CN103840731A - 一种基于参数自学习的通用电机控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于参数自学习的通用电机控制器，包括主控模块、与所述主控模块信号连接的电源模块、电机控制模块和电机参数识别模块、与所述电机参数识别模块、电机控制模块连接的功率驱动模块。本发明所述通用感应电机控制器可以自识别转子磁场定向矢量控制所需要的电机参数：定子电阻R_s、励磁电感L_m、正交编码器线数Q_n、转子励磁时间常数T_r，并自动配置到感应电机电机控制模块中，克服了现有技术中识别电机参数工作繁琐、技术要求高以及控制器应用范围小，实现了控制器自动识别电机参数、通用性强的优点。

Description

一种基于参数自学习的通用电机控制器

技术领域

本发明涉及一种通用电机控制器，具体涉及一种基于参数自学习的通用电机控制器。

技术背景

异步感应电机控制中基于转子磁场定向的矢量控制是最常见的方法，该控制***配置一般需要知道几个电机参数，包括定子电阻R_s、励磁电感L_m、正交编码器线数Q_n、转子励磁时间常数T_r等，参数的正确配置是实现转子磁场定向的前提和基础。若参数值与实际值不符，将直接影响到磁场定向的准确性，这可能会使矢量控制丧失原本技术上的优势，造成感应电机运动控制***稳态和动态性能的下降，甚至导致控制***不收敛、控制器烧毁等情况发生。

由于不同的型号的电机上述参数不同，甚至同一款电机在出厂时由于工艺误差，上述参数也有细微的差别。在现有技术中，需要采用不同仪器对不同型号电机进行多次人工测试来测量上述感应电机参数，然后将电机参数输入相应的控制器进行控制***配置，完成感应电机控制器与感应电机匹配。一般一台电机对应一台控制器，当电机出现故障时更换时，控制器也需要进行更换。造成现有技术中存在以下问题：不仅工作繁琐，也对工作人员的技术基础有较高的要求，而且多次测量结果会因人为读取的误差逐级放大，使得控制***与电机实际性能不匹配；一台电机对应一台控制器的生产成本和维护成本都偏高。

出于此目的，在感应电机控制***加入电机参数识别模块，对感应电机参数进行自学习，并自动将识别的参数配置到电机控制模块中，以便控制器准确有效的控制、驱动感应电机运行。

发明内容

本发明出于克服现有技术中的不足，采用感应电机控制器自识别感应电机参数，解决了现有技术的工作繁琐、对工作人员技术要求高、控制器使用范围窄的问题，提出一种操作简单且适用范围广的通用感应电机控制器。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种基于参数自学习的通用电机控制器，包括主控模块、电源模块、电机控制模块、功率驱动模块，还包括电机参数识别模块，所述电源模块与所述主控模块、所述电机控制模块、所述功率驱动模块相连接，所述主控模块与所述电机控制模块相连接，所述电机控制模块与所述功率驱动模块连接，所述电机参数识别模块与所述主控模块、所述电机控制模块、所述功率驱动模块相连接，用于识别电机参数并配置到所述电机控制模块。

所述电机参数包括：电机D轴等效电阻R_s、励磁电感L_m、正交编码器实际线数Q_n、励磁时间常数T_r。

电机D轴等效电阻R_s获取方式为：将电机控制器与感应电机相连，给电机控制器通入直流电压；将感应电机等效成DQ模型，测出D轴两端电压U_sd、D轴电流I_sd，计算出电机D轴等效电阻R_s。

励磁电感L_m获取方式为：给定定子D轴电流并维持不变，使电机空载定速旋转，由控制器测出电机定子Q轴电压、定子D轴电流幅值和同步角频率，计算出励磁电感L_m。

正交编码器实际线数Q_n获取方式为：给定定子D轴电流和同步角频率并维持不变，使电机空载定速旋转，由电机极对数P_n，计算出正交编码器实际线数Q_n。

励磁时间常数T_r获取方式为：首先给定维持定子D轴电流和同步角频率并维持不变；而后，将D轴电流由I_sdref阶跃至0获得等效励磁电流衰减的时间常数，此常数即为励磁时间常数T_r。

相比现有的识别电机的方法，本发明有显著优点和有益效果，具体体现为：

1、使用该通用感应电机控制器，自动识别电机参数并配置到控制程序中，减少了电机参数测量工作环节，节省成本。

2、本发明控制器所具有的参数自学习功能，可以使控制器适应不同型号的电机，降低控制器的设计难度，提高了控制器对电机的兼容性。

附图说明

图1为本发明通用电机控制器的信号流向图；

图2为本发明通用电机控制器的工作流程图。

具体实施方式

本发明的具体实施方法如下：

一种基于参数自学习的通用电机控制器，包括主控模块、电源模块、电机控制模块、功率驱动模块，还包括电机参数识别模块，所述电源模块与所述主控模块、所述电机控制模块、所述功率驱动模块相连接，为整个控制器供电，供电电源为电池组；所述主控模块与所述电机控制模块相连接，用于整体控制；所述电机控制模块与所述功率驱动模块连接，用于控制功率驱动模块按指令工作；所述电机参数识别模块与所述主控模块、所述电机控制模块、所述功率驱动模块相连接，用于识别电机参数并配置到所述所述电机控制模块；所述功率驱动模块与电机相连，用于驱动电机工作。

当电机控制器第一次连接电机，主控模块给电机参数识别模块发出自识别电机参数的指令，电机参数识别模块控制功率驱动模块来驱动电机按照特定要求运行，以测出所需参数，然后电机参数识别模块将采集的电机参数发送给电机控制模块，用于参数配置；其后便由主控模块直接发送指令给电机控制模块，电机控制模块控制功率驱动模块驱动电机正常运行，同时电机运行的电流、电压、转速等参数会反馈给主控模块，以达到闭环控制。电机参数识别模块具体工作方法如下：

本发明基于感应电机在同步旋转正交坐标系中的电压方程，可识别按转子磁场定向的矢量控制算法所需的感应电机参数，包括定子电阻R_s、励磁电感L_m、正交编码器线数Q_n、转子励磁时间常数T_r，并自动配置到控制器主控模块、功率驱动模块中。

电机参数识别过程在同步旋转正交坐标系中进行，将转子磁场轴线定义为直轴(D轴)，超前D轴90°电角度为交轴(Q轴)；将感应电机控制器与感应电机相连接，并将控制器接通直流电源。

1.给电机定子D轴加直流电流，电流大小为I_sdref，直到***达到稳定状态。此时，定子D轴电流I_sd已经稳定为电流基准I_sdref，并且定子Q轴电流I_sq为零，电机静止不动，此时感应电机在同步旋转正交坐标系中的定子D轴电压方程为：

U_sd=R_s·I_sd

根据控制器给出的定子D轴电压U_sd和定子D轴电流I_sd可计算出电机定子电阻R_s：

$R_s=\frac{U_{\mathrm{sd}}}{I_{\mathrm{sd}}}$

2.维持定子D轴电流为I_sdref的同时，同步角频率从0开始增大至一个给定值ω_s，直到***达到稳定状态。此时，感应电机空载定速旋转，由于是空载运行，可忽略电机转子的各种阻力，则电机输出扭矩为零，即转差角频率为零。在以上近似条件下，定子D轴电流I_sd与电流基准I_sdref相等，定子Q轴电流为零，感应电机在同步旋转正交坐标系中的定子DQ轴电压方程为：

U_sd=R_s·I_sd

U_sq=ω_s·L_s·I_sd

根据控制器给出的定子Q轴电压U_sq、定子D轴电流幅值I_sd和同步角频率ω_s可计算得出感应电机定子电感L_s：

$L_s=\frac{U_{\mathrm{sq}}}{{\mathrm{\ω}}_s\·I_{\mathrm{sd}}}$

感应电机励磁电感L_m与定子电感L_s、定子漏感L_sσ的关系如下式：

L_m=L_s-L_sσ

由于定子漏感相对励磁电感很小，励磁电感可以近似等于定子电感，则励磁电感为：

$L_m=\frac{U_{\mathrm{sq}}}{{\mathrm{\ω}}_s\·I_{\mathrm{sd}}}$

3.继续维持定子D轴电流为I_sdref和同步角频率ω_s不变，***稳定运行。此时根据电机极对数P_n可计算出转子实际机械角频率ω_m，计算公式如下：

${\mathrm{\ω}}_m=\frac{{\mathrm{\ω}}_s}{P_n}$

任意给定一个感应电机正交编码器线数为Q_n0，由正交编码器反馈信号可得出转子机械转速ω_m0，由于正交编码器实际线数Q_n与转子机械角频率ω_m成正比，则：

$Q_n=\frac{{\mathrm{\ω}}_m}{{\mathrm{\ω}}_{m0}}\·Q_{n0}$

4.继续维持定子D轴电流I_sdref和同步角频率ω_s不变，此时***已稳态运行较长时间，等效励磁电流I_mr0与定子D轴电流基准I_sdref相等，定子Q轴电压稳定为U_sq0=ω_s·L_s·I_mr0。而后，将D轴电流I_sd由I_sdref阶跃至0，由于转子的机械惯性时间常数远大于励磁时间常数T_r，因此在2T_r时间内可近似认为转子机械角频率ω_m未发生变化，同步角频率ω_s也未变化。定子D轴电流由I_sdref阶跃至0后的2T_r时间内，定子D轴电流I_sd稳定为0，同步角频率稳定为ω_s，等效励磁电流I_mr按照一阶惯性环节的单位阶跃响应特性衰减，一阶惯性环节的时间常数就是感应电机励磁时间常数T_r。

这一过程，感应电机在同步旋转正交坐标系中的Q轴电压方程为：

U_sq=ω_s·L_s·I_mr

等效励磁电流I_mr的衰减特性时域方程为：

$I_{\mathrm{mr}}=e^{-\frac{t}{T_r}}\·I_{\mathrm{sdRef}}$

则定子Q轴电压的衰减方程为：

$U_{\mathrm{sq}}={\mathrm{\ω}}_s\·L_s\·e^{-\frac{t}{T_r}}\·I_{\mathrm{sdRef}}$

经过时间Δt=2T_r后，定子Q轴电压变化量为：

ΔU_sq=(1-e^-2)·U_sq0=0.865·U_sq0

因此，定子D轴电流由I_sdref阶跃至0后开始计时，当定子Q轴电压为0.135·U_sq0的时间即为励磁时间常数的2倍，由此可得励磁时间常数T_r。

电机控制器第一次连接电机时，启动控制器电机参数识别模块来采集上述电机参数，并自动将上述识别的参数输送到电机控制模块中，然后由电机控制模块配置识别的参数来准确有效的控制电机运行，此时电机参数识别模块关闭；当需要再次或多次自学习电机参数，也可以再次开启控制器电机参数识别模块工作。

对于为本发明的示范性实施例，应当理解为是本发明的权利要求书的保护范围内其中的某一种示范性示例，具有对本领域技术人员实现相应的技术方案的指导性作用，而非对本发明的限定。

Claims (8)

1.一种基于参数自学习的通用电机控制器，包括主控模块、电源模块、电机控制模块、功率驱动模块，所述电源模块与所述主控模块、所述电机控制模块、所述功率驱动模块相连接，所述主控模块与所述电机控制模块相连接，所述电机控制模块与所述功率驱动模块连接，其特征在于：还包括电机参数识别模块，与所述主控模块、所述电机控制模块、所述功率驱动模块相连接用于识别电机参数并配置到所述电机控制模块。

2.根据权利要求1所述的基于参数自学习的通用电机控制器，其特征在于：所述通用电机控制器第一次连接电机时，先由电机参数识别模块采集电机控制所需要的参数，并经行参数配置，然后控制器便能整车控制电机运行。

3.根据权利要求2所述的基于参数自学习的通用电机控制器，其特征在于：所述通用电机控制器第一次自学习之后可以关闭电机参数识别模块，也可以实时进行多次参数识别。

4.根据权利要求1所述的基于参数自学习的通用电机控制器，其特征在于：所述电机参数包括：电机D轴等效电阻R_s、励磁电感L_m、正交编码器实际线数Q_n、励磁时间常数T_r。

5.根据权利要求4所述的基于参数自学习的通用电机控制器，其特征在于：所述电机D轴等效电阻R_s获取方式为：将电机控制器与感应电机相连，给电机控制器通入直流电压；将感应电机等效成DQ模型，测出D轴两端电压U_sd、D轴电流I_sd，计算出电机D轴等效电阻R_s。

6.根据权利要求4所述的基于参数自学习的通用电机控制器，其特征在于：所述励磁电感L_m获取方式为：给定定子D轴电流并维持不变，使电机空载定速旋转，由控制器测出电机定子Q轴电压、定子D轴电流幅值和同步角频率，计算出励磁电感L_m。

7.根据权利要求4所述的基于参数自学习的通用电机控制器，其特征在于：所述正交编码器实际线数Q_n获取方式为：给定定子D轴电流和同步角频率并维持不变，使电机空载定速旋转，由电机极对数P_n，计算出正交编码器实际线数Q_n。

8.根据权利要求4所述的基于参数自学习的通用电机控制器，其特征在于：所述励磁时间常数T_r获取方式为：首先给定维持定子D轴电流和同步角频率并维持不变；而后，将D轴电流由I_sdref阶跃至0获得等效励磁电流衰减的时间常数，此常数即为励磁时间常数T_r。

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