（电力电子与电力传动专业论文）异步电机参数离线自整定及参数辨识研究.pdf

= | 匕塞交道厶堂亟堂位i 金塞旦s i ! a bs t r a c t a b s t r a c t ：i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，r e s e a r c ho no f f - l i n ep a r a m e t e rs e l f - a d j u s t i n ga n d p a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o no fa s y n c h r o n o u sm a c h i n e ，i sc o m p r e h e n s i v e l ys t u d i e dt h r o u g h a n a l y s i s ，a r i t h m e t i c ，s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t r e s e a r c ho no f f - l i n ep a r a m e t e rs e l f - a d j u s t i n ga n dp a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o no f a s y n c h r o n o u sm a c h i n e ，p r o v i d e st h eg u a r a n t e ef o ri m p r o v i n gc o n t r o lp e r f o r m a n c eo f a s y n c h r o n o u sm a c h i n e ，s oa st om a k eu s eo f b e t t e r , a n dm o r ea c c u r a t ec o n t r o lm o d ei n t o p r a c t i c a lp r o j e c t b e c a u s et h ec o n v e r t o ra n dt h em o t o ra r en o ta l w a y sm a t c h i n gi nt h ep r o j e c t ，i t n e e d st h ep r o f e s s i o n a le n g i n e e rt or e s e tt h ec o n v e r t o rb e f o r et h em o t o rf u n i ti sa c o m p l e xa n dt i m e c o n s u m i n gp r o c e s s t h i st h e s i sp r e s e n t sa r i t h m e t i cf o ro f f - l i n ep a r a m e t e rs e l f - a d j u s t i n g ，a n dw r i t e s p r o g r a mw i t hcl a n g u a g e a l s ot h ea r i t h m e t i ch a sb e e nr e a l i z e do nah a r d w a r e e x p e r i m e n tp l a tw i t ha2 2 k wm o t o r , i tc a nt e s tt h ep a r a m e t e ro fm o t o ra u t o m a t i c a l l y b e f o r ei tf u n ，i no r d e rt op r o v i d et h ep a r a m e t e rf o rc o n t r o ls y s t e m s w h e nt h em o t o rr u n s ，t h ep a r a m e t e rw i l lb ec h a n g e dd u et ot h er i s eo ft h e t e m p e r a t u r e ，w h i c hw i l la f f e c tt h es t a b i l i t yo fm o t o r , s oi tn e e d so n - l i n ep a r a m e t e r i d e n t i f i c a t i o n t h i st h e s i sm a k e st h et h e o r ya n a l y s i sa n dm e t h o ds u m m a r i z a t i o no f o n - l i n ep a r a m e t e ri d e n t i c i c a t i o n ，i no r d e rt om a k et h ef o u n d a t i o nf o rt h en e x tw o r k t h er e a l i z a t i o no fa r i t h m e t i ci sb a s e do nh a r d w a r ee x p e r i m e n ts y s t e m t h i st h e s i s m a k e st h ed e t a i l e di n t r o d u c t i o no fh a r d w a r ee x p e r i m e n ts y s t e m ，i n c l u d i n gt h ed e s i g no f m a i nc i r c u i t ，i g b td r i v e ra n dp r o t e c t i n gc i r c u i t ，a n dd s p d i g i t a lc o n t r o l l e r t h i st h e s i sa l s om a k e st h es i m u l a t i o no fe x p e r i m e n tm e t h o d su s e dm a t l a b s o f t w a r e t h es i m u l a t i o n sr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dm e t h o d sc a np r a c t i c a b l yb e u s e di nt h i se x p e r i m e n t k e y w o r d s ：a s y n c h r o n o u sm a c h i n e ；o f f - l i n ep a r a m e t e rs e l f - a d j u s t i n g ；p a r a m e t e r i d e n t i f i c a t i o n ；m a t l a b s i m u l i n k c i 。a s s n o ：t m 3 4 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期：年月日 签字日期：年月日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 致谢 本论文的工作是在我的导师游小杰教授的悉心指导下完成的，游小杰教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来 游小杰老师对我的关心和指导。 研究所林飞副教授，张立伟老师，郝瑞祥老师以及孙胡老师对于我的科研工 作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，韦克康博士、赵坤博士等同学对我论文中的 研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 1 引言 1 1 异步电机控制技术的发展 1 1 1 异步电机控制理论发展概述 电机是一种机电能量转换或信号转换的电磁机械装置。就能量转换的功能来 看，电机分为发电机和电动机两大类。根据应用场合的要求和电源的不同，电机 又有直流电机、交流同步电机、交流感应电机( 异步电机) ，以及满足不同需求 的特种电机。 异步电机的优点是：结构简单、坚固耐用、运行可靠、制造成本低、易于维 护、可工作于恶劣环境等。因此，异步电机在工业领域得到了广泛的应用。同时， 人们一直期望将异步电机应用到高性能调速系统中去。但是，由于异步电机是一 个高阶、非线性、强耦合的多变量复杂系统，早期的研究没有很好的方法解决它 的控制问题。 初期的变压变频( 、厂、厂、，f ) 调速方案，虽然实现了交流电机一定范围内的调速， 但还不能与直流调速系统相媲美，只能用于一些调速要求不高的场合，如风机、 泵类等负载的拖动。 随后发展的滑差频率速度闭环控制系统虽说基本上解决了异步电机平滑调速 的问题，同时也基本上具备了直流电机双闭环控制系统优点，结构也不算复杂， 已能满足许多工业应用的要求，具有较广泛的应用价值。 在上个世纪7 0 年代初期，f b l a s c h k e 等发明了异步电机磁场定向的矢量控制， 通过引入坐标变换，实现了异步电机磁通与转矩的解耦控制，使异步电机的动态 性能可以与直流电机媲美，在目前异步电机调速领域应用较广。 1 9 8 5 年，德国鲁尔大学教授m d e p e n b r o c k 和日本的i t a k a h a s h i 教授分别提 出了直接转矩控制的方法来控制交流电机，其中前者的方法是基于六边形磁链轨 迹来进行控制，后者的方法是基于圆形磁链轨迹来进行控制的。在直接转矩控制 中不需要对转矩和磁链进行解耦，因此没有复杂的坐标变换；基于定子侧的量进 行控制，因此对电机参数变化的鲁棒性高；以磁链和转矩为直接控制对象，因此 可以获得很高的动态性能。直接转矩控制具有新颖的控制思想，简洁明了的系统 结构和优良的动、静态性能，给高性能的交流调速注入了新的活力。 在感应电机速度闭环控制中需要电机转速信息，一些矢量控制策略中也需要 知道电机转速，但是速度传感器的采用提高了成本并且带来了一些不便。理论上 通过感应电机的电压和电流可以实时计算出电机的转速，从而可以不需要速度传 感器实现磁场定向控制和速度闭环控制，即无速度传感器控制。因此，近年来感 应电机的无速度传感器控制成了电气传动领域的一个重要研究方向。 1 1 2 矢量控制和直接转矩控制原理 目前的广泛应用的感应电机高性能控制方法主要是磁场定向矢量控制和直接 转矩控制。 ( 1 ) 矢量控制基本原理 矢量控制通过将电机的电流、电压等变换到同步坐标系中实现电机转矩和磁 通的解耦控制，从而实现快速的转矩响应及较高效率的运行。这种方法同时对交 流量的幅值和相位进行控制，因此叫做矢量控制。矢量控制模仿了直流电机的换 向器保持磁通和电枢磁动势垂直的机理，使交流电机的控制性能达到直流电机的 水平。 异步电机矢量控制根据所采用的坐标系定向方向的不同可分为转子磁链定 向、定子磁链定向及气隙磁链定向矢量控制。定子磁场定向矢量控制虽然励磁电 流和转矩电流的解耦不完全，但是可以通过前馈补偿的方法实现解耦控制。由于 定子磁场定向控制直接控制定子磁通，这使得它能够最大限度地利用母线电压和 逆变器电流的输出能力，更适于弱磁场合下的控制。气隙磁链定向的矢量控制在 一般异步机中很少应用。在转子磁场定向同步坐标系中，磁通和转矩的控制完全 解耦，所以转子磁场定向矢量控制得到了最广泛的应用。 ( 2 ) 直接转矩控制基本原理 传统直接转矩控制通过直接控制转矩和磁链来间接控制电流，不需要复杂的 坐标变换。磁链轨迹的控制可以采用六边形或圆形两种。直接转矩控制的基本思 想是：在准确观测定子磁链的空间位置和大小并保持其运行轨迹为一定，同时在 准确计算负载转矩的条件下，通过控制电机的瞬时输入电压来控制电机定子磁链 的瞬时旋转速度，来改变它对转子的瞬时转差率，达到直接控制电机输出的目的。 直接转矩控制具有结构简单、转矩响应快，以及对参数鲁棒性好等优点，但它却 是建立在单一输出矢量、转矩和磁链滞环的b a n g - b a n g 控制基础之上的控制方法， 不可避免地造成了低速开关频率低、开关频率不固定以及转矩脉动大等问题，限 制了它在低速区的应用。 2 1 1 3 电力电子器件的发展 电力电子器件是现代交流调速的基础，不断地推动着交流调速技术的发展。 2 0 世纪5 0 年代中期出现的晶闸管和快速晶闸管是第一代电力电子器件。它是一个 半控型器件，工作频率低，一般采用电网电压强迫换流，构成的逆变系统复杂。 2 0 世纪7 0 年代中期出现了集成度和工作频率高，功能强的全控型电力电子器 件，如大功率晶体管g t r ，门极可关断晶闸管g t o ，场效应晶体管m o s f e t ，这 些都是第二代电力电子器件。g t o 是除了i g c t 外目前容量最大的电力电子器件， 可做到6 0 0 0 a ，4 5 0 0 v 。它的最大缺点是关断损耗太大( 为导通功率的2 0 以上) ， 还必须要有专门的吸收电路。因此其开关频率不能太高。g t r 具有工作频率高， 通态压降低的优点，但存在二次击穿和耐压难以提高的缺点，一般用于中功率以 下。m o s t e t 的开关速度可以很高，无二次击穿问题，但通态电阻大，一般用在 小功率应用场合。 为了综合g t r 和m o s f e t 的优点，2 0 世纪8 0 年代初，美国r c a 和g e 公 司研制成功了一种绝缘门极晶体管i g b t 。这种器件有很高的门极阻抗，允许使用 逻辑电平信号，并有反向阻断能力，其电流密度比m o s f e t 大1 0 倍，其工作频 率可达5 0 k h z 。与此同时美国科学家又研制成功了一种m o s 驱动g t o 器件，称 之为m c t 的功率控制晶闸管。其主要优点是电流电压的容量更大，开关速度更快， 大幅度地减小驱动功率。这些复合器件构成了电力电子第三代产品。 近十年来智能功率模块i p m 的发展速度非常迅速，种类也很多。该模块将电 力电子器件触发驱动过电流保护、过电压保护、过热保护及故障监测等功能集于 一体。有的专用触发模块还具有隔离功能，可大大减少硬件电路的设计，是一个 发展潜力很大的集成器件，它的主要不足是容量太大价格也较高。 1 2 异步电机参数辨识技术的发展 1 2 1 异步电机参数辨识的意义 在现代异步电机变频调速系统中，矢量控制被认为是一种理想的调速控制方 法，它实现了对交流电机励磁电流和电枢电流的解耦控制，从而可按照直流电机 的控制规律来控制异步电机。然而在实现矢量控制技术中仍然存在一些需要进一 步解决的问题，其中之一就是如何比较准确地确定异步电机的参数，以保证对磁 场的正确定向。 此外，在无速度传感器直接转矩控制系统中，同样也需要辨识电机参数。由 异步电机铭牌或产品手册中的数据推算出来的部分参数，通常会有较大的偏差， 并且由于电机实际运行时存在的磁路饱和、集肤效应及绕组温度变化等都会使电 机参数发生变化，因此就难以保证动态过程中电流的完全解耦，从而影响系统的 控制效果和运行性能。 目前，主要采取两种方法来解决此类问题：一是设计对电机参数不敏感的鲁 棒控制器；二是对电机的某些重要参数进行在线辨识，并将辨识结果用于控制器 的设计和参数整定中。实质上，这两种方法是统一的，因为：一方面，参数辨识 的目的在于提高控制器的自适应能力，从而提高控制器对参数变化的鲁棒性；另 一方面，不具备参数辨识能力的控制器对参数变化的适应能力不够强，往往难以 达到理想的控制效果。因此，可以认为，在线辨识是比较准确地确定异步电机的 参数以避免参数变化对其控制性能影响的有效途径。 因此，为了保证电机在运行时候始终稳定，同时能够达到高性能控制，需要 在电机运行的同时对电机参数做在线辨识，以便于不断修正控制系统中电机参数 的给定值。在异步电机的实际控制系统中，一般并不需要对所有的参数都进行辨 识。因为在控制过程中如果被辨识的参数过多，不仅是算法复杂化，而且会导致 计算工作量大幅度增加，直接影响到控制的实时性，甚至可能难以实现。因此， 人们通常选取时变性较强，对系统控制性能影响较大的参数来进行重点辨识。 一般来说，在正常工作范围内，异步电机定、转子的漏感基本为一常值，而 转子绕组电阻、转子时间常数和定子绕组电阻等相对于其他参数而言具有更显著 的时变特性，对系统控制性能的影响也相对较大，因此它们往往是主要的被辨识 对象。 随着异步电机调速系统的发展，电机不转时( 或者电机投入正常运转之前) 的参数辨识方法，特别是不需要增加额外的硬件设备而仅靠异步电机调速系统本 身来进行的参数辨识方法逐渐成为当前异步电机驱动技术发展的一个潮流，成为 现代异步电机驱动系统的新特点。这就是所谓的电机参数离线自整定方法或称电 机参数离线辨识方法。 电机参数离线自整定方法( 电机参数离线辨识方法) 的主要思想是：在变频 器开机运行之前，由微处理器执行一段参数测试程序，利用变频器本身的能力向 电机输入一些测试信号，然后根据采样信息离线计算出电机的参数。这些参数可 供设定调节器参数及对主要参数的在线辨识或电机状态估计时使用。显然，这种 参数自整定方法的应用，使得电机调速系统具有了一定的智能，可以使电机控制 系统自动建立起来。本论文最重要的一部分内容既是电机参数离线自整定的方法 研究及算法实现。 4 1 2 2 异步电机参数辨识技术的发展 本文通过对些技术资料，文献的搜集、阅读、整理，对异步电机参数辨识 技术国内、国外的发展有了较为深入广阔的认识和了解。国外异步电机参数辨识 技术发展较早，目前有些公司的变频器产品已经具有这项功能。如a b b 、西门子 生产的变频器，在开机运行前由工程师输入一些特定的指令，会执行一段特定的 程序，对电机有个辨识过程，然后加负载运行。 下面附加一段a b b 公司生产的变频器的用户手册内容，来介绍国外这项理论 在实际工程中的应用。 “电机辨识运行作为标准电机辨识运行( i d 运行) ( 必须输入电机铭牌数据) ， 在第一次发出起动命令时，变频器要自动进行一次快速的电机辨识运行。第一次 起动时电机在零速附近运行几秒钟，产生一个基本的电机模型。这个电机模型适 用于一般运行需要。直接转矩控制( d t c ) 完美的性能是建立在精确的电机模型 基础之上。该电机模型的参数是在增强辨识运行期间自动检测到的。基本的电机 铭牌数据( 功率，转速等) 要首先手工输入到变频器中。然后再对传动进行一貉 电机辨识运行。为了获得最优化的参数，在电机辨识运行期间要把负载从电机上 脱开。a c s l 0 0 0 按预先设定好的程序运行几分钟。在每个运行状态下都要测量电 机和逆变器的反馈值。电机模型参数就根据这些测量值来计算和优化。最终的结 果就是增强电机模型，为d t c 控制器提供精确的磁通、转矩和电机转速信息。如 果没有选择任何辨识运行，变频器将因为辨识运行故障而停机。” 通过上面一段内容，我们可以知道在国外的产品中，电机参数的离线辨识已 经有了较为广泛的应用，但具体方法没有详细说明。电机参数的在线辨识理论研 究的很多，但实际应用到工程中的方法现在还不广泛。通过咨询a b b 和西门子的 技术人员，了解到目前电机运行时大多数是加一个温度修正参数环节。 国内在交流传动方面的研究起步较晚，与先进的工业国家相比尚有较大的差 距。虽然在基本理论及新型控制方法的研究上，有关高校、研究所及工厂都开展 了不少工作，并且具有了一定的基础，但是在产业化的能力上与国外相比则相距 甚远。尤其在高性能的交流传动方面，由于生产工艺差，元件依赖进口、缺乏有 效的开发工具，变频器的生产还处于较为初级的“作坊”阶段，还没能形成系统化规 模生产。目前，国内有许多企业都准备或正在进行高性能交流传动系统的研制工 作，既有基于矢量控制系统的，也有基于直接转矩控制的。由于这两种控制方案 都依赖于对电机参数的准确测定，甚至于在线的辨识，电机参数辨识的准确与否 将直接影响到整个系统的控制性能。因此，电机参数辨识算法必将是高性能交流 传动系统的重要组成部分。一套简单实用，准确的电机参数辨识算法对提高系统 控制性能具有重要意义。 本课题是北京交通大学电气工程学院与辽宁荣信电力电子公司开展的合作项 目，第一阶段实现参数离线自整定，第二阶段实现参数在线辨识。 1 2 3 异步电机参数辨识方法总结 本节将对国内外的文献，论文做比较细致的总结，介绍目前国内外正在研究 或已经应用的参数辨识的方法。 ( 1 ) 参数离线自整定 文献 0 6 1 论文中采用增量法求异步电机定子电阻尼，即采样两次大小不同的电 流值做减法，同时提到了多次测量取平均值的方法。转子电阻b 和转子电感厶采 用加单相交流电的方式测量计算。该文献中提出一种准稳态空载实验，该方法的 特点是不用卸去电机负载，可以适应更多的实际工程应用环境。 文献 1 2 1 3 】论文中提到的方法是给电机通两个不同频率的交流电，从而检测 计算出电机参数。论文中将电机模型分解成正序，负序的对称分量，对电流进行 叠加。文章对参数计算做了详细推导，得出非线形方程组，并提出迭代方法利用 d s p 实现未知量的计算。 文献 1 4 论文中提出的方法是对电机a 相b 相分别注入一个幅值相等、方向 相反的阶跃电流，同时保持c 相的电流为0 ，电机内部不能产生旋转磁场。通过检 测信号计算电机参数。 文献 1 1 】 1 5 】【1 7 】论文中采用的方法是基于电机数学模型的电机试验方法。即 通过变频器对电机做直流实验、短路实验和空载实验，最终由d s p 数字处理器计 算得到电机参数。 文献【1 6 论文是依据电机的空载启动过程，在电机完全空载的情况下施加驱动 电压，通过对所采集的电流和电压信号进行处理不仅可以得到电机的输入输出特 性，而且可以得到电机的特性参数。 国外文献 1 8 】 1 9 2 0 是比较早的详细介绍了异步电机参数离线自整定的背景 及其方法。主要应用的方法也是给电机加直流、交流电测电压、电流信号，同时 做一些补偿处理。 ( 2 ) 参数在线辨识 本文前面1 2 1 节说明过在线辨识是建立在参数离线自整定基础上的，需 要辨识的电机参数主要是随电机运行过程中变化较大的定子电阻和转子电阻( 相 关参数转子时间常数) 。 在矢量控制中，定子电阻是建立磁链非常重要的参数。同时在无速度传感器 6 控制中，由于磁通的计算用到定子电阻和电压，而低速范围定子电压也较低，定 子电阻压降的误差对于反电势的计算误差影响也变大。因此，定子电阻的辨识对 于低速范围的无速度传感器控制尤为重要。 文献 2 1 】论文解决的是定子电阻在线辨识及对定子电阻误差具有鲁棒性的方 法。该论文是基于无功功率的对足误差有鲁棒性的m r a s 方法。 文献 2 2 1 提出的方法是在零速附近对咫误差有鲁棒性的改进电压模型。 文献 2 3 ，2 4 采用全阶观测器的m r a s 进行转速和定子电阻的同时辨识。 文献【2 5 】采用转子磁通的参考值和估计值之间的偏差来调节定子电阻。 文献 2 6 】采用d 轴电流的偏差进行定子电阻辨识。 文献 2 7 1 是基于异步电机在两相坐标系里的状态方程，通过检测电机的定子电 压、电流和转速信号，而不需要转子磁链信号，利用最d - - 乘法递推算法对电机 参数进行辨识，由于不需要转子磁链，这样通过观测得到的磁链就不会影响辨识 的准确性，消除了参数计算和磁链观测之间的耦合。 文献【2 8 提出一个基于磁通观测器的感应电动机无速度传感器矢量控制系统 的参数在线辨识方案，包括利用d 轴磁通误差实现定子电阻在线辨识法和利用励 磁电流指令上叠加交流信号实现转子电阻在线辨识法。 众所周知，转子电阻受温度的影响，在运行过程中会有较大的变化，在矢量 控制中会影响到磁链定向，有时会严重影响电机运行的稳定性。在无速度传感器 控制中，因为滑差频率与转子电阻成正比，所以在低速范围内，滑差频率对转速 辨识相对误差的影响变大，因此在低速范围转速的准确辨识需要对转子电阻进行 在线辨识。 文献 2 9 幂f j 用从电机的零序电压中提取的转子齿谐波电压信号计算转速，用该 转速与无速度传感器控制中的估计转速比较，用这个误差来进行转子电阻的辨识， 但由于低速下转子齿谐波电压微弱，检测困难，限制了这种方法在低速下的应用。 文献【3 0 】通过在电机的转子磁通轴上加低频脉动的电流使得转子磁通幅值产 生波动，实现转子电阻和转速的同时辨识。 文献 3 1 1 在加减速过程中磁通幅值发生变化时的进行转子电阻的辨识，不需要 额外注入信号。 文献 3 2 】论文中通过对转子磁场定向控制中电压方程式的研究和数学推导。得 出一种可应用于转子磁场定向矢量控制中转子时间常数的测算方法。该方法可消 除转子时间常数算式对定、转子电阻的依赖。 文献 3 3 】论文中提出一种矢量控制中异步电机转子时间常数的在线校准方法。 这种方法是在励磁电流中间歇地叠加窄的负脉冲信号，再根据此叠加脉冲对转矩 的影响来判断转子的磁场定向是否准确，进而校准转子时间常数。 7 文献 3 4 】介绍了一种基于模型参考自适应( m r a s ) 的感应电机转子时间常数 实时辨识方法。根据m r a s 系统中参考模型和可调模型的状态误差调节可调模型 的参数，在线辨识转子时间常数。理论分析证明该算法具有李雅普诺意义下的全 局稳定性。 文献【3 5 】通过分析磁场定向的原理和转子电阻对电流模型磁通观测器的影响， 提出一种基于转子磁场定向的转子电阻辨识方法。 文献 3 6 】论文设计了种基于自校正方法的转子电阻辨识算法。将这种算法与 直接公式法进行了比较。讨论了负载转矩的转速对转子电阻辨识精度产生影响的 原因。并且给出了该辨识算法的适用范围。 在产品中，还有输入电机的热学特性参数以及定转子电阻和温度的关系，通 过热学模型修正电机的定转子电阻，但是如果初始温度不能正确设置，这种方法 需要较长的收敛时间，有时会难以反映电机实际温度分部情况。 1 3 论文研究主要内容 本课题是北京交通大学电气工程学院与辽宁荣信电力电子有限公司合作开展 的科研项目，旨在研究一套异步电机参数自整定的算法，并在硬件实验系统中实 现，最终将算法应用到变频器产品中去。 本文的主要研究内容和章节结构简要说明如下： 第一章引言部分阐述了本文的研究背景，异步电机控制技术的发展，国内外 电机参数自整定及辨识技术的发展和研究现状，以及本文的研究意义与研究内容。 第二章对本文的研究对象异步电机的数学等效模型作了分析，并分析了电机 参数在控制系统中的重要性。 第三章对异步电机参数离线自整定作了深入研究，提出一套参数离线自整定 的算法，包括定子电阻离线辨识、转子电阻与电抗离线辨识，励磁电抗离线辨识 三个部分。 第四章是异步电机参数离线自整定算法实现的硬件平台介绍，包括主电路和 控制电路。 第五章是异步电机参数离线自整定算法的软件实现，给出了此算法详细的程 序流程图。 第六章是异步电机参数离线自整定仿真及实验结果说明。 第七章本文对异步电机参数在线辨识作了理论分析，为本项目后续课题做一 个前瞻性的工作。 第八章对全文做总结，并提出下一步的研究内容。 2 异步电机数学模型及参数重要性分析 2 1 异步电机数学等效模型分析 2 1 1 等效模型 异步电机等效模型是分析电机运行情况的最基本的数学模型，电机参数也是 电机控制理论中最重要的参数。所以分析异步电机等效模型是整个论文工作的开 始。根据基尔霍夫定律，异步电机定子每相所加的电源电压应当等于该电动势的 负值加上定子电流所产生的漏阻抗压降。由于三相对称，故仅需要分析其中的一 相。与定子绕组一样，转子每相绕组亦有电阻和漏抗。因此，可以分别得到定子 一相的等效电路和转子一相的等效电路。经过把转子频率变换为定子频率，转子 的相数、有效匝数变换为定子的相数和有效匝数，就得到了定、转子的等效电路。 图2 - 1 即为异步电机t 型等效电路。 矗s l s lhl r l 1 一s b r s 图2 一l 异步电机t 型等效电路 f i g 2 - 1tm o d e le q u a lc i r c u i to fi n d u c t i o nm o t o r 图中的字母含义如下： 五大基本参数定子电阻足，转子电阻辟，定子电感厶，转子电感厶，励磁电 感厶。 定子漏感厶，转子漏感“，总漏感厶。转子时间常数为乃。它们和基本参数 的关系如下： 丘= 匕山扣厶也 = t ( t 一矗) 母去 协， 9 2 1 2 电机学实验参数测定 要获取一台电机的各项参数，最直接的方法就是对这台电机进行常规电机学 试验，用试验的方法测定其定转子的电阻、电抗、励磁电抗等参数。通过简单的 电机学试验，我们就可以获得等效电路中用到的各项参数。并且，通常我们认为 由常规电机学试验测量得到的电机的参数是准确的，而由其他参数辨识算法得到 的电机的参数都应当与试验得到的参数进行比较，以判断该辨识算法的准确性。 通过常规电机学试验，我们可以测量该t 型等效电路中的定、转子电阻，定、 转子漏抗，励磁电阻和励磁电抗，其中转子各量都已经折合到了定子边。本小节 中我们将仔细给出参数计算的公式，在后面利用变频器做参数离线辨识的章节中 需要用到这些计算公式。常规电机学的试验结果将在本文第6 章中给出，同时与 文中提出的离线自整定算法的实验结果做比较。试验主要分为三个部分，以下将 分别介绍： ( 1 ) 定子电阻r 。测量 测量定子电阻常用的有三种方法。 方法一：直流伏安法。在电机任意两相绕组之间通以低压直流电，测量绕组 上的电压u 和绕组中通过的电流i 大小，被测部分电阻i p u i 。注意计算定子电阻 时，电机绕组是y 形接法还是形接法。由于电机电阻值较小，所以电流表、电 压表的内阻对测量的精确度都会有影响，一般测量电机电阻不采用此方法。 方法二：电桥法测电阻。电桥是测量电阻值精确度比较高的一种设备，且操 作简单。电桥的种类有惠斯通电桥( 单臂电桥) 、开尔文电桥( 双臂电桥) 、非平 衡电桥、交流电桥。 方法三：万用表测电阻。目前市场上好的万用表已经能够达到较高的精度。 测量电机定子电阻可以满足要求。 ( 2 ) 短路试验 短路试验( 堵转试验) 的目的是确定感应电机的漏阻抗。短路试验采用三相 堵转试验，试验连线图如图2 2 所示，并把转子卡住，不使其旋转。如果是绕线式 异步电机，应把转子绕组短路( 鼠笼电机转子本身已短路) 。为了做堵转试验时不 出现过流，应当把加在定子绕祖上的电压降低，一般从u i = o 4 u ，开始，然后逐 渐降低电压。试验时，记录定子绕组加的电压u 、定子电流，r 和定子输入功率眉r 。 l o 图2 - 2 三相短路试验连线图 f i g 2 - 2d i a g r a mo ft h r e ep h a s e ss h o r tc i r c u i tt e s t 异步电动机堵转时，转子速度为零，滑差等于1 ，生吃：0 ，这时等效电路 如图2 - 3 所示： s l l ri f l 图2 - 3 电机短路等效电路 f i g 2 - 3e q u a lc i r c u i to f m o t o rs h o r tc i r c u i t 由异步电机堵转时的等效电路可见，e h s ：z 乞，所以定子电流主要由定、 转子的漏阻抗所限制，l o 0 ，即认为励磁支路开路，忽略铁损耗。由于试验时转 速以= 0 ，机械损耗p 。= o ，定子全部的输入功率量都损耗在定、转子的电阻上， 即： 比= 3 1 1 2 r + 3 1 2 ”r r ( 2 2 ) 由于厶0 ，可以认为j r 2 = 厶= ，。茁，所以 e k = 3 1 1 x 2 ( 尺，+ r ，) ( 2 3 ) 根据短路试验测得的数据，可以算出短路阻抗z k 、短路电阻r k 和短路电抗 z 。：县， 1 1 k 耻毒， ( 2 4 ) 则所求转子电阻即为： r ，= r 女一r s 进一步假设x ，= x ，则 x s t = xr t = x t 2 ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) 在实际应用中，由于对电动机进行堵转比较困难，通常采用单相短路试验代 替三相试验。当电机被加上单相正弦电压时，没有电磁转矩产生，其电磁现象与 三相堵转时基本相同。在电机的两相之间通单相的正弦交流电，使绕组中通过的 电流达到额定，测量定子上的电压、电流和输入的功率，电压和功率除以2 ，折算 成一相绕组的电压和功率，即可计算出电机的短路电阻和电抗。这样得到的结果 和三相堵转试验的结果相差很小，可以忽略不计。 ( 3 ) 空载试验 空载试验的目的是确定异步电机的励磁电阻r 。和励磁电抗x 。从图2 1 的t r 1 一c 、 型等效电路中看出，这时= 巧o o ，等效电路变为图2 4 所示。 r ； l s l r r i x l 图2 _ 4 电机空载等效电路 f i g 2 - 4e q u a lc i r c u i to fm o t o ru n l o a d e d 试验时，电机接到三相电源上空载运行，当电源电压为额定值时，让电动机 运行一段时间，使其机械损耗达到稳定值。用调压器改变加在电动机定子绕组上 的电压，使其从( 1 1 1 2 ) 己，开始，逐渐降低电压，直到电动机的转速发生明 显的变化为止。记录电动机的端电压，、空载电流j 。、空载功率咒和转速n 。 由于异步电动机处于空载状态，转子电流很小，转子损耗可忽略不计。在这 种情况下，认为定子输入的功率只消耗在定子铜损耗31 0 2 r 。，铁损耗艉和机械损耗 p 。中，即： 昂= 瑶足+ 盹+ ( 2 7 ) 1 2 从输入功率r 中减去3 鬈，i ，并用p o 表示，得： 东= 昂一瑶足= 耽+ 岛( 2 8 ) 由于铁损耗p b 可认为与磁密的平方成j 下比，近似的看成为与电动机的端电压 u 2 成正比。这样可以把只与u 2 的关系画成曲线，如图2 5 所示。把图2 5 中曲 线延长与纵坐标轴交于0 ，过o 作一水平线，把曲线的纵坐标分成两部分。由于 机械损耗p 。与转速有关，电动机空载时转速接近同步转速，对应的机械损耗是不 变的数值。即可由过o 的水平线与横坐标之间的部分来表示这部分损耗，其余部 分当然就是铁损耗陬了。 d 口 图2 - 5 乓= f ( u 2 ) 曲线 f i g 2 5c u r v eo fp o - u 2 电机定子加额定电压时，根据空载实验测出的数据厶和p o ，可以计算出 z 。2 等“。等确= 厅可 ( 2 - 9 ) 式中昂是测得的三相功率，厶、u 分别是相电流和相e g - 压, 。于是励磁电抗 x m = x o l( 2 1 0 ) 2 2 异步电机矢量控制对电机参数的要求 2 2 1 异步电机控制理论对参数精确性的要求 在矢量控制系统中，控制系统是建立在d - q 旋转坐标系中的。电流准确定 向在磁链的方向上并且电流与其呈垂直关系，这些在矢量控制中是至关重要 的。磁链定向是否准确在很大程度上取决于所使用电机参数的精确度。 本节由异步电机的数学模型出发，经过坐标变换，得到异步电机在任意旋转 坐标系中的等效两相电机模型，说明控制系统与电机参数的关系。 定转子电压方程： us g = rs is g + p 、i s g + j 国g w 喀 1 0 = 尺，i 倡+ p v 倡+ 0 9 一国，倡 定转子磁链方程： i 、l ，昭= l s i 踞+ 。i 噶 【v 值2 l r i ，g + 三。i 蹭 电磁转矩表达式： 。三，z ，f l m 咿驴知等 护啉) 由磁链方程等价推导出定子磁链和转子电流的表达式： 、i ，昭i 爹v ：- 仃i 路 。2 。4 ， 驴竽 v 一 代入电压方程消去定子磁链和转子电流，得到不含定子磁链和转子电流的任 意旋转坐标系下的电机电压方程： u蹭i，bi路+lpi蹭+，g乞i蹭+每pv愕+g乏v倡。2。5，l 。2 等一下m i s 窖+ p 、- ，增圳( 1 ) g - - c o r 帆 一 在转子磁场定向的条件下有：缈g = q ，y 耐= g ，5 f ，唧= 0 ，代入上面式( 2 - 1 5 ) ， 得到转子磁场定向坐标系中的异步电机模型： 定转子电压方程( 标量形式) 为： 1 4 d 芍 0 0 0 q p q us d = 吼+ 吐s p i s d + 鼍p l r - - o ) s t ：r z s i s q 甜田2 厶+ ? 如+ 织c 等p ”+ 吐u 。2 舶， o 一一扣专。一， 一 。= 等+ b 1 ) 虬 电磁转矩表达式： 乙= 扣钞。 ( 2 - 1 7 ) 从以上公式中可以看到，在矢量控制系统中，磁链定向、电流控制和电磁转 矩的控制都是在准确知道电机参数的基础上完成的。 2 2 2 异步电机参数变化对控制性能的影响仿真分析 经过上面的数学推导，得到了控制系统中控制量与各个电机参数的定量关系。 本小节利用计算机仿真软件，说明参数变化对控制系统性能的影响。仿真使用 m a t l a b s i m u l i n k 软件，利用系统内d e m o s 自带的矢量控制仿真模型( 如图2 6 ) ， 观察比较在电机参数发生变化时，电流和电流0 的变化情况，如图2 - 7 所示。 二j e 丛尘塑厶堂熊生、兰 曼垒塞 壁坐! 丛：i 丝! 羔拯型缝垄丝亟竖世公近 v e c t o rc o n t r o lo fav a r i a b l e f r e q u e n c yi n d u c t i o nm o t o rd r i v e c o n 矗j n t c 0r l 对j n t i 。f - 卜弋。隧鬻缓霾瀚旷尸h 1 2 0 n 。 i 煳峨蝴城i 蜷j 戮鞘c 叶一广 o f q i j 6 t o r q u e r e f er e n c e s 矗p 嚣e n 。p s e l e c t i o n s p e e d ( nm ) s e e c t i o n ( r a d s ) i _ j ，_ 啊 -黧 j j ，j 毫太0 j -一 一毒聪1 n 。 鬻 t j 酞o ，胪一 1 l + 黛妻型。c 。 r l d i j n i o n o t o f1 0 e tr i v e _ r t er 5 0h p ，4 8 0 v v a b s c o p e l l u m 。： 一冈- 豳 r i l a b c ( 豳 ( r o t o rs p e e d ( w i n ) l 刮 ( r r 4 0 r s p e e d 咖m p 圈 b e c t r o m a g r , h i ct o r q u et er 附m ) ) 。 _ d ；s c e t e 叫i 忙 _ t s 22 e0 0 b ! - 翮 图2 - 6 变步负异步l i i 机欠垃控制横，性图 v d c 盯8 0 f i g 2 6v e c t o rc o n t r o lo fav a r i a b l e f r e q u e n c yi n d u c t i o nm o t o rd r i v e 一 一 一 - - 厂 i 一 - 。一 i 一j 。 。 | 0 _ - 。 一 。 一 a ) i 芒fi 乜阱lr ，= 0 0 8 7 ，转f 【乜1 5 r ，j 0 2 2 8 1 6 e ! 窒道厶：羔亟土堂立迨塞牲垄! 丛塑i 塑当兰搓型丛叁堑堕堡：眭坌型i 蓐 一 一。o j一 ( b ) 定f l 乜阻r = 0 3 8 7 ，转r , l d 5 hr ，= 0 5 2 8 c ) 芷n lr 。= o 5 8 7 ，转于i 也j ：且r r = 0 7 2 8 图2 7 电流i 出和电流i 。，仿真波形 ( 横坐标单化为时问杪，纵坐标单何为安培) f i g 2 - s i m u l a t i o nw a v eo fi 1 7 s a n diz s ( a b s c i s s au n i t ss e c o n d ，o r d i n a t eu n i t sa m p e r e ) 本文j ：1o - - 饨b j 剑在欠鼠控制系统巾，控制系统足建立存d - q 旋转6 垒标系中的。电 流j 小准确定向在磁链t - ，的方向一1 - 并且电流j 。与其呈垂直笑系，这些存矢量控制巾 j 土今父瞳要| ， 勺。磁链j 芒向是7 i 准确征很大程度卜取决于所 , 史j - f j u 机参数的精确度。 卜仿f 吖f m i 定了电感l ，和转子电感，不变的情况卜i ，改变r 1 机定f 电 阻凡，垌i 转rl f i 凡，的参数，从而观察比较电机空载起z 圳乜流i 以刷j 。，。为了看到 的效泶“脱l yj ! j 点，叭值变化较人。图2 7 ( a ) 一t ll f _ ! - 机参数和控制环m ，使j f j 的参 数1 1 l 川，所以 乜流i 出和i 。满足电机宅载起动的条件，运行稳定；图2 - 7 ( b ) 和( c ) 7 中由于电机参数发生较大变化，电流k 和0 明显出现较长时间的不稳定，电流么 和f 秘不能完全解耦，导致磁场定向不准，输出转矩不稳定，影响电机j 下常起动。 2 3 本章小节 本章分析了异步电机的数学等效模型，介绍了常规电机学试验测定电机参数 的方法，得到电机的