任志斌，曾德墻

（江西理工大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，江西贛州 341000）

異步電機矢量控制系統(tǒng)中，磁場定向是矢量控制策略的最關(guān)鍵所在，而電機參數(shù)的準(zhǔn)確性則是影響磁場定向的一個重要因素。電機參數(shù)偏差嚴重影響系統(tǒng)的控制性能，因此對電機參數(shù)準(zhǔn)確辨識尤為重要。傳統(tǒng)的異步電機參數(shù)測量主要是通過堵轉(zhuǎn)和空載實驗來實現(xiàn)，但在實際應(yīng)用中對電機進行堵轉(zhuǎn)比較困難，且需專門的設(shè)備，存在很大的局限性。因此，人們提出了各種異步電機參數(shù)辨識方法。

現(xiàn)有的辨識方法中（主要有2種：離線辨識和在線辨識），主要是通過基于注入信號的方法獲得電機相應(yīng)的響應(yīng)，SEOK等提出了一種注入階躍信號，并通過檢測電機定子電流時域響應(yīng)的方式來辨識電機參數(shù)［1］；GASTLI等提出了通過注入單相電流信號，進而得到電機參數(shù)的方法［2］；上述方法各有優(yōu)劣，但均要在特定的硬件條件下才能實現(xiàn)。通過離線辨識方法可以獲得電機參數(shù)，但在電機運行過程中，溫度升高，電機參數(shù)也會隨之變化。因此出現(xiàn)了使用遺傳算法，粒子群算法等智能控制方法［3-9］、卡爾曼濾波法［10］以及模型參考自適應(yīng)法［11］應(yīng)用于電機參數(shù)在線辨識的理論。但是，在線辨識方法只能辨識個別參數(shù)，還要通過其他已知的參數(shù)來辨識未知參數(shù)，因此，離線辨識方法是構(gòu)建高性能交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

本文在文獻［2］的基礎(chǔ)上，研究了一種新型簡易的參數(shù)離線辨識方法。實驗中，分別注入單相直流斬波電壓、單相交流電壓以及施加旋轉(zhuǎn)空間電壓矢量，來實現(xiàn)對異步電機各參數(shù)的辨識。本文充分利用SVPWM算法，在此基礎(chǔ)上稍作改變就能產(chǎn)生所需的電壓信號，無需額外的硬件和信號源，易于實現(xiàn)。實驗關(guān)鍵是獲得功率因數(shù)角，如果利用離散傅里葉方法及最小二乘法等方法進行計算，計算公式復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理量較大，往往需要借助于計算機進行處理。本研究基于極坐標(biāo)方法，將電壓和電流信號關(guān)系轉(zhuǎn)化為在極坐標(biāo)系下的關(guān)系，只需要計算出在電流為零時的電壓相位，而電壓的相位通過SVPWM程序可以直接獲得，不需要復(fù)雜的計算過程，很容易就能得到功率因數(shù)角，進而辨識出異步電機各參數(shù)。

1 電壓空間矢量SVPWM

電壓空間矢量SVPWM是近年發(fā)展的一種比較新穎的控制方法，由三相功率逆變器的6個功率開關(guān)管元件組成的特定開關(guān)模式產(chǎn)生的脈寬調(diào)制波［12-15］。圖1所示為電壓型逆變器與三相異步電機的連接方式（星型連接方式）。SVPWM的基本原理就是利用6個開關(guān)管的8種工作狀態(tài)來合成目標(biāo)矢量。

圖1 電壓型逆變器與異步電機的連接圖Fig.1 Connection of voltage source inverter and asynchronous motor

2 基于SVPWM的極坐標(biāo)方法的參數(shù)辨識實驗

2.1 定子電阻辨識——直流斬波實驗

直流斬波實驗是對異步電機加以直流電，由于電感對直流電流不起作用，此時電感相當(dāng)于短路，所測參數(shù)只是定子電阻Rs。等效電路如圖2所示。

圖2 直流斬波實驗等效電路Fig.2 Equivalent circuit diagram of DC chopping test

異步電機的定子電阻為

直流斬波實驗中，保證B，C相下橋臂始終導(dǎo)通，通過控制A相上橋臂IGBT的導(dǎo)通時間，調(diào)節(jié)直流斬波電壓大小。將檢測到的三相電流進行clark（3／2）變換，采用PI調(diào)節(jié)軟件構(gòu)成電流閉環(huán)控制，保證電流的穩(wěn)定，采用圖3的控制結(jié)構(gòu)。

采用SVPWM算法，令θ=0，Us給定為電流調(diào)節(jié)器的輸出。利用直流母線電壓和逆變器三相開關(guān)管狀態(tài)S1，S2，S3進行相電壓重構(gòu)［16-17］。DSP的A／D模塊采樣得到相電流數(shù)字量，根據(jù)所用電流傳感器特性曲線，確定其線性關(guān)系，從而計算出實際的相電流最大值IA，最后由軟件算法計算出定子電阻。

2.2 轉(zhuǎn)子電阻及漏感辨識——單相交流實驗

圖3 直流斬波實驗控制結(jié)構(gòu)Fig.3 DC chopping test control structure

轉(zhuǎn)子電阻和定、轉(zhuǎn)子漏感的辨識是通過單相交流實驗來實現(xiàn)的，并假定轉(zhuǎn)子漏感與定子漏感相等。由于施加單相交流電壓，異步電機處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，考慮到互感Lm較大，流過勵磁回路的電流可以忽略不計，所加電壓基本降落在定、轉(zhuǎn)子漏感和轉(zhuǎn)子電阻上，等效電路如圖4所示。

圖4 單相實驗異步電機等效電路Fig.4 Equivalent circuit diagram of single-phase alternating current test

等效阻抗為

等效電阻為

等效電抗為

定、轉(zhuǎn)子漏感為

式中ω1為電壓基波角頻率；

轉(zhuǎn)子電阻為

單相實驗的控制結(jié)構(gòu)如圖5所示，使B，C相橋臂的控制信號相同，向電機注入單相正弦電壓。

在原有的SVPWM算法基礎(chǔ)上，只需稍作修改，就能產(chǎn)生單相正弦電壓信號，由于Us只能為正，產(chǎn)生正半波電壓時，即θ1=ω1t≤180°，取θ=0°，則電壓矢量Us=Umsinω1t，U1作用，即A相上橋臂導(dǎo)通，B，C相下橋臂導(dǎo)通。當(dāng)產(chǎn)生負半波電壓時，即θ1=ω1t＞180°，取θ=180°，則電壓矢量Us=-Umsinω1t，U4作用，即A相下橋臂導(dǎo)通，B，C相上橋臂導(dǎo)通。

角頻率ω1的計算，則要考慮SVPWM的開關(guān)頻率以及所產(chǎn)生正弦電壓每次疊加的角度，在電壓1／4周期中，假設(shè)每次疊加的角度為1°，則正弦電壓的周期為×T×4，其中T為SVPWM的開關(guān)周期，故角頻率

依據(jù)極坐標(biāo)法，線電壓和相電流的相位關(guān)系如圖6所示，若令I(lǐng)A=Imsin（ω1t-φ）=0，即ω1t-φ=0°或者ω1t-φ=180°，又電壓的相位角θ1=ω1t，則電壓與電流的相位差：

通過軟件算法，在相電流為零時，直接讀取電壓的相位角θ1，就可以得到電壓與電流的相位差φ，即功率因數(shù)角，進而快速求得功率因數(shù)cosφ，大大簡化了計算功率因數(shù)的過程。通過電壓重構(gòu)技術(shù)得到相電壓，在軟件算法中求出線電壓最大值VAB和相電流的最大值IA，辨識出轉(zhuǎn)子電阻及漏感。

圖5 單相實驗控制結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Single-phase alternating current test control structure

圖6 線電壓與相電流相位關(guān)系圖Fig.6 Phase relationship between line voltage and phase current

2 .3 互感辨識——空載實驗

互感辨識由空載實驗來實現(xiàn)。通過逆變器在異步電機定子三相繞組上施加基波頻率為f1的電壓Us，使異步電機空載運行。電機轉(zhuǎn)速基本上接近同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差率s接近于0，電機轉(zhuǎn)子回路相當(dāng)于開路，異步電機的等效電路如圖7所示。

圖7 空載實驗等效電路圖Fig.7 Equivalent circuit diagram of the no-load state test

等效阻抗為

等效電抗為

互感為

空載實驗的控制結(jié)構(gòu)如圖8所示。基于SVPWM技術(shù)，產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場，使異步電機空載運行。

圖8 空載實驗控制結(jié)構(gòu)圖Fig.8 No-load test control structure

電壓矢量為磁鏈圓的切線方向，當(dāng)磁鏈在空間旋轉(zhuǎn)1周，電壓矢量也連續(xù)的按磁鏈圓的切線方向運動2π弧度，若將其參考點放在一起，則電壓軌跡近似為圓，如圖9所示，電壓矢量大小不變，以角頻率ω旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度為θ=ωt，由極坐標(biāo)可知，其在A相的投影近似為一正弦電壓。待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，在相電流為零時，即cos（ωt-φ）=0，得到

讀取此時Us的旋轉(zhuǎn)角度θ，即可以得到相電壓與相電流的相位差φ，進而求出功率因數(shù)cosφ。同時求出相電壓最大值VA和相電流的最大值IA，辨識出互感。

3 參數(shù)辨識結(jié)果

沒有增加任何硬件和測試設(shè)備，利用以TMS320F2812為控制器的實驗平臺，結(jié)合前面提出的控制算法，對1臺參數(shù)未知的異步電機進行實驗研究。異步電機銘牌：額定功率40W；額定電壓24V；額定電流4.2A；額定頻率50Hz；額定轉(zhuǎn)速1 400r／min。

圖9 相電壓與相電流相位關(guān)系圖Fig.9 Phase relationship between phase voltage and phase current

為了減小誤差，在軟件算法中，均采集了多組數(shù)據(jù)求平均值，表格中的相電壓值、相電流值及其相位差均為平均值。

直流斬波實驗辨識結(jié)果如表1所示。

表1 定子電阻辨識結(jié)果Tab.1 Result of stator resistance identification

單相交流實驗辨識結(jié)果如表2所示；空載實驗辨識結(jié)果如表3所示。

表2 轉(zhuǎn)子電阻及漏感辨識結(jié)果Tab.2 Result of stator-rotor stray inductance and rotor resister identification

表3 空載實驗辨識結(jié)果Tab.3 Recognition results of the no-load test

為了驗證該辨識方法的準(zhǔn)確性，用常規(guī)電機學(xué)實驗測量該電機參數(shù)，并與該辨識方法辨識得到的參數(shù)進行比較，如表4所示。

由表4可以看出，基于極坐標(biāo)的電機參數(shù)辨識結(jié)果的誤差較小，在允許的誤差范圍里面，定子電阻稍大的原因可能是直流實驗時，考慮到電流不能過大的情況，所加直流本身并不大，沒有考慮管壓降補償導(dǎo)致的誤差；漏感和互感誤差主要原因是由電壓相位角的離散性所致。實驗所測得的結(jié)果總體上還是達到了目的，取得令人滿意的結(jié)果。

表4 本次實驗辨識參數(shù)與常規(guī)電機學(xué)實驗方法所測參數(shù)的比較Tab.4 Comparison of parameters identified by this experiment and the conventional electric machinery experiment

4 辨識參數(shù)的實驗研究

基于極坐標(biāo)的異步電機新型參數(shù)辨識方法，得到了矢量控制系統(tǒng)所需異步電機所有的參數(shù)：定子電阻Rs=2.504 4Ω，定、轉(zhuǎn)子漏感Llr=Lls=0.015 8H和轉(zhuǎn)子電阻Rr=2.053 0Ω，互感Lm=0.030 6H。

為了進一步驗證參數(shù)辨識結(jié)果的準(zhǔn)確性、可靠性，將辨識的電機參數(shù)應(yīng)用于一個間接轉(zhuǎn)子磁鏈定向異步電機矢量控制系統(tǒng)中，圖10是這次矢量控制系統(tǒng)的實驗波形。

圖10a）和圖10b）分別是在空載條件下，轉(zhuǎn)速為600r／min異步電機的相電流波形和相電壓波形，電流波形逼近正弦波，電壓波形近似為馬鞍波，達到了預(yù)期控制效果。圖10c）是空載條件下控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速階躍響應(yīng)曲線，轉(zhuǎn)速快速達到給定值，并保持穩(wěn)定。圖10d）是電機在加負載時的相電流波形，電機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)后，電流波形幅值保持不變，給異步電機加負載，由于轉(zhuǎn)矩電流分量變大，相電流幅值也隨著增大，并達到一個新的平衡，保持穩(wěn)定。實驗結(jié)果表明，矢量控制系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)、動態(tài)特性。圖10既證明了矢量控制系統(tǒng)正確地實現(xiàn)了磁場定向，也驗證了電機參數(shù)的精確性。

圖10 間接轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制系統(tǒng)實驗結(jié)果Fig.10 Result of an indirect vector control induction machine drive

5 結(jié) 語

在不改變矢量控制硬件系統(tǒng)的條件下，利用極坐標(biāo)方法實現(xiàn)對電機參數(shù)的辨識，具有簡易性和實用性，能夠為高性能控制系統(tǒng)提供較為精確的電機參數(shù)初始值，具有廣泛應(yīng)用前景。應(yīng)當(dāng)指出的是，電機在運行期間，電機電阻參數(shù)會隨溫度而變化，對于精度更高的矢量控制系統(tǒng)而言，異步電機參數(shù)在線辨識方法將是發(fā)展的趨勢。

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