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(dòng)檢測(cè)技術(shù)與儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，桂林 541004)

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基于矢量控制的異步電機(jī)參數(shù)離線辨識(shí)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(dòng)檢測(cè)技術(shù)與儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，桂林 541004)

在常規(guī)電機(jī)參數(shù)辨識(shí)中需要額外設(shè)備和電機(jī)堵轉(zhuǎn)，實(shí)際應(yīng)用不方便。提出了一種基于矢量控制的電機(jī)參數(shù)離線辨識(shí)方法，該方法通過(guò)設(shè)定勵(lì)磁電流、轉(zhuǎn)矩電流和磁鏈角對(duì)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠減小由死區(qū)、三相電阻不對(duì)稱(chēng)等因素造成的辨識(shí)誤差，辨識(shí)結(jié)果應(yīng)用到矢量控制系統(tǒng)中，實(shí)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(shí)

0 引 言

自矢量控制提出以來(lái)，異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能得到迅速地發(fā)展，能夠達(dá)到和直流電動(dòng)機(jī)相媲美的調(diào)速性能。但是由于矢量控制自身對(duì)電機(jī)參數(shù)的依賴(lài)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(jī)參數(shù)。

常見(jiàn)電機(jī)參數(shù)的測(cè)量主要分為離線辨識(shí)和在線辨識(shí)[1]。在線辨識(shí)，常見(jiàn)的有擴(kuò)展卡爾曼濾波和最小二乘法，在進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)前需要對(duì)電機(jī)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行詳細(xì)的預(yù)處理，并且需要測(cè)量實(shí)時(shí)電壓、電流值，對(duì)硬件要求較高。常規(guī)的離線辨識(shí)策略就是利用直流實(shí)驗(yàn)、堵轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)以及空載試驗(yàn)來(lái)獲取電機(jī)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(shí)際場(chǎng)合[2-3]。

當(dāng)前常用的一種方法是對(duì)傳統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)進(jìn)行改進(jìn)，即利用控制器產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)電源來(lái)實(shí)現(xiàn)直流、堵轉(zhuǎn)和空載試驗(yàn)[4-6]。但是這種方法需要單獨(dú)編寫(xiě)測(cè)試程序，實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，未能充分利用矢量控制系統(tǒng)，并且在測(cè)試中需要改變硬件接線方式。本文通過(guò)對(duì)矢量控制進(jìn)行詳細(xì)的分析，給定特定的定子勵(lì)磁電流、轉(zhuǎn)矩電流和磁鏈角，經(jīng)過(guò)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(jī)的直流實(shí)驗(yàn)、單相電源堵轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)以及開(kāi)路實(shí)驗(yàn)，采用這種方式能夠充分利用矢量控制系統(tǒng)，操作方便，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。

1 異步電機(jī)參數(shù)離線辨識(shí)原理

1.1 矢量控制總體方案

異步電機(jī)的矢量控制就是采用坐標(biāo)變換的方式實(shí)現(xiàn)類(lèi)似直流電機(jī)一樣的控制性能。以產(chǎn)生同樣的磁動(dòng)勢(shì)為原則，經(jīng)過(guò)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(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)。

在整個(gè)控制過(guò)程中，矢量控制交流框圖如圖1所示。首先，通過(guò)采集三相異步電動(dòng)機(jī)的三相電流經(jīng)坐標(biāo)變換得勵(lì)磁電流im和轉(zhuǎn)矩電流it。

圖1 矢量控制系統(tǒng)框圖

同時(shí)，通過(guò)編碼器測(cè)電機(jī)當(dāng)前速度ω，通過(guò)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(guò)PI調(diào)節(jié)達(dá)到了對(duì)磁鏈和轉(zhuǎn)速的獨(dú)立控制。最后再經(jīng)過(guò)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(jī)。

1.2 電機(jī)定子電阻測(cè)試

(1)

再經(jīng)過(guò)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(cè)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(shí)間；ton和toff分別為上升和下降死區(qū)時(shí)間。

利用矢量控制的電流采樣和坐標(biāo)變換實(shí)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(jī)定子端的電壓和電流值，如圖2所示。

圖2 定子電阻測(cè)試實(shí)驗(yàn)框圖

通過(guò)設(shè)定兩次不同勵(lì)磁電流值，利用兩次電壓和電流差計(jì)算，消除開(kāi)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(cè)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(cè)量和第二次測(cè)量的脈寬時(shí)間；ton和toff分別為上升死區(qū)時(shí)間和下降死區(qū)時(shí)間。

考慮到三相電阻值存在不同的情況，故可以不改變勵(lì)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(lái)消除三相電阻不對(duì)稱(chēng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。以磁鏈角為120°為例，經(jīng)過(guò)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(cè)量電阻不同。當(dāng)磁鏈角為240°時(shí)可以達(dá)到類(lèi)似的結(jié)果。這樣可以實(shí)現(xiàn)消除定子三相電阻值的不同對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

1.3 電機(jī)定轉(zhuǎn)子漏感測(cè)試

對(duì)三相異步電機(jī)進(jìn)行單相電源測(cè)試辨識(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻和定、轉(zhuǎn)子漏感。

向電機(jī)中注入單相電源，采用同電機(jī)定子測(cè)試類(lèi)似的方法，設(shè)定勵(lì)磁電流im為50 Hz的正弦信號(hào)im=Urefsin(ωt)，it=0，磁鏈角φ=0；經(jīng)過(guò)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(guò)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(hào)，根據(jù)電機(jī)原理容易得到如圖3所示的等效和簡(jiǎn)化電路。

(a)等效電路(b)簡(jiǎn)化電路

圖3 單相電源下電機(jī)等效電路

待電流穩(wěn)定后測(cè)量計(jì)算得電壓有效值U，電流有效值I，電壓電流相位差θ。通過(guò)等效簡(jiǎn)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(duì)電流進(jìn)行PI調(diào)節(jié)避免了產(chǎn)生電流過(guò)流現(xiàn)象，同時(shí)也保證輸出的單相電源的穩(wěn)定性。

通過(guò)前面公式，在進(jìn)行計(jì)算中我們需要知道當(dāng)前通入電機(jī)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(jì)算電壓電流間相位差。

采用和上節(jié)類(lèi)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(shí)現(xiàn)消除三相不對(duì)稱(chēng)的影響。

1.4 電機(jī)互感測(cè)試

采用空載試驗(yàn)進(jìn)行電機(jī)互感Lm的測(cè)試。同樣是采用矢量控制的方法，設(shè)定勵(lì)磁電流im=im，it=0，磁鏈角φ成正弦方式下變化,即φ=ω0t；此時(shí)經(jīng)過(guò)矢量坐標(biāo)變換得：

(10)

最終經(jīng)過(guò)逆變器產(chǎn)生三相交流電。三相異步電機(jī)的空載試驗(yàn)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(kāi)路，等效電路如圖4所示。

(a)等效電路(b)簡(jiǎn)化電路

圖4 空載試驗(yàn)下電機(jī)等效電路

待電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后，測(cè)量電機(jī)的相電壓U和相電流的有效值I以及兩者相位差θ。

通過(guò)等效電路得到總電抗：

(11)

互感：

(12)

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

具體通過(guò)圖5來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖5 空載實(shí)驗(yàn)框圖

2 電機(jī)參數(shù)離線辨識(shí)實(shí)驗(yàn)及分析

2.1 控制器硬件驗(yàn)證平臺(tái)

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(jì)的控制器硬件平臺(tái)進(jìn)行離線參數(shù)辨識(shí)的驗(yàn)證。本系統(tǒng)主要包括核心控制板、驅(qū)動(dòng)和逆變電路板、電流電壓檢測(cè)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(jī)的通信，利用前文中提到的方法產(chǎn)生所需的PWM控制信號(hào)；驅(qū)動(dòng)和逆變電路板主要對(duì)PWM信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)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(jī)中，本電路中還包括故障信號(hào)的檢測(cè)和保護(hù)。電流電壓檢測(cè)電路板主要是對(duì)兩路電流信號(hào)進(jìn)行調(diào)理并送到AD轉(zhuǎn)換引腳，以及對(duì)電源電壓的檢測(cè)部分。

本次測(cè)試的實(shí)驗(yàn)電機(jī)是KDS公司生產(chǎn)的叉車(chē)行進(jìn)電機(jī)YDQ1.1-4-4820，額定電壓為16V，額定電流為64A，額定功率為1.1kW?？刂破鱀SP的系統(tǒng)時(shí)鐘為150MHz，PWM調(diào)制頻率為15kHz。

2.2 電機(jī)定子電阻測(cè)試實(shí)驗(yàn)

按照前文描述的方法進(jìn)行直流測(cè)試實(shí)驗(yàn)，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(shí)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(shí)并不影響最終結(jié)果的，由于電機(jī)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(gè)測(cè)試中，我們需要注意電機(jī)過(guò)流的問(wèn)題。設(shè)定勵(lì)磁電流應(yīng)不大于額定電流的1/3，否則有可能會(huì)燒壞電機(jī)。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(cè)試實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同磁鏈角下定子電阻測(cè)量值

2.3 電機(jī)定轉(zhuǎn)子漏感測(cè)試實(shí)驗(yàn)

按照前文描述的，對(duì)電機(jī)進(jìn)行測(cè)試，此時(shí)A相與同電位的B相、C相間為正弦電源。試驗(yàn)中，待電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后采樣256點(diǎn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用FFT計(jì)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(shí)定轉(zhuǎn)子漏感Lsl=Lrl=5.42 mH。

在進(jìn)行單相電源實(shí)驗(yàn)時(shí)，同樣需要考慮電流過(guò)流的問(wèn)題，設(shè)定勵(lì)磁電流的幅值不應(yīng)超過(guò)額定電流的三分之一。圖8為單相電源實(shí)驗(yàn)時(shí)A，B相電壓和A相電流的實(shí)時(shí)采樣波形。

圖8 A，B相電壓波形與A相電流波形

2.4 電機(jī)互感測(cè)試實(shí)驗(yàn)

按照前文描述的，根據(jù)式(11)～式(13)辨識(shí)定轉(zhuǎn)子間互感為L(zhǎng)m=197.85 mH。圖9和圖10分別為空載試驗(yàn)時(shí)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)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(shí)驗(yàn)

采用本文的方法測(cè)量的電機(jī)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(shí)時(shí)曲線?？梢钥吹?，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(yǔ)

本文采用矢量控制方法，通過(guò)設(shè)定特定的勵(lì)磁和轉(zhuǎn)矩電流以及磁鏈角，經(jīng)過(guò)矢量坐標(biāo)變換得出逆變器輸出相應(yīng)電源，進(jìn)而測(cè)量了三相異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)，該方法能夠有效減小三相電阻不對(duì)稱(chēng)等因素造成的辨識(shí)誤差，且不需要改變硬件連接方式。在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)此種方法可以方便地獲取準(zhǔn)確的電機(jī)參數(shù)，能夠滿足矢量控制系統(tǒng)的要求。

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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(dòng)檢測(cè)技術(shù)與儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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?yàn)橹悄芸刂疲姍C(jī)控制技術(shù)。