CN103018577A - 一种测量永磁同步电机参数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量永磁同步电机参数的方法，属于电机参数测量领域，该测量方法通过电机A相空载反电势和电机电角速度求得永磁磁链，利用A相空载反电势的波形和位置传感器读数得出电机转子对应90°和0°电角度位置，改变定子绕组连接方式，利用交流电压、电流、频率分别求出对应的直、交轴电感。本发明使用的仪器设备均为常规仪器，所涉及的方法具有物理概念清晰、操作简便，测量精确度高等优点。

Description

一种测量永磁同步电机参数的方法

技术领域

本发明属于电机参数测量领域，涉及一种测量永磁同步电机参数的方法。

背景技术

永磁同步电机(Permanent magnet synchronous machine，PMSM)不需要励磁电流，具有结构简单、体积小、效率高、功率因数高、转动惯量低等优点。随着永磁材料磁性能的提高，在中小功率、高精度、高可靠性、宽调速范围的伺服专用装置中，永磁同步电机获得广泛的应用。无速度传感器控制、弱磁控制和损耗补偿控制等控制方法广泛应用在永磁同步驱动专用装置中。电机的电气参数对这些控制策略的控制性能影响很大。因此准确测量永磁同步电机参数是很有必要的，其中电感参数的准确测量尤为重要。目前，永磁同步电机电感参数测量方法主要有两类：1)使用LCR测试仪测量电机电感；2)脉冲电压实验法。使用LCR测试仪测电机电感时，要将定子绕组一相断开，测量另外两相之间的电感。为了得到电机交直轴电感参数值，还要将此测量得到的电感进行换算。换算公式与电机转子位置角度有关，且针对磁路不同的永磁电机，换算公式不一样，这无疑使得测量过程复杂化。脉冲电压实验法是改变电机三相绕组连接方式，在转子处于直轴和交轴时加直流脉冲电压，记录电流，再利用积分方法分别求出直轴电感和交轴电感。脉冲电压实验法测电感时，对电压幅值和作用时间的选择要准确把握。电压幅值选择太小,影响检测精度,过大可能使电流超过专用装置限幅值影响专用装置安全。作用时间过短,采样点少,获取的电流信息少,也会影响检测精度,作用时间过长,电流同样可能过大影响专用装置安全。这使得该方法的操作性不是很好。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种测量永磁同步电机参数的方法，特别在于不使用LCR测试仪和直流脉冲电压情况下利用交流电压源来测量永磁同步电机直轴和交轴电感参数。

技术方案：本发明的测量永磁同步电机参数方法的操作流程如下步骤：

步骤101：高精度万用表测量定子三相绕组的电阻值R_s；

步骤102：确定永磁磁链ψ_PM；

步骤103：原动机拖动永磁同步电机空载运行，得到A相空载电压u_sa波形以及相应的位置传感器位置读数，得出u_sa最小值时对应的位置传感器信号读数，计算得出θ_mea=90°位置相对于永磁同步电机初始位置所增加的位置读数x，因而电机回到初始位置时，转动电机使位置传感器读数增加x，此位置是θ_mea=90°转子位置；位置传感器转一圈脉冲数为a，永磁同步电机极对数是p，则90°电角度对应的位置读数是a/(4p)，在θ_mea=90°转子位置处向相反方向手动旋转，使位置传感器读数减小a/(4p)，此位置是θ_mea=0°转子位置；

步骤104：永磁同步电机静止，定子绕组B相与C相并连后再与A相串联，外接已知频率f的交流电压源u_s，此条件下永磁同步电机三相电流i_sa、i_sb、i_sc和三相线电压u_sab、u_sbc、u_sca满足下式： $\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{sa}}=-(i_{\mathrm{sb}}+i_{\mathrm{sc}})\\ u_{\mathrm{sab}}=u_s\\ u_{\mathrm{sbc}}=0\\ u_{\mathrm{sca}}=-u_s\end{array}\right.,$ 利用三相线电压得到三相相电压u_sa、u_sb、u_sc并得到直、交轴电压电流u_sd、u_sq、i_sd、i_sq；

步骤105：永磁同步电机静止，电机实际电角速度ω_d/s等于0，应用永磁同步电机同步旋转dq坐标系下的电压方程： $\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{sd}}=R_s{i}_{\mathrm{sd}}+L_{\mathrm{sd}}\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{sd}}}{\mathrm{dt}}\\ u_{\mathrm{sq}}=R_s{i}_{\mathrm{sq}}+L_{\mathrm{sq}}\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{sq}}}{\mathrm{dt}}\end{array}\right.;$ 当永磁同步电机转子转到θ_mea=0°位置，满足 $\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{sd}}=\frac{2}{3}{u}_s\\ i_{\mathrm{sd}}=i_{\mathrm{sa}}\end{array}\right.,$ 测量交流电压源u_s的有效值u_{s_RMS}和A相电流有效值i_{sa_RMS}，应用下式计算定子直轴电感L_sd：当永磁同步电机转子转到θ_mea=90°位置，满足 $\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{sq}}=-\frac{2}{3}{u}_s\\ i_{\mathrm{sq}}=-i_{\mathrm{sa}}\end{array}\right.,$ 测量交流电压源u_s的有效值u_{s_RMS}和A相电流有效值i_{sa_RMS}，应用下式计算定子交轴电感L_sq： $L_{\mathrm{sq}}=\frac{\sqrt{{\left(\frac{{2u}_{s\_\mathrm{RMS}}/3}{i_{\mathrm{sa}\_\mathrm{RMS}}}\right)}^2-R_s^2}}{2\mathrm{\πf}}.$

所述步骤102中，所述的永磁同步电机的定子三相绕组空载，测量永磁同步电机A相空载电压u_sa的幅值U_m；接收位置传感器传来的转子位置信号θ_mea，计算得出电机实际电角速度ω_d/s；结合所述的永磁同步电机在同步旋转dq坐标系下的电压方程、所述的永磁同步电机空载得到i_sd=i_sq=0时三相电压方程和磁链方程计算得出所述的永磁同步电机转子的永磁磁链ψ_PM，其中

${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{PM}}=\frac{U_m}{{\mathrm{\ω}}_{d/s}}.$

所述的原动机可以是直流电机、异步电机、同步电机中的任意一种。

有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下优点：

1、与现有的使用LCR测试仪测量电机电感方法相比，本测量方法物理概念清晰，充分利用永磁同步电机在同步旋转坐标系下的电压方程，根据电压方程在电机转子位置θ_mea=0°和θ_mea=90°的特殊形式，通过改变电机三相绕组的连接方式，再外接已知频率的交流电压源，由相应电压电流有效值即可直接求出相应的直轴、交轴电感。

2、跟现有常用的脉冲电压实验法测电感相比，本方法不需要采用直流电压源，也不需要记录电流波形用于积分求电感，且测量精度更高。利用本发明方法测得的永磁同步电机参数建立永磁同步电机发电实验模型，仿真得到的电压波形和电流波形与相同情况下实际永磁同步电机发电实验得要的电压电流波形重合很好，这说明了利用本方法测量得到的电机参数精度高。

附图说明

图1是本发明测量方法装置的框图；

图2是本发明测量方法的流程框图；

图3是本发明方法测量直轴、交轴电感时电机定子绕组连接示意图；

图4是线电压实验波形和仿真波形；

图5是相电流实验波形和仿真波形。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明进行说明。

本发明的实施例的装置框图如图1所示，该测量装置包括：包括三相异步电机2、永磁同步电机3和DSP5，在三相异步电机2与永磁同步电机3之间设有联轴器4，在永磁同步电机3与DSP5之间设有位置传感器7；三相异步电机2连接有三相调压器1，还包括永磁同步电机3的定子三相绕组6。三相异步电机的基本参数为：额定相电压U_N＝220V，额定相电流I_N＝11.8A，极对数p=2，额定转速n_N＝1500r/min；永磁同步电机的基本参数为：额定相电压U_N=220V，额定相电流I_N＝11A，极对数p=2，额定转速n_N＝1500r/min。所用到的测量仪器：高精度万用表和电流表。

本发明的测量永磁同步电机参数的方法，物理概念清晰，操作简便，无需使用LCR测试仪，也不需要采用直流电压源，测量精度更高。本方法充分利用永磁同步电机在同步旋转坐标系下的电压方程，根据电压方程在电机转子位置θ_mea=0°和θ_mea=90°的特殊形式，改变电机三相绕组的连接方式，再外接交流电压源，由相应电压电流有效值即可求出相应的直轴、交轴电感。本测量方法的流程框图见图2，具体步骤如下：

1)高精度万用表测量定子相绕组的电阻值R_s；

2)由异步电动机拖动永磁同步电机转动，永磁同步电机定子三相绕组空载，测量电机A相空载电压u_sa的幅值U_m。速度计算器接收位置传感器传来的转子位置信号θ_mea，并按照下式得到电机实际电角速度ω_d/s：

${\mathrm{\ω}}_{d/s}=\frac{{\mathrm{d\θ}}_{\mathrm{mea}}}{\mathrm{dt}};$

3)永磁同步电机在同步旋转dq坐标系下的电压方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{sd}}=R_s{i}_{\mathrm{sd}}+\frac{{\mathrm{d\ψ}}_{\mathrm{sd}}}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{\ω}}_{d/s}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sq}}\\ u_{\mathrm{sq}}=R_s{i}_{\mathrm{sq}}+\frac{{\mathrm{d\ψ}}_{\mathrm{sq}}}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\ω}}_{d/s}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}\end{array}\right.$

u_sd，i_sd，ψ_sd为定子电压、电流、磁链的直轴分量；u_sq，i_sq，ψ_sq为定子电压、电流、磁链的交轴分量；R_s是定子电阻，ω_d/s是电角速度。磁链方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}=L_{\mathrm{sd}}{i}_{\mathrm{sd}}+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{PM}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sq}}=L_{\mathrm{sq}}{i}_{\mathrm{sq}}\end{array}\right.$

ψ_PM为转子永磁磁链，L_sd，L_sq为定子电感直轴和交轴分量；

4)步骤2)中，永磁同步电机空载i_sd=i_sq=0，电压方程改写为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{sd}}=0\\ u_{\mathrm{sq}}={\mathrm{\ω}}_{d/s}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{PM}}\end{array}\right.$

由下式得到三相电压U_sabc，所述三相电压是u_sabc由A相电压u_sa、B相电压u_sb和C相电压u_sc组成的三维向量：

其中

u_sa＝u_sd cosθ_mea+u_sqsin(-θ_mea)＝-ω_d/sψ_PMsinθ_mea

利用步骤2)中得到的A相空载电压u_sa的幅值U_m和计算得到的电角速度ω_d/s按照下式计算转子永磁磁链：

${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{PM}}=\frac{U_m}{{\mathrm{\ω}}_{d/s}};$

5)步骤4)中可知θ_mea=90°时A相空载电压u_sa达到最小值，标记电机开始转动时的位置，通过异步电机拖动永磁同步电机空载运行，把永磁同步电机的A相空载电压u_sa通过电压采样板引入DSP的A/D采样口，保存u_sa波形以及相应的位置传感器位置读数，找出u_sa最小值时对应的位置传感器位置信号读数，除以位置传感器转一圈的位置读数a求余，由此可求出θ_mea=90°位置相对于永磁同步电机初始位置所增加的位置读数x，因而电机回到初始位置时，手动转动电机使位置传感器位置读数增加x，此位置是θ_mea=90°转子位置；

6)所用位置传感器转一圈脉冲数为a，永磁同步电机极对数是p，则90°电角度对应的位置读数是a/(4p)，从步骤5)确定θ_mea=90°转子位置处向相反方向手动旋转，使位置传感器读数减小a/(4p)，此位置是θ_mea=0°转子位置；

7)永磁同步电机静止，连接方式如图3，定子绕组B相与C相并连，再与A相串联，外接已知频率f的交流电压源u_s，此条件下永磁同步电机三相电流i_sa、i_sb、i_sc和三相线电压u_sab、u_sbc、u_sca满足下式：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{sa}}=-(i_{\mathrm{sb}}+i_{\mathrm{sc}})\\ u_{\mathrm{sab}}=u_s\\ u_{\mathrm{sbc}}=0\\ u_{\mathrm{sca}}=-u_s\end{array}\right.,$

利用三相线电压，由下式得到三相相电压u_sa、u_sb、u_sc：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{sa}}=\frac{2}{3}{u}_s\\ u_{\mathrm{sb}}=u_{\mathrm{sc}}=-\frac{1}{3}{u}_s\end{array}\right.$

由下两式得到直、交轴电压电流u_sd、u_sq、i_sd、i_sq：

71)永磁同步电机静止，电机实际电角速度ω_d/s等于0，步骤3)中永磁同步电机同步旋转dq坐标系下的电压方程改写为下式：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{sd}}=R_s{i}_{\mathrm{sd}}+L_{\mathrm{sd}}\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{sd}}}{\mathrm{dt}}\\ u_{\mathrm{sq}}=R_s{i}_{\mathrm{sq}}+L_{\mathrm{sq}}\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{sq}}}{\mathrm{dt}}\end{array}\right.;$

72)将永磁同步电机转子转到θ_mea=0°位置，步骤7)中交直轴电压电流改写为下式：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{sd}}=\frac{2}{3}{u}_s\\ i_{\mathrm{sd}}=i_{\mathrm{sa}}\end{array}\right.,$

将上式带入步骤71)中电压方程得到下式：

$\frac{2}{3}{u}_s=R_s{i}_{\mathrm{sa}}+L_{\mathrm{sd}}\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{sa}}}{\mathrm{dt}},$

测量交流电压源u_s的有效值u_{s_RMS}和A相电流有效值i_{sa_RMS}，利用步骤1)所得相绕组电阻值R_s和u_s已知的频率f,按下式计算定子直轴电感L_sd：

$L_{\mathrm{sd}}=\frac{\sqrt{{\left(\frac{{2u}_{s\_\mathrm{RMS}}/3}{i_{\mathrm{sa}\_\mathrm{RMS}}}\right)}^2-R_s^2}}{2\mathrm{\πf}};$

73)将永磁同步电机转子转到θ_mea=90°位置，步骤7)中交直轴电压电流改写为下式：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{sq}}=-\frac{2}{3}{u}_s\\ i_{\mathrm{sq}}=-i_{\mathrm{sa}}\end{array}\right.,$

将上式带入步骤71)中电压方程得到下式：

$\frac{2}{3}{u}_s=R_s{i}_{\mathrm{sa}}+L_{\mathrm{sq}}\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{sa}}}{\mathrm{dt}},$

测量交流电压源u_s的有效值u_{s_RMS}和A相电流有效值i_{sa_RMS}，利用步骤1)所得相绕组电阻值R_s和u_s已知的频率f,按下式计算定子交轴电感L_sq：

$L_{\mathrm{sq}}=\frac{\sqrt{{\left(\frac{{2u}_{s\_\mathrm{RMS}}/3}{i_{\mathrm{sa}\_\mathrm{RMS}}}\right)}^2-R_s^2}}{2\mathrm{\πf}}.$

本发明和现有技术相比，具有如下优点：

本发明充分利用永磁同步电机在同步旋转坐标系下的电压方程，根据电压方程在电机转子位置θ_mea=0°和θ_mea=90°的特殊形式，通过改变电机三相绕组的连接方式，再外接交流电压源，由相应电压电流有效值即可直接求出相应的直轴、交轴电感。不需要采用直流电压源，也不需要记录电流波形用于积分求电感，且测量精度更高。如附图4和附图5可知，利用本发明方法测得的永磁同步电机参数建立永磁同步电机发电实验模型，仿真得到的电压波形和电流波形与相同情况下实际永磁同步电机发电实验得要的电压电流波形重合很好。这说明了利用本测量专用装置得到的电机参数精度高。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (3)

1.一种测量永磁同步电机参数的方法，其特征在于：所述的方法根据永磁同步电机同步旋转dq坐标系下的电压方程测量，包括以下步骤：

步骤101：高精度万用表测量定子三相绕组的电阻值Rs_；

步骤102：确定永磁磁链ψ_PM；

步骤103：所述的原动机拖动永磁同步电机空载运行，得到A相空载电压u_sa波形以及相应的位置传感器位置读数，得出u_sa最小值时对应的位置传感器信号读数，计算得出θ_mea=90°位置相对于永磁同步电机初始位置所增加的位置读数x，因而电机回到初始位置时，转动电机使位置传感器读数增加x，此位置是θ_mea=90°转子位置；所述位置传感器转一圈脉冲数为a，所述永磁同步电机极对数是p，则90°电角度对应的位置读数是a/(4p)，在θ_mea=90°转子位置处向相反方向手动旋转，使位置传感器读数减小a/(4p)，此位置是θ_mea=0°转子位置；

步骤104：所述的永磁同步电机静止，定子绕组B相与C相并连后再与A相串联，外接已知频率f的交流电压源u_s，此条件下永磁同步电机三相电流i_sa、i_sb、i_sc和三相线电压u_sab、u_sbc、u_sca满足下式： $\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{sa}}=-(i_{\mathrm{sb}}+i_{\mathrm{sc}})\\ u_{\mathrm{sab}}=u_s\\ u_{\mathrm{sbc}}=0\\ u_{\mathrm{sca}}=-u_s\end{array}\right.,$ 利用三相线电压得到三相相电压u_sa、u_sb、u_sc并得到直、交轴电压电流u_sd、u_sq、i_sd、i_sq；

步骤105：所述的永磁同步电机静止，电机实际电角速度ω_d/s等于0，应用永磁同步电机同步旋转dq坐标系下的电压方程： $\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{sd}}=R_s{i}_{\mathrm{sd}}+L_{\mathrm{sd}}\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{sd}}}{\mathrm{dt}}\\ u_{\mathrm{sq}}=R_s{i}_{\mathrm{sq}}+L_{\mathrm{sq}}\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{sq}}}{\mathrm{dt}}\end{array}\right.;$ 当永磁同步电机转子转到θ_mea=0°位置，满足 $\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{sd}}=\frac{2}{3}{u}_s\\ i_{\mathrm{sd}}=i_{\mathrm{sa}}\end{array}\right.,$ 测量交流电压源u_s的有效值u_{s_RMS}和A相电流有效值i_{sa_RMS}，应用下式计算定子直轴电感L_sd：

当永磁同步电机转子转到θ_mea=90°位置，满足 $\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{sq}}=-\frac{2}{3}{u}_s\\ i_{\mathrm{sq}}=-i_{\mathrm{sa}}\end{array}\right.,$ 测量交流电压源u_s的有效值u_{s_RMS}和A相电流有效值i_{sa_RMS}，应用下式计算定子交轴电感L_sq： $L_{\mathrm{sq}}=\frac{\sqrt{{\left(\frac{{2u}_{s\_\mathrm{RMS}}/3}{i_{\mathrm{sa}\_\mathrm{RMS}}}\right)}^2-R_s^2}}{2\mathrm{\πf}}.$

2.根据权利要求1所述的一种测量永磁同步电机参数的方法，其特征在于：所述步骤102中，所述的永磁同步电机的定子三相绕组空载，测量永磁同步电机A相空载电压u_sa的幅值U_m；接收位置传感器传来的转子位置信号θ_mea，计算得出电机实际电角速度ω_d/s；结合所述的永磁同步电机在同步旋转dq坐标系下的电压方程、所述的永磁同步电机空载得到i_sd=i_sq=0时三相电压方程和磁链方程计算得出所述的永磁同步电机转子的永磁磁链ψ_PM，其中

${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{PM}}=\frac{U_m}{{\mathrm{\ω}}_{d/s}}.$

3.根据权利要求1所述的一种测量永磁同步电机参数的方法，其特征在于：所述的原动机可以是直流电机、异步电机、同步电机中的任意一种。

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