專利名稱：直線感應(yīng)電機(jī)在線參數(shù)辨識方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及直線感應(yīng)電機(jī)控制領(lǐng)域，提出電機(jī)次級時間常數(shù)的一種在線辨識
方法。該方法也可適用于旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電機(jī)的在線辨識控制算法中。
背景技術(shù)：
直線感應(yīng)電動機(jī)是一種普遍運(yùn)用的直線電機(jī)，能夠直接產(chǎn)生直線機(jī)械運(yùn)動。但 由于結(jié)構(gòu)特殊，存在邊端效應(yīng)，電機(jī)參數(shù)在運(yùn)行中發(fā)生變化，導(dǎo)致磁場定向不準(zhǔn)確，控制 效果變差，需要通過在線辨識的方法實時掌握電機(jī)參數(shù)。Z. R. Zhang等人在文獻(xiàn)LIM dyn咖icperformance assessment from parameter identification. (IEEE Industry applicationssociety annual meeting,Vol. l，Aug，1993 :295—300.)中提出了一禾中直線感 應(yīng)電機(jī)的參數(shù)在線辨識算法，對電機(jī)動態(tài)性能進(jìn)行評估。該算法實時測量電機(jī)端口的電壓、 電流，采用硬件電路計算基波分量，得到電機(jī)的動態(tài)阻抗，然后利用參數(shù)辨識算法實時更新 勵磁電感Lm和次級電阻^。但是其提出的算法是基于電機(jī)穩(wěn)態(tài)模型的，而且需要實時計算 電壓、電流的基波分量，誤差較大，應(yīng)用不方便。 間接磁場定向控制是一種高性能的電機(jī)控制策略，能夠?qū)崿F(xiàn)磁鏈與轉(zhuǎn)矩的解耦控 制，具有良好的動靜態(tài)特性。在旋轉(zhuǎn)電機(jī)的間接磁場定向控制中，轉(zhuǎn)子磁鏈角度計算的準(zhǔn)確 性受轉(zhuǎn)子時間常數(shù)影響很大("轉(zhuǎn)子"對應(yīng)為直線感應(yīng)電機(jī)中的"次級")，如果控制器中所 用的轉(zhuǎn)子時間常數(shù)與實際電機(jī)的不同，將導(dǎo)致磁鏈角度計算錯誤，磁場定向發(fā)生偏差，使勵 磁與轉(zhuǎn)矩電流分量之間產(chǎn)生耦合，電機(jī)動態(tài)特性變差，損耗增加。實際上，在電機(jī)運(yùn)行中，電 機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子溫升會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子電阻值發(fā)生變化，磁飽和效應(yīng)也會改變電機(jī)電感以及轉(zhuǎn)子時間常 數(shù)，從而使磁鏈角度計算錯誤，磁場定向發(fā)生偏差。因此，采用在線參數(shù)辨識，克服運(yùn)行條件 造成參數(shù)變化的不利影響是旋轉(zhuǎn)電機(jī)控制領(lǐng)域的重要研究課題，逐漸成為研究熱點。
S. Wade等 人 在 文 獻(xiàn)A new method of rotor resistance estimation forvector-controlled induction machines (IEEE Trans on Industry Electronics.， Vol. 44(2) ，1997 :247-257)中通過施加勵磁電流分量短脈沖，判斷轉(zhuǎn)矩電流分量的 變化來辨識，缺點是收斂時間較長。K. T. Hung與R. D. Lorenz.在文獻(xiàn)A rotor flux error-basedad即tive tuning approach for feedforward field oriented induction machine drives (Industry applications society annual meeting, Vol. 1， IEEE 1990: 589-594)中根據(jù)觀測磁鏈的q軸分量是否為零來判斷轉(zhuǎn)子時間常數(shù)是否正確，該方 法計算復(fù)雜，而且對參數(shù)依賴性很大。J.K.Seol與S.K.Sul在文獻(xiàn)Induction motor parameter tuning for highperformance drives(IEEE Trans on Industry Application. Vol. 37(1) ，2001 :35-41)中利用空載時轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出是否為零作為轉(zhuǎn)子時間常數(shù)是否 準(zhǔn)確的判據(jù)，無法在線自動辨識，需要人為干預(yù)判斷。K. T皿gpimolrut與F. Z. Peng等人 在文獻(xiàn)Robust vector control of induction motor without using stator and rotor circuit time constant. (IEEE Transon Industry Applications Vol. 30 (5)，1994 : 1241-1246)中通過電機(jī)電壓、電流計算能量函數(shù)，采用簡單的PI調(diào)節(jié)器辨識轉(zhuǎn)子時間常數(shù)。計算基波電壓需要低通濾波器，計算能量函數(shù)時還需要其他電機(jī)參數(shù)。A.B.Razzouk 等人在文獻(xiàn)Implementation of DSP based realtime estimator of induction motors rotor time constant(IEEE Trans on PowerElectronics， Vol. 17(4)，2002 :534-542)中 采用推導(dǎo)的公式計算轉(zhuǎn)子時間常數(shù)，不需要迭代，不產(chǎn)生發(fā)散，但是公式中參數(shù)較多，不適 合進(jìn)行在線辨識，而且會影響辨識結(jié)果。M.W.Degner等人在文獻(xiàn)Slip gain estimation in field oriented controlled inductionmachines using the system transient response(IEEE Trans on Industry applications, Vol. 42 (3) ， 2006 :702-711)中根據(jù)給 定電壓動態(tài)響應(yīng)趨勢辨識轉(zhuǎn)子時間常數(shù)。在給定轉(zhuǎn)矩變化時，通過判斷電壓的瞬態(tài)過程 時間是否縮短來在線辨識轉(zhuǎn)子時間常數(shù)，該方法能夠自動搜索，需要采用窗函數(shù)濾波來獲 取準(zhǔn)確的定子電壓量。M. W. Degner已申請美國專利Methodand system for rotor time constant timing in indirect field oriented control (專利號6566840B1, May20， 2003)與Method and system for controlling torque in a powertrain that includes an induction motor (專利號6646412B2, Nov. 11， 2003) 。 Vecchiotti等人申請的美國 專利Automatic fine-tuning of rotor time constant and magnetizingcurrent in field-oriented elevator motor drive (專利號5909018，Nov. 11， 2003)根據(jù)電梯上下運(yùn) 行時電壓分量的變化對轉(zhuǎn)子時間常數(shù)進(jìn)行在線辨識。 上述已有文獻(xiàn)或?qū)＠械姆椒ㄓ械囊蕾囉陔姍C(jī)勵磁電感、漏感、電阻等其它電機(jī) 參數(shù)，而這些參數(shù)的在線準(zhǔn)確掌握本身就很困難。有的計算復(fù)雜，不利于在線實施。而且大 多數(shù)是基于電壓分量的計算方法，由于變頻器驅(qū)動電機(jī)的電壓為P麗波，獲得準(zhǔn)確的電壓 基波分量較為困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的計算復(fù)雜、依賴其它難以在線準(zhǔn)確掌握的電機(jī) 參數(shù)以及電機(jī)電壓測量誤差較大等缺點，提出一種直線感應(yīng)電機(jī)次級時間常數(shù)在線辨識方 法。本發(fā)明能夠在線辨識直線感應(yīng)電機(jī)的次級時間常數(shù)，實現(xiàn)準(zhǔn)確的間接磁場定向控制。本 發(fā)明不依賴于電機(jī)其它難以在線準(zhǔn)確掌握的參數(shù)，不需要電機(jī)的電壓分量，采用相對簡單 且易于實現(xiàn)的在線方法，從而提高了在線辨識系統(tǒng)的實用性。 本發(fā)明在直線感應(yīng)電機(jī)的間接磁場定向控制下，用以下滑差頻率方程計算次級磁 場定向控制中電機(jī)滑差頻率 1 ; 邊',=7"7"
"， (1) 式中，Idl為電機(jī)初級勵磁電流、U為推力電流分量、"sl為電機(jī)滑差頻率、L為次 級時間常數(shù)。 然后按下述公式(2)將由式(1)計算得到的電機(jī)滑差頻率"31與由電機(jī)線速度轉(zhuǎn)
換得到的轉(zhuǎn)速角頻率"2求和，積分后得到同步角度e ，即次級磁鏈角度。
e = / ("2+"sl)dt (2) 式中"d為滑差頻率，"2為轉(zhuǎn)速角頻率。 經(jīng)同步變換(三角坐標(biāo)變換)將電機(jī)電流分解為勵磁電流與推力電流分量，實現(xiàn) 磁場定向控制進(jìn)行電機(jī)勵磁電流Idl與推力電流分量IQl的閉環(huán)控制，并且使勵磁電流Idl
4與推力電流分量Iql相等。再經(jīng)過PI控制調(diào)節(jié)，得到逆變器輸出電壓矢量，然后進(jìn)行P麗調(diào) 制，由逆變器輸出相應(yīng)的交流電壓驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行。同時，通過在線辨識算法，調(diào)整電機(jī)控制 器中所用的次級時間常數(shù)值，改變電機(jī)控制器中給定的電機(jī)滑差頻率以及同步角頻率，使
次級磁場定向的同步角度e得到調(diào)整，在負(fù)載力矩保持恒定的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下，電機(jī)輸入 電流隨同步角度e的調(diào)整而變化，在搜尋電機(jī)輸入電流最小值的過程中，辨識電機(jī)控制器 中使用的次級時間常數(shù)，使該時間常數(shù)逼近電機(jī)中的時間常數(shù)真實值，實現(xiàn)參數(shù)在線辨識。
辨識算法采用一維全局尋優(yōu)搜索算法搜尋電機(jī)電流的最小值，進(jìn)行次級時間常數(shù) 辨識。首先判斷電機(jī)速度是否穩(wěn)定，當(dāng)速度穩(wěn)定后，在負(fù)載條件不變的條件下，電機(jī)輸出力 矩恒定，此時開始采用辨識搜索算法，尋找電流分量的最小值，調(diào)整給定次級時間常數(shù)。根 據(jù)磁場定向控制中滑差頻率方程(l)可知，當(dāng)勵磁電流與推力電流給定分量相等時，調(diào)節(jié) 次級時間常數(shù)也就是調(diào)節(jié)電機(jī)滑差頻率，從而調(diào)整了電機(jī)次級磁場定向的同步角度。此時， 為得到一定的輸出力矩，電機(jī)輸入電流將發(fā)生變化，在負(fù)載力矩保持恒定的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件 下，搜尋電機(jī)輸入電流的最小值，使電機(jī)控制器中所用的次級時間常數(shù)逼近電機(jī)的時間常 數(shù)真實值，實現(xiàn)電機(jī)次級時間常數(shù)的在線辨識。


圖1磁場定向方式下的相量圖；
圖2次級磁鏈定向角度滯后的相量圖；
圖3控制框圖；
圖4辨識算法流程圖；
圖5搜索算法流程圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
進(jìn)一步說明本發(fā)明。
本發(fā)明基于以下原理 直線感應(yīng)電機(jī)次級磁場定向方式下的穩(wěn)態(tài)相量圖如圖1所示。定義初級電流夾角 Y ，且arctan Y = 1^/1『其中Iql為初級推力電流分量，Idl為初級勵磁電流分量。定義電
機(jī)次級回路阻抗角c^，且aretan^ =， 滑差頻率，l2次級電感，r2次級電阻。 由于初級電流相量I一在次級回路中的感應(yīng)電勢為-j"dLmIw，空間滯后電流相
量90度，j為復(fù)數(shù)算子，Lm為電機(jī)勵磁電感，1^為初級穩(wěn)態(tài)電流相量。當(dāng)滿足7^-"^1
々l 火2
的關(guān)系，即保持滑差頻率A;-一》的磁場定向條件時，初級電流夾角Y等于次級回路阻 抗角小2，即Y =小2，此時次級電流相量Idq2位于q軸負(fù)半軸上，Idq2 = Iq2， Id2 = 0， Id2為
次級電流d軸分量，I,r為次級電流q軸分量。根據(jù)相似三角形原理，可得Lm^ = -Lrlf即
次級磁鏈Vq2 = LmIql+LrIq2 = O，在q軸上沒有分量?？梢姕?zhǔn)確的次級時間常數(shù)是滿足磁場
準(zhǔn)確定向的條件。 電機(jī)參數(shù)不準(zhǔn)確將導(dǎo)致次級回路阻抗角A發(fā)生變化，使磁場定向條件遭到破壞。如圖2所示，如果初級電流以及電機(jī)控制器中磁場定向角度不變，則次級電流相量I一不再
位于q軸負(fù)半軸上，次級磁鏈將不只有d軸分量，初級電流分量在兩個實際的次級磁鏈軸系上均有投影，不再具有解耦控制的特性。如果給定的次級時間常數(shù)大于實際次級時間常數(shù)，給定次級磁鏈的角度將滯后于實際次級磁鏈角度。定義給定次級磁鏈角度與實際次級磁鏈角度之間的偏差為S，則根據(jù)電機(jī)相量關(guān)系。定義電機(jī)內(nèi)實際磁鏈d軸為d《q軸為c/，給定與實際勵磁軸d-d/之間偏差角S為正。如果給定次級時間常數(shù)大于實際值，則給定次級磁鏈d軸滯后于實際的勵磁d/軸，偏差角S為負(fù)，分析方法類似。 在給定dq坐標(biāo)系中，d軸勵磁電流分量Idl = Imcos Y = Imcos (t+ S ) ， q軸推力電流分量^ = ImsinY = ImSin((^+S)， Im為電流相量幅值。在實際的次級磁鏈坐標(biāo)系中，勵磁電流分量A =厶,COS必，式中字母有上撇號/的變量表示實際值，無上撇號的變量表示電機(jī)控制器內(nèi)的給定值。 推力電流分量^ =^^11夂，穩(wěn)態(tài)時次級磁鏈^4 =丄乂 -4,/mCO"2 =m/mCOS(y-S)。
可見當(dāng)磁鏈存在偏差角度S時，電機(jī)的實際勵磁水平也會發(fā)生變化。變化量與磁鏈偏差角度S有關(guān)。 電機(jī)實際的電磁推力F"此時磁鏈存在偏差角度)為
3"丄 / ./丄l t2 , . jF =--^二"二' =--^"/: cos^， sin &
(3〉
式中，T為直線電機(jī)極矩。次級磁鏈正確定向時電機(jī)推力
3;r厶
A
根據(jù)給定電流分,sin 2^2
----■ = - - ■' ~~ 一
.3;r《，2^/2^ = T，m cos ，"
2r丄，
計算的電磁推力與實際電磁推力之比為
(4)
sin27 (5) 從而可以通過判斷不同偏差角度的三角函數(shù)關(guān)系分析電磁推力發(fā)生的變化，磁鏈
角度偏差時實際推力發(fā)生的變化如表1所示。 表1磁鏈角度偏差時實際推力發(fā)生變化規(guī)律
次級磁鏈角度滯后實際次級磁鏈角度超前實f^mi
減小增大=々1減小減小
V9l增大減小 由表1可見，如果兩個電流分j鏈角度時，電磁推力有時增大，有時減/J即Idl
Idl、Iql不相等，在次級磁鏈角度超前、滯后實際磁只有當(dāng)電機(jī)勵磁電流分量與推力電流分量相等，Iql時，次級磁鏈角度產(chǎn)生正或者負(fù)的偏差都會導(dǎo)致動態(tài)推力下降。因此，保持勵磁電流分量與推力電流分量相等，如果磁場定向準(zhǔn)確，則此時電機(jī)產(chǎn)生推力最大。
基于這一原理，本發(fā)明提出了次級時間常數(shù)在線辨識方法 當(dāng)外加負(fù)載力矩保持恒定，即電機(jī)處于穩(wěn)態(tài)時，調(diào)整次級時間常數(shù)，計算滑差頻率與次級磁鏈的同步角度，當(dāng)磁場準(zhǔn)確定向時，此時電機(jī)輸入的電流最小，從而得到準(zhǔn)確的次級時間常數(shù)。本發(fā)明方法的特點是保持勵磁電流分量與推力電流分量相等，即Idl = U，通過在線辨識算法改變次級時間常數(shù)與同步角度，搜索次級時間常數(shù)的準(zhǔn)確值，實現(xiàn)參數(shù)辨識。 包含本發(fā)明方法的間接磁場定向基本控制系統(tǒng)框圖如圖3所示，該控制系統(tǒng)由磁場定向控制與參數(shù)辨識系統(tǒng)組成。直線電機(jī)速度給定值為v*，與測量得到線速度v差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)器輸出，得到推力電流分量給定值Iql*。傳統(tǒng)磁場定向控制中，還需要獨立控制勵磁電流分量l/，轉(zhuǎn)速角頻率"r由測量線速度v轉(zhuǎn)換得到。本發(fā)明方法中，勵磁電流分量給定1/保持與推力電流分量1/相等，由于辨識方法不必要在電機(jī)滿載下進(jìn)行，可以根據(jù)電機(jī)額定電流進(jìn)行確定，因此不會超出電流限值。得到勵磁、推力電流分量后進(jìn)行PI閉環(huán)控制，得到電壓矢量，經(jīng)P麗調(diào)制輸出控制逆變器驅(qū)動電機(jī)，這一部分與傳統(tǒng)的磁場定向控制系統(tǒng)相同。在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的同步角e的計算中，根據(jù)滑差頻率與測量電機(jī)速度得到的轉(zhuǎn)速角
頻率之和積分，根據(jù)公式(2)求得同步角度e ，完成電壓、電流矢量的同步旋轉(zhuǎn)變換。這一
過程中的關(guān)鍵是計算滑差頻率，本發(fā)明對其中次級時間常數(shù)T2進(jìn)行在線辨識。 辨識算法流程圖如圖4所示。該算法是本發(fā)明方法的核心，采用一維全局尋優(yōu)搜
索算法搜尋電機(jī)輸入電流的最小值，進(jìn)行次級時間常數(shù)辨識。首先，判斷電機(jī)速度是否穩(wěn)
定，速度穩(wěn)定后，當(dāng)負(fù)載條件不變時，電機(jī)輸出力矩恒定，控制器進(jìn)入辨識搜索算法，改變給
定次級時間常數(shù)，由于勵磁電流與推力電流給定分量相等，次級磁場定向控制方程中的滑
差頻率計算式為
1々 %=77~
心々i (6) 因此，調(diào)節(jié)次級時間常數(shù)也就是調(diào)節(jié)電機(jī)滑差頻率，此時電機(jī)磁場定向的角度將
進(jìn)行調(diào)整，為得到一定的輸出推力，電機(jī)輸入電流發(fā)生變化，當(dāng)磁場定向準(zhǔn)確時，電機(jī)輸入
電流最小。本發(fā)明方法在給定次級時間常數(shù)和滑差頻率的初始值時，可以根據(jù)直線感應(yīng)電
機(jī)的參數(shù)進(jìn)行初步計算，由于辨識算法是自動搜尋參數(shù)的準(zhǔn)確值，因此初始值設(shè)置的準(zhǔn)確
性不影響辨識結(jié)果。 搜索算法框圖如圖5所示，本發(fā)明提出的搜索算法就是尋找電流分量的最小值，比如，當(dāng)增加電機(jī)次級時間常數(shù)，即滑差頻率減小，電機(jī)電流增大時，則下一步搜索減小給定次級時間常數(shù)值，反之則繼續(xù)增加，如此反復(fù)進(jìn)行，可以保證次級時間常數(shù)最終逼近實際值。當(dāng)電流分量搜索誤差小于閾值e時，全局尋優(yōu)搜索算法結(jié)束，完成參數(shù)的辨識。
在直線感應(yīng)電機(jī)的間接磁場定向控制系統(tǒng)中，次級時間常數(shù)對于控制性能具有決定性的作用，本發(fā)明提出了一種直線感應(yīng)電機(jī)次級時間常數(shù)在線辨識方法。在滿足勵磁電流與推力電流分量相等的條件下，參數(shù)偏差將使電機(jī)穩(wěn)態(tài)推力減小，在電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下采用全局尋優(yōu)算法搜索電機(jī)電流最小值，可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)次級時間常數(shù)在線辨識。該方法在參數(shù)給定初始值不準(zhǔn)確時，也能夠準(zhǔn)確辨識直線感應(yīng)電機(jī)的次級時間常數(shù)。算法本身不依賴于電機(jī)參數(shù)，計算簡單，收斂性較好，結(jié)果準(zhǔn)確。
權(quán)利要求
一種直線感應(yīng)電機(jī)在線參數(shù)辨識方法，其特征在于，所述方法為根據(jù)所述的直線感應(yīng)電機(jī)的勵磁電流Id1與推力電流分量Iq1計算磁場定向控制中直線感應(yīng)電機(jī)的滑差頻率ωsl，測量電機(jī)線速度，經(jīng)變換得到轉(zhuǎn)速角頻率，然后將計算得到的滑差頻率ωsl與轉(zhuǎn)速角頻率ω2求和，計算電機(jī)同步角頻率，積分后得到同步角度θ，即次級磁鏈角度；再采用同步變換將電機(jī)電流矢量分解為勵磁電流Id1與推力電流分量Iq1，對勵磁電流Ids與推力電流分量Iqs進(jìn)行閉環(huán)控制，并使勵磁電流Ids與推力電流分量Iqs相等；經(jīng)過PI控制調(diào)節(jié)，得到逆變器輸出電壓矢量，然后進(jìn)行PWM調(diào)制，由逆變器輸出相應(yīng)的交流電壓驅(qū)動所述的直線感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行；采用在線辨識算法，調(diào)整電機(jī)控制器中所用的次級時間常數(shù)值，改變電機(jī)控制器中給定的電機(jī)滑差頻率以及同步角頻率，使次級磁場定向的同步角度θ得到調(diào)整，在負(fù)載力矩保持恒定的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下，電機(jī)輸入電流隨同步角度θ的調(diào)整而變化，在采用搜尋算法搜索電機(jī)輸入電流最小值的過程中，辨識電機(jī)控制器中使用的次級時間常數(shù)，使該時間常數(shù)逼近電機(jī)中的時間常數(shù)真實值，從而實現(xiàn)電機(jī)參數(shù)在線辨識。
2. 按照權(quán)利要求1所述的直線感應(yīng)電機(jī)在線參數(shù)辨識方法，其特征在于在所述的直 線感應(yīng)電機(jī)速度穩(wěn)定后，電機(jī)負(fù)載不再變化條件下，開始啟動所述搜尋算法；在輸入電流變 化量小于預(yù)先設(shè)置的閾值時，停止搜索，并確定辨識結(jié)果。
全文摘要
直線感應(yīng)電機(jī)在線參數(shù)辨識方法，在間接磁場定向控制下，實現(xiàn)電機(jī)勵磁電流與推力電流分量的閉環(huán)控制，并使勵磁電流與推力電流分量相等。通過在線辨識算法，調(diào)整電機(jī)控制器中所用的次級時間常數(shù)值，改變控制器中給定的電機(jī)滑差頻率及同步頻率，使磁場定向的同步角度得到調(diào)整，在負(fù)載力矩保持恒定的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下，搜尋電機(jī)輸入電流的最小值，使電機(jī)控制器中所用的次級時間常數(shù)逼近電機(jī)的次級時間常數(shù)真實值，實現(xiàn)電機(jī)次級時間常數(shù)的在線辨識。本發(fā)明可實現(xiàn)準(zhǔn)確的直線感應(yīng)電機(jī)間接磁場定向控制，不依賴于其它難以在線準(zhǔn)確掌握的電機(jī)參數(shù)，能夠避免邊端效應(yīng)、參數(shù)變化等對控制性能的影響，無需電機(jī)的輸入電壓分量，提高了參數(shù)在線辨識系統(tǒng)的實用性。
文檔編號H02P27/06GK101694985SQ200910093160
公開日2010年4月14日 申請日期2009年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月25日
發(fā)明者任晉旗, 張瑞華, 李耀華, 王珂, 葛瓊璇, 陳峻嶺 申請人:中國科學(xué)院電工研究所;