)動和逆變電路板主要對PWM信號進(jìn)行驅(qū)動放大，送到逆變電路中控制MOS管的通斷，將直流電源逆變?yōu)樗桦娫此椭岭姍C中，本電路中還包括故障信號的檢測和保護(hù)。電流電壓檢測電路板主要是對兩路電流信號進(jìn)行調(diào)理并送到AD轉(zhuǎn)換引腳，以及對電源電壓的檢測部分。

本次測試的實驗電機是KDS公司生產(chǎn)的叉車行進(jìn)電機YDQ1.1-4-4820，額定電壓為16V，額定電流為64A，額定功率為1.1kW。控制器DSP的系統(tǒng)時鐘為150MHz，PWM調(diào)制頻率為15kHz。

2.2 電機定子電阻測試實驗

按照前文描述的方法進(jìn)行直流測試實驗，電流穩(wěn)定后的A相是輸出恒定的PWM，B，C相并不是上文中分析的低電平，而是恒定的PWM，故A，B相間是恒定占空比的PWM，此時A，B相占空比之差就是為前文分析的電壓占空比D，圖7的占空比是間接變化的，此時并不影響最終結(jié)果的，由于電機內(nèi)部感性性能，電流基本是恒定的。

圖7 A，B相間的電壓和A相電流

在整個測試中，我們需要注意電機過流的問題。設(shè)定勵磁電流應(yīng)不大于額定電流的1/3，否則有可能會燒壞電機。根據(jù)式(1)～式(5)分別設(shè)定磁鏈角為0°，120°，240°進(jìn)行直流測試實驗測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同磁鏈角下定子電阻測量值

2.3 電機定轉(zhuǎn)子漏感測試實驗

按照前文描述的，對電機進(jìn)行測試，此時A相與同電位的B相、C相間為正弦電源。試驗中，待電機穩(wěn)定運行后采樣256點數(shù)據(jù)，運用FFT計算電壓、電流有效值和電壓電流相位差θ。根據(jù)式(6)～式(9)辨識定轉(zhuǎn)子漏感Lsl=Lrl=5.42 mH。

在進(jìn)行單相電源實驗時，同樣需要考慮電流過流的問題，設(shè)定勵磁電流的幅值不應(yīng)超過額定電流的三分之一。圖8為單相電源實驗時A，B相電壓和A相電流的實時采樣波形。

圖8 A，B相電壓波形與A相電流波形

2.4 電機互感測試實驗

按照前文描述的，根據(jù)式(11)～式(13)辨識定轉(zhuǎn)子間互感為Lm=197.85 mH。圖9和圖10分別為空載試驗時電機穩(wěn)定運行后A，B相電流波形和A相電壓和電流波形。

圖9 穩(wěn)定后A，B兩相電流波形

圖10 A相電壓與電流波形

2.5 矢量控制系統(tǒng)實驗

采用本文的方法測量的電機參數(shù)分別為定子電阻Rs=24.53 mΩ，定轉(zhuǎn)子電感Ls1=Lr1=5.42 mH，以及互感Lm=197.85 mH。把這些參數(shù)應(yīng)用到前文中提到的控制器中，圖11為速度控制實時曲線。可以看到，上電后快速響應(yīng)，速度穩(wěn)定后誤差能夠保持在1%之內(nèi)。

圖11 速度響應(yīng)曲線

3 結(jié) 語

本文采用矢量控制方法，通過設(shè)定特定的勵磁和轉(zhuǎn)矩電流以及磁鏈角，經(jīng)過矢量坐標(biāo)變換得出逆變器輸出相應(yīng)電源，進(jìn)而測量了三相異步電動機的參數(shù)，該方法能夠有效減小三相電阻不對稱等因素造成的辨識誤差，且不需要改變硬件連接方式。在進(jìn)行試驗時，電流均處于閉環(huán)控制狀態(tài)，能有效保證系統(tǒng)的安全性。

實驗結(jié)果表明，經(jīng)過此種方法可以方便地獲取準(zhǔn)確的電機參數(shù)，能夠滿足矢量控制系統(tǒng)的要求。

[1] 陳凌飛，黃敬黨.交流感應(yīng)電機參數(shù)辨識方法的綜述[J].機電技術(shù),2009,(S1):9-11.

[2] 賀艷暉，王躍，王兆安.異步電機參數(shù)離線辨識改進(jìn)算法[J].電工技術(shù)學(xué)報,2011,26(6):73-80.

[3] 王明渝，冼成瑜.感應(yīng)電動機矢量控制參數(shù)離線辨識技術(shù)[J].電工技術(shù)學(xué)報,2006,21(8):90-96.

[4] HOREN Y,STRAJNIKOV P,KUPERMAN A.Simple mechanical parameters identification of induction machine using voltage sensor only[J].Energy Conversion and Management,2015,92:60-66.

[5] BILSKI P.Application of support vector machines to the induction motorparameters identification[J].Measurement,2014,51(5):377-386.

[6] 陳康平，曾岳南，李海波，等.基于TMS320F2812的異步電機參數(shù)離線辨識系統(tǒng)[J].電機與控制應(yīng)用,2013,40(8):5-9.

[7] 楊坤，趙金.基于變頻器的感應(yīng)電機離線參數(shù)辨識策略[J].微電機,2013,46(9):49-53.

[8] 劉洋，趙金，王慶義.間接矢量控制系統(tǒng)中的異步電機參數(shù)辨識[J].電工技術(shù)學(xué)報,2008,23(7):22-26.

Off-Line Parameter Identification Strategy Based on Vector Control for Induction Motors

LIYong1，LIZhi2，NIUJun-hao3，NIEShu-xia1

(1.Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China; 2.Guilin University of Aerospace Technology,Guilin 541004,China; 3.Guangxi Key Laboratory of Automatic Detecting Technology and Instruments,Guilin 541004,China)

It is not convenient in actual cases for conventional method of motor parameter identification that requires additional equipment and man-made motor locking. In this paper, an off-line parameter identification strategy based on vector control for induction motor was given, which achieved by setting excitation current, torque current and flux Angle. The experimental results show that the method can effectively reduce identification error that generated by dead zone, asymmetric of three-phase resistor, etc. And the identification result was applied to the vector control system, achieving rapid response and steady-state error within 1%.

inverter controller; vector control; flux angle; parameter identification

2015-09-28

廣西自動檢測技術(shù)與儀器重點實驗室主任基金(YQ14112)

TM346

A

1004-7018(2016)01-0064-04

李勇(1989-)，男，碩士研究生，研究方向為智能控制，電機控制技術(shù)。