CN101694985A - 直线感应电机在线参数辨识方法 - Google Patents

Abstract

直线感应电机在线参数辨识方法，在间接磁场定向控制下，实现电机励磁电流与推力电流分量的闭环控制，并使励磁电流与推力电流分量相等。通过在线辨识算法，调整电机控制器中所用的次级时间常数值，改变控制器中给定的电机滑差频率及同步频率，使磁场定向的同步角度得到调整，在负载力矩保持恒定的稳态运行条件下，搜寻电机输入电流的最小值，使电机控制器中所用的次级时间常数逼近电机的次级时间常数真实值，实现电机次级时间常数的在线辨识。本发明可实现准确的直线感应电机间接磁场定向控制，不依赖于其它难以在线准确掌握的电机参数，能够避免边端效应、参数变化等对控制性能的影响，无需电机的输入电压分量，提高了参数在线辨识系统的实用性。

Description

直线感应电机在线参数辨识方法

技术领域

本发明主要涉及直线感应电机控制领域，提出电机次级时间常数的一种在线辨识方法。该方法也可适用于旋转感应电机的在线辨识控制算法中。

背景技术

直线感应电动机是一种普遍运用的直线电机，能够直接产生直线机械运动。但由于结构特殊，存在边端效应，电机参数在运行中发生变化，导致磁场定向不准确，控制效果变差，需要通过在线辨识的方法实时掌握电机参数。Z.R.Zhang等人在文献LIM dynamicperformance assessment from parameter identification.(IEEE Industry applicationssociety annual meeting，Vol.1，Aug，1993：295-300.)中提出了一种直线感应电机的参数在线辨识算法，对电机动态性能进行评估。该算法实时测量电机端口的电压、电流，采用硬件电路计算基波分量，得到电机的动态阻抗，然后利用参数辨识算法实时更新励磁电感L_m和次级电阻R₂。但是其提出的算法是基于电机稳态模型的，而且需要实时计算电压、电流的基波分量，误差较大，应用不方便。

间接磁场定向控制是一种高性能的电机控制策略，能够实现磁链与转矩的解耦控制，具有良好的动静态特性。在旋转电机的间接磁场定向控制中，转子磁链角度计算的准确性受转子时间常数影响很大(“转子”对应为直线感应电机中的“次级”)，如果控制器中所用的转子时间常数与实际电机的不同，将导致磁链角度计算错误，磁场定向发生偏差，使励磁与转矩电流分量之间产生耦合，电机动态特性变差，损耗增加。实际上，在电机运行中，电机内转子温升会导致转子电阻值发生变化，磁饱和效应也会改变电机电感以及转子时间常数，从而使磁链角度计算错误，磁场定向发生偏差。因此，采用在线参数辨识，克服运行条件造成参数变化的不利影响是旋转电机控制领域的重要研究课题，逐渐成为研究热点。

S.Wade等人在文献A new method of rotor resistance estimation forvector-controlled induction machines(IEEE Trans on Industry Electronics.，Vol.44(2)，1997：247-257)中通过施加励磁电流分量短脉冲，判断转矩电流分量的变化来辨识，缺点是收敛时间较长。K.T.Hung与R.D.Lorenz.在文献A rotor flux error-basedadaptive tuning approach for feedforward field oriented induction machine drives(Industry applications society annual meeting，Vol.1，IEEE 1990：589-594)中根据观测磁链的q轴分量是否为零来判断转子时间常数是否正确，该方法计算复杂，而且对参数依赖性很大。J.K.Seol与S.K.Sul在文献Induction motor parameter tuning for highperformance drives(IEEE Trans on Industry Application.Vol.37(1)，2001：35-41)中利用空载时转速调节器输出是否为零作为转子时间常数是否准确的判据，无法在线自动辨识，需要人为干预判断。K.Tungpimolrut与F.Z.Peng等人在文献Robust vector control ofinduction motor without using stator and rotor circuit time constant.(IEEE Transon Industry Applications Vol.30(5)，1994：1241-1246)中通过电机电压、电流计算能量函数，采用简单的PI调节器辨识转子时间常数。计算基波电压需要低通滤波器，计算能量函数时还需要其他电机参数。A.B.Razzouk等人在文献Implementation of DSP based realtime estimator of induction motors rotor time constant(IEEE Trans on PowerElectronics，Vol.17(4)，2002：534-542)中采用推导的公式计算转子时间常数，不需要迭代，不产生发散，但是公式中参数较多，不适合进行在线辨识，而且会影响辨识结果。M.W.Degner等人在文献Slip gain estimation in field oriented controlled inductionmachines using the system transient response(IEEE Trans on Industry applications，Vol.42(3)，2006：702-711)中根据给定电压动态响应趋势辨识转子时间常数。在给定转矩变化时，通过判断电压的瞬态过程时间是否缩短来在线辨识转子时间常数，该方法能够自动搜索，需要采用窗函数滤波来获取准确的定子电压量。M.W.Degner已申请美国专利Methodand system for rotor time constant tuning in indirect field oriented control(专利号6566840B1，May20，2003)与Method and system for controlling torque in a powertrain that includes an induction motor(专利号6646412B2，Nov.11，2003)。Vecchiotti等人申请的美国专利Automatic fine-tuning of rotor time constant and magnetizingcurrent in field-oriented elevator motor drive(专利号5909018，Nov.11，2003)根据电梯上下运行时电压分量的变化对转子时间常数进行在线辨识。

上述已有文献或专利中的方法有的依赖于电机励磁电感、漏感、电阻等其它电机参数，而这些参数的在线准确掌握本身就很困难。有的计算复杂，不利于在线实施。而且大多数是基于电压分量的计算方法，由于变频器驱动电机的电压为PWM波，获得准确的电压基波分量较为困难。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的计算复杂、依赖其它难以在线准确掌握的电机参数以及电机电压测量误差较大等缺点，提出一种直线感应电机次级时间常数在线辨识方法。本发明能够在线辨识直线感应电机的次级时间常数，实现准确的间接磁场定向控制。本发明不依赖于电机其它难以在线准确掌握的参数，不需要电机的电压分量，采用相对简单且易于实现的在线方法，从而提高了在线辨识系统的实用性。

本发明在直线感应电机的间接磁场定向控制下，用以下滑差频率方程计算次级磁场定向控制中电机滑差频率：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sl}}=\frac{1}{T_2}\frac{I_{q1}}{I_{d1}}---\left(1\right)$

式中，I_d1为电机初级励磁电流、I_q1为推力电流分量、ω_sl为电机滑差频率、T₂为次级时间常数。

然后按下述公式(2)将由式(1)计算得到的电机滑差频率ω_sl与由电机线速度转换得到的转速角频率ω₂求和，积分后得到同步角度θ，即次级磁链角度。

θ＝∫(ω₂+ω_sl)dt                         (2)

式中：ω_sl为滑差频率，ω₂为转速角频率。

经同步变换(三角坐标变换)将电机电流分解为励磁电流与推力电流分量，实现磁场定向控制：进行电机励磁电流I_d1与推力电流分量I_q1的闭环控制，并且使励磁电流I_d1与推力电流分量I_q1相等。再经过PI控制调节，得到逆变器输出电压矢量，然后进行PWM调制，由逆变器输出相应的交流电压驱动电机运行。同时，通过在线辨识算法，调整电机控制器中所用的次级时间常数值，改变电机控制器中给定的电机滑差频率以及同步角频率，使次级磁场定向的同步角度θ得到调整，在负载力矩保持恒定的稳态运行条件下，电机输入电流随同步角度θ的调整而变化，在搜寻电机输入电流最小值的过程中，辨识电机控制器中使用的次级时间常数，使该时间常数逼近电机中的时间常数真实值，实现参数在线辨识。

辨识算法采用一维全局寻优搜索算法搜寻电机电流的最小值，进行次级时间常数辨识。首先判断电机速度是否稳定，当速度稳定后，在负载条件不变的条件下，电机输出力矩恒定，此时开始采用辨识搜索算法，寻找电流分量的最小值，调整给定次级时间常数。根据磁场定向控制中滑差频率方程(1)可知，当励磁电流与推力电流给定分量相等时，调节次级时间常数也就是调节电机滑差频率，从而调整了电机次级磁场定向的同步角度。此时，为得到一定的输出力矩，电机输入电流将发生变化，在负载力矩保持恒定的稳态运行条件下，搜寻电机输入电流的最小值，使电机控制器中所用的次级时间常数逼近电机的时间常数真实值，实现电机次级时间常数的在线辨识。

附图说明

图1磁场定向方式下的相量图；

图2次级磁链定向角度滞后的相量图；

图3控制框图；

图4辨识算法流程图；

图5搜索算法流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

本发明基于以下原理：

直线感应电机次级磁场定向方式下的稳态相量图如图1所示。定义初级电流夹角γ，且arctanγ＝I_q1/I_d1，其中I_q1为初级推力电流分量，I_d1为初级励磁电流分量。定义电机次级回路阻抗角φ₂，且

ω_sl滑差频率，L₂次级电感，R₂次级电阻。

由于初级电流相量I_dqs在次级回路中的感应电势为-jω_slL_mI_dq1，空间滞后电流相量90度，j为复数算子，L_m为电机励磁电感，I_dq1为初级稳态电流相量。当满足

的关系，即保持滑差频率

的磁场定向条件时，初级电流夹角γ等于次级回路阻抗角φ₂，即γ＝φ₂，此时次级电流相量I_dq2位于q轴负半轴上，I_dq2＝I_q2，I_d2＝0，I_d2为次级电流d轴分量，I_qr为次级电流q轴分量。根据相似三角形原理，可得L_mI_q1＝-L_rI_q2，即次级磁链ψ_q2＝L_mI_q1+L_rI_q2＝0，在q轴上没有分量。可见准确的次级时间常数是满足磁场准确定向的条件。

电机参数不准确将导致次级回路阻抗角

发生变化，使磁场定向条件遭到破坏。如图2所示，如果初级电流以及电机控制器中磁场定向角度不变，则次级电流相量I_dq2不再位于q轴负半轴上，次级磁链将不只有d轴分量，初级电流分量在两个实际的次级磁链轴系上均有投影，不再具有解耦控制的特性。如果给定的次级时间常数大于实际次级时间常数，给定次级磁链的角度将滞后于实际次级磁链角度。定义给定次级磁链角度与实际次级磁链角度之间的偏差为δ，则根据电机相量关系。定义电机内实际磁链d轴为d^/，q轴为q^/，给定与实际励磁轴d-d^/之间偏差角δ为正。如果给定次级时间常数大于实际值，则给定次级磁链d轴滞后于实际的励磁d^/轴，偏差角δ为负，分析方法类似。

在给定dq坐标系中，d轴励磁电流分量I_d1＝I_mcosγ＝I_mcos(φ_r+δ)，q轴推力电流分量I_q1＝I_msinγ＝I_msin(φ_r+δ)，I_m为电流相量幅值。在实际的次级磁链坐标系中，励磁电流分量式中字母有上撇号^/的变量表示实际值，无上撇号的变量表示电机控制器内的给定值。

推力电流分量

稳态时次级磁链

可见当磁链存在偏差角度δ时，电机的实际励磁水平也会发生变化。变化量与磁链偏差角度δ有关。

电机实际的电磁推力F^/(此时磁链存在偏差角度)为

$F^{/}=\frac{3\mathrm{\π}}{2\mathrm{\τ}}\frac{L_m}{L_r}{\mathrm{\ψ}}_{d2}^{/}{i}_{q1}^{/}=\frac{3\mathrm{\π}}{2\mathrm{\τ}}\frac{L_m^2}{L_r}{I}_m^2\cos {\mathrm{\φ}}_2\sin {\mathrm{\φ}}_2---\left(3\right)$

式中，τ为直线电机极矩。

次级磁链正确定向时电机推力

$F=\frac{3\mathrm{\π}}{2\mathrm{\τ}}\frac{L_m}{L_r}{\mathrm{\ψ}}_{d2}{i}_{q1}=\frac{3\mathrm{\π}}{2\mathrm{\τ}}\frac{L_m^2}{L_r}{I}_m^2\cos \mathrm{\γ}\sin \mathrm{\γ}---\left(4\right)$

根据给定电流分量计算的电磁推力与实际电磁推力之比为

$\frac{F^{/}}{F}=\frac{\sin 2{\mathrm{\φ}}_2}{\sin 2\mathrm{\γ}}---\left(5\right)$

从而可以通过判断不同偏差角度的三角函数关系分析电磁推力发生的变化，磁链角度偏差时实际推力发生的变化如表1所示。

表1磁链角度偏差时实际推力发生变化规律

由表1可见，如果两个电流分量I_d1、I_q1不相等，在次级磁链角度超前、滞后实际磁链角度时，电磁推力有时增大，有时减小。只有当电机励磁电流分量与推力电流分量相等，即I_d1＝I_q1时，次级磁链角度产生正或者负的偏差都会导致动态推力下降。因此，保持励磁电流分量与推力电流分量相等，如果磁场定向准确，则此时电机产生推力最大。

基于这一原理，本发明提出了次级时间常数在线辨识方法：

当外加负载力矩保持恒定，即电机处于稳态时，调整次级时间常数，计算滑差频率与次级磁链的同步角度，当磁场准确定向时，此时电机输入的电流最小，从而得到准确的次级时间常数。本发明方法的特点是保持励磁电流分量与推力电流分量相等，即I_d1＝I_q1，通过在线辨识算法改变次级时间常数与同步角度，搜索次级时间常数的准确值，实现参数辨识。

包含本发明方法的间接磁场定向基本控制系统框图如图3所示，该控制系统由磁场定向控制与参数辨识系统组成。直线电机速度给定值为v^*，与测量得到线速度v差值经PI调节器输出，得到推力电流分量给定值I_q1 ^*。传统磁场定向控制中，还需要独立控制励磁电流分量I_d1 ^*，转速角频率ω_r由测量线速度v转换得到。本发明方法中，励磁电流分量给定I_d1 ^*保持与推力电流分量I_q1 ^*相等，由于辨识方法不必要在电机满载下进行，可以根据电机额定电流进行确定，因此不会超出电流限值。得到励磁、推力电流分量后进行PI闭环控制，得到电压矢量，经PWM调制输出控制逆变器驱动电机，这一部分与传统的磁场定向控制系统相同。在旋转坐标的同步角θ的计算中，根据滑差频率与测量电机速度得到的转速角频率之和积分，根据公式(2)求得同步角度θ，完成电压、电流矢量的同步旋转变换。这一过程中的关键是计算滑差频率，本发明对其中次级时间常数T₂进行在线辨识。

辨识算法流程图如图4所示。该算法是本发明方法的核心，采用一维全局寻优搜索算法搜寻电机输入电流的最小值，进行次级时间常数辨识。首先，判断电机速度是否稳定，速度稳定后，当负载条件不变时，电机输出力矩恒定，控制器进入辨识搜索算法，改变给定次级时间常数，由于励磁电流与推力电流给定分量相等，次级磁场定向控制方程中的滑差频率计算式为：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sl}}=\frac{1}{T_2}\frac{I_{q1}}{I_{d1}}---\left(6\right)$

因此，调节次级时间常数也就是调节电机滑差频率，此时电机磁场定向的角度将进行调整，为得到一定的输出推力，电机输入电流发生变化，当磁场定向准确时，电机输入电流最小。本发明方法在给定次级时间常数和滑差频率的初始值时，可以根据直线感应电机的参数进行初步计算，由于辨识算法是自动搜寻参数的准确值，因此初始值设置的准确性不影响辨识结果。

搜索算法框图如图5所示，本发明提出的搜索算法就是寻找电流分量的最小值，比如，当增加电机次级时间常数，即滑差频率减小，电机电流增大时，则下一步搜索减小给定次级时间常数值，反之则继续增加，如此反复进行，可以保证次级时间常数最终逼近实际值。当电流分量搜索误差小于阈值ε时，全局寻优搜索算法结束，完成参数的辨识。

在直线感应电机的间接磁场定向控制系统中，次级时间常数对于控制性能具有决定性的作用，本发明提出了一种直线感应电机次级时间常数在线辨识方法。在满足励磁电流与推力电流分量相等的条件下，参数偏差将使电机稳态推力减小，在电机稳态运行下采用全局寻优算法搜索电机电流最小值，可以实现转次级时间常数在线辨识。该方法在参数给定初始值不准确时，也能够准确辨识直线感应电机的次级时间常数。算法本身不依赖于电机参数，计算简单，收敛性较好，结果准确。

Claims (2)

1.一种直线感应电机在线参数辨识方法，其特征在于，所述方法为根据所述的直线感应电机的励磁电流I_d1与推力电流分量I_q1计算磁场定向控制中直线感应电机的滑差频率ω_sl，测量电机线速度，经变换得到转速角频率，然后将计算得到的滑差频率ω_sl与转速角频率ω₂求和，计算电机同步角频率，积分后得到同步角度θ，即次级磁链角度；再采用同步变换将电机电流矢量分解为励磁电流I_d1与推力电流分量I_q1，对励磁电流I_ds与推力电流分量I_qs进行闭环控制，并使励磁电流I_ds与推力电流分量I_qs相等；经过PI控制调节，得到逆变器输出电压矢量，然后进行PWM调制，由逆变器输出相应的交流电压驱动所述的直线感应电机运行；采用在线辨识算法，调整电机控制器中所用的次级时间常数值，改变电机控制器中给定的电机滑差频率以及同步角频率，使次级磁场定向的同步角度θ得到调整，在负载力矩保持恒定的稳态运行条件下，电机输入电流随同步角度θ的调整而变化，在采用搜寻算法搜索电机输入电流最小值的过程中，辨识电机控制器中使用的次级时间常数，使该时间常数逼近电机中的时间常数真实值，从而实现电机参数在线辨识。

2.按照权利要求1所述的直线感应电机在线参数辨识方法，其特征在于：在所述的直线感应电机速度稳定后，电机负载不再变化条件下，开始启动所述搜寻算法；在输入电流变化量小于预先设置的阈值时，停止搜索，并确定辨识结果。

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