CN109768749A - 三相异步电机转子时间常数实时校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三相异步电机转子时间常数实时校正方法，通过建立励磁互感查询表与转子电阻温度查询表，根据励磁电流查询励磁互感L_m，励磁互感L_m加转子漏感L_σ得到转子电感L_r，根据电机定子绕组温度即转子温度查询转子电阻R_r，根据转子电感L_r和转子电阻R_r即可计算出转子时间常数，实现对转子时间常数的实时校正。本发明转子时间常数实时校正方法易于工程实现，不仅考虑转子温度对转子电阻的影响，而且考虑磁链饱和对转子电感的影响；不仅适用于电机基速以内运行区域，而且适用于电机高速弱磁区；且能实时校正三相异步电机转子时间常数，提高转子磁场定向准确性、转矩控制精度、弱磁控制稳定性以及***运行效率，提高矢量控制的动静态性能。

Description

三相异步电机转子时间常数实时校正方法

技术领域

本发明属于电机对拖测试技术领域，尤其涉及一种三相异步电机转子时间常数实时校正方法。

背景技术

基于转子磁场定向的矢量控制理论的出现,使三相异步电机获得了与直流调速***同样的静、动态性能,使得三相异步电机广泛应用于交流传动领域。但是准确的磁场定向必须依赖于准确的电机参数，在异步电机诸多参数中，转子时间常数T_r(T_r＝L_r/R_r，L_r为转子电感，R_r为转子电阻)对磁场定向的影响最大。转子时间常数发生偏差将直接影响转差频率的计算，导致磁场定向不准确，从而使***的动静态特性变坏，造成电机的电磁转矩发生振荡、调速性能变差、电机损耗增加、***效率下降；而励磁电流无法准确跟踪、电机过热又会加剧转子时间常数的偏差，进入恶性循环，严重时将导致电磁转矩丧失，矢量控制完全失效。因此，基于转子磁场定向的矢量控制理论应用过程中，需要对转子时间常数进行实时校正。

目前常用的转子时间常数校正主要采用基于模型参考自适应、扩展卡尔曼滤波器、扩展龙贝格观测器、最小二乘法、信号注入、人工神经网络等转子时间常数辨识方法，但是上述方法理论复杂，工程实践性较差；或者只考虑温度对转子电阻R_r的影响,而不考虑磁链饱和对转子电感L_r的影响；又或者只能辨识基速以内的转子时间常数，而对高速弱磁区无能为力。因此，针对上述转子时间常数校正方法存在的问题，有必要研究一种高效的、基于工程应用的三相异步电机转子时间常数实时校正方法。

发明内容

本发明在解决上述转子时间常数校正方法不足的基础上提供了一种三相异步电机转子时间常数实时校正方法，采用该方法，能实时校正三相异步电机转子时间常数，提高转子磁场定向准确性、转矩控制精度、弱磁控制稳定性以及***运行效率，提高矢量控制的动静态性能。

一种三相异步电机转子时间常数实时校正方法，包括：

建立励磁电流i_d与励磁互感L_m关系表，即励磁互感查询表；

建立转子电阻R_r与转子温度T₂关系表，即转子电阻温度查询表；

根据测量的励磁电流值i_d，查询励磁互感值L_m；

根据测量的转子温度值T₂，查询转子电阻值R_r；

根据转子电感计算公式L_r＝L_m+L_σ，求解转子电感L_r，其中L_σ为转子漏感；

根据转子时间常数计算公式T_r＝L_r/R_r，求解转子时间常数T_r，对转子时间常数T_r进行实时校正。

优选的，根据测量的励磁电流值i_d，查询励磁互感值L_m的具体方法为：

根据转子磁场定向矢量控制算法，对励磁电流进行窗口滤波；

对窗口滤波后的励磁电流进行一阶滞后滤波，得到滤波后的励磁电流值i_d；

根据滤波后的励磁电流值i_d，查询励磁互感查询表，得到励磁互感值L_m。

优选的，根据测量的转子温度值T₂，查询转子电阻值R_r的具体方法为：

测量电机定子绕组温度，采用定子绕组温度代替转子温度，对转子温度进行窗口滤波；

对窗口滤波后的转子温度进行一阶滞后滤波，得到滤波后的转子温度值T₂；

根据滤波后的转子温度值T₂，查询转子电阻温度查询表，得到转子电阻值R_r。

优选的，所述窗口滤波采用均值滤波，去除最大值与最小值后取加权平均值，窗函数采用矩形窗。

优选的，根据电机最大输出转矩设置励磁互感查询表的励磁电流上限值；根据高速弱磁区深度设定励磁电流下限值，取值步长为M。

优选的，根据超温保护值设置转子电阻温度查询表的转子温度上限值；根据常温设置转子温度下限值，取值步长为N。

优选的，若实际测量的励磁电流值i_d∈(i_{d_min},i_{d_max})且i_d≠A*M，A为整数，则根据励磁电流值相邻的两个查询值进行线性化处理，计算励磁互感值；若实际测量的励磁电流值i_d≥i_{d_max}，则励磁互感值为励磁电流上限值i_{d_max}对应的励磁互感值L_{m_max}；若实际测量的励磁电流值i_d≤i_{d_min}，则励磁互感值为励磁电流下限值i_{d_min}对应的励磁互感值L_{m_min}；

若实际测量的转子温度值T₂∈(T_{2_min},T_{2_max})且T₂≠A*N，A为整数，则根据转子温度值相邻的两个查询值进行线性化处理，计算转子电阻值；若实际测量的转子温度值T₂≥T_{2_max}，则转子电阻值为转子温度上限值T_{2_max}对应的转子电阻值R_{r_max}；若实际测量的转子温度值T₂≤T_{2_min}，则转子电阻值为转子温度下限值T_{2_min}对应的转子电阻值R_{r_min}。

优选的，实际测量的励磁电流值i_d∈(i_{d_min},i_{d_max})且i_d≠A*M，A为整数时，任意一点(i_{d_i}，L_{m_i})满足线性计算公式：

其中，L_{m_i-1}、L_{m_i+1}分别为任意点i_{d_i}相邻两点i_{d_i-1}、i_{d_i+1}对应的励磁互感值；

同理，实际测量的转子温度值T₂∈(T_{2_min},T_{2_max})且T₂≠A*N，A为整数，任意一点(T_{2_i}，R_{r_i})满足线性计算公式：

其中，R_{r_i-1}、R_{r_i+1}分别为任意点i_d相邻两点T_{2_i-1}、T_{2_i+1}对应的励磁互感值。

现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

(1)本发明提供了一种三相异步电机转子时间常数实时校正方法，通过建立励磁互感查询表与转子电阻温度查询表，根据励磁电流查询励磁互感L_m，励磁互感L_m加转子漏感L_σ得到转子电感L_r，根据电机定子绕组温度即转子温度查询转子电阻R_r，根据转子电感L_r和转子电阻R_r即可计算出转子时间常数，实现对转子时间常数的实时校正。本发明转子时间常数实时校正方法易于工程实现，不仅考虑转子温度对转子电阻的影响，而且考虑磁链饱和对转子电感的影响；不仅适用于电机基速以内运行区域，而且适用于电机高速弱磁区。

(2)本发明转子时间常数实时校正方法能实时校正三相异步电机转子时间常数，提高转子磁场定向准确性、转矩控制精度、弱磁控制稳定性以及***运行效率，提高矢量控制的动静态性能。且软件程序代码短、内存小，运算速度高，且具有较强的鲁棒性，不会出现校正失败所造成的***失控现象。

附图说明

图1为基于转子磁场定向的矢量控制示意图；

图2(a)为励磁互感曲线示意图；

图2(b)为转子电阻温度曲线示意图；

图3为本发明的转子时间常数校正原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的描述。

本发明针对现有技术中采用自适应滤波、卡尔曼滤波、最小二乘法、神经网络等方法进行转子时间常数辨识的方法存在的工程实践性差的缺陷，提出了一种简单实用的三相异步电机转子时间常数实时校正方法。一般电机出厂时厂家同时提供励磁互感曲线(励磁互感与励磁电流的关系曲线)与转子电阻温度曲线(转子电阻与转子温度的关系曲线)，或者可采用基于转子磁场定向的矢量控制等电机参数辨识的方法测量励磁互感曲线或转子电阻温度曲线。

本实施例中提供了一种基于转子磁场定向的矢量控制算法测量励磁互感曲线，参考图1所示，具体方法如下：

转速传感器实时测量转子角频率ω_r，转差角频率ω_s通过上位机进行设置，电角频率ω_e为转子角频率ω_r与转差角频率ω_s的和，电角频率ω_e积分后得到转子磁链定向角θ。

电机三相电流i_a、i_b、i_c通过Clark变换，分解为α-β静止坐标系下的分量i_α、i_β，然后i_α、i_β再经Park变换分解为d-q旋转坐标系下的分量i_d、i_q，i_d为励磁电流分量，i_q为转矩电流分量，θ为转子磁链定向角。

将d、q轴给定的励磁电流参考值i_d ^*、转矩电流参考值i_q ^*与励磁电流i_d、转矩电流i_q进行比较，将其差值分别进行比例积分运算后，得到d、q轴电压U_d与U_q。然后将d、q轴电压U_d、U_q进行Ipark变换，得到输出电压在α-β静止坐标系下的分量U_α、U_β；最后经SVPWM调制合成PWM脉冲波，控制逆变桥6个IGBT的开通和关断，实现对电机的控制。

具体的，上位机设置不同的励磁电流参考值i_{d_n} ^*与转矩电流参考值i_{q_n} ^*，i_{d_n} ^*＝i_{q_n} ^*；即上位机根据待测的异步电机设定励磁电流参考值的上限值i_{d_max} ^*、下限值i_{d_min} ^*，即i_{d_n} ^*∈[i_{d_min} ^*，i_{d_max} ^*]，设定取值步长为M，一般测试时可根据采样定理具体设置步长M的值。然后上位机实时调整转差角频率ω_s，使转子磁场准确定向，此时转子磁链定向角等于实际转子磁链角，记录不同励磁电流参考值i_{d_n} ^*对应的电机输出转矩最大值T_{max_n}；即根据待测的异步电机设定转差角频率ω_s，设置转差角频率ω_s的取值范围，即ω_s∈[ω_min，ω_max]，其中ω_max为转差角频率上限值，ω_min为转差角频率下限值，设定取值步长为N，一般测试时可根据具体情况设置步长N的值，例如通常设置为N＝1rad/s或N＝2rad/s。

当励磁电流取值为i_{d_n} ^*时，实时调整转差角频率ω_s，使转矩传感器测量的输出转矩最大时，记录最大输出转矩值T_{max_n}。

当转子磁场准确定向时，根据转子磁链计算公式|ψ_r|＝L_mi_d ^*与输出转矩公式求解不同励磁电流参考值i_{d_n} ^*对应的励磁互感值L_{m_n}，即可得到励磁互感L_m与励磁电流i_d ^*的关系曲线；其中p_n为电机极对数，L_r为转子电感。由于，转子电感L_r为励磁互感L_m和转子漏感L_σ之和，且转子漏感L_σ远小于励磁互感L_m，可认为L_r≈L_m；当转子漏感L_σ未知时，通常情况下根据经验取L_r/L_m＝1.03，此时励磁电流为i_d ^*时的励磁互感测量值为：

由此，通过上述励磁互感测量方法，即可得到励磁互感曲线。同理，转子电阻温度曲线也可采用类似方法测量，本发明中不再赘述。

综上，可得励磁互感曲线与转子电阻温度曲线，基于此，本发明提供了一种三相异步电机转子时间常数实时校正方法，参考图2(a)、2(b)、图3所示，包括以下步骤：

(1)根据励磁互感曲线，建立励磁电流i_d与励磁互感L_m关系表，即励磁互感查询表：具体的，根据电机最大输出转矩设置励磁互感查询表的励磁电流上限值，根据高速弱磁区深度设定励磁电流下限值，取值步长为M。

参考图2(a)，表1表示某型电动汽车用25KW三相异步电机测试中建立的励磁互感查询表，查询表的励磁电流上限90A根据电机最大输出转矩选择，励磁电流下限20A根据高速弱磁区深度选择，查询表精度选择励磁电流每5A一个查询数据。

表1-励磁互感查询表(2)根据转子电阻温度曲线建立转子电阻R_r与转子温度T₂关系表，即转子电阻温度查询表：具体的，根据超温保护值设置转子电阻温度查询表的转子温度上限值；根据常温设置转子温度下限值，取值步长为N。

参考图2(b)，表2为相应建立的转子电阻温度查询表，查询表的转子温度上限120℃根据电机超温保护值选择，转子温度下限25℃选择常温，查询表精度可选择转子温度每5℃一个查询数据。

表2-转子电阻温度查询表(3)根据测量的励磁电流值i_d，查询励磁互感值L_m。

参考图3所示，由于***的模拟量采集信号中存在噪声干扰，为防止采样干扰对转子时间常数校正的影响，需要对励磁电流和转子温度进行窗口滤波；同时，在电机控制过程中，尤其是动态调节过程中，励磁电流将快速调节甚至突变，由于转子磁链滞后于励磁电流，因此需要对励磁电流进行第二次滤波，选择一阶滞后滤波。

具体的，本发明中根据转子磁场定向矢量控制算法，对励磁电流进行窗口滤波，窗口滤波采用均值滤波，即去除励磁电流的最大值与最小值后取加权平均值，窗函数采用矩形窗。然后对窗口滤波后的励磁电流进行一阶滞后滤波(即低通滤波，滞后时间为t_o)，得到滤波后的励磁电流值i_d；根据滤波后的励磁电流值i_d，查询励磁互感查询表，得到励磁互感值L_m。

若实际测量的励磁电流值i_d∈(i_{d_min},i_{d_max})且i_d≠A*M，A为整数，则根据励磁电流值相邻的两个查询值进行线性化处理，计算励磁互感值；若实际测量的励磁电流值i_d≥i_{d_max}，则励磁互感值为励磁电流上限值i_{d_max}对应的励磁互感值L_{m_max}；若实际测量的励磁电流值i_d≤i_{d_min}，则励磁互感值为励磁电流下限值i_{d_min}对应的励磁互感值L_{m_min}。即：

实际测量的励磁电流值i_d∈(i_{d_min},i_{d_max})且i_d≠A*M，A为整数时，任意一点(i_{d_i}，L_mi)满足线性计算公式：

其中，L_{m_i-1}、L_{m_i+1}分别为任意点i_{d_i}相邻两点i_{d_i-1}、i_{d_i+1}对应的励磁互感值。

(4)根据测量的转子温度值T₂，查询转子电阻值R_r。

由于热传导的原因，转子电阻的变化要慢于温度传感器采集温度的变化，且温度变化要远远慢于转子磁链变化，对转子温度同样需要进行一阶滞后滤波。另外，由于转子绕组温度不能直接测量，采用定子绕组温度或电机机壳温度代替转子温度。

具体的，测量电机定子绕组温度，采用定子绕组温度代替转子温度，对转子温度进行窗口滤波，窗口滤波采用均值滤波，即去除转子温度的最大值与最小值后取加权平均值，窗函数采用矩形窗。然后对窗口滤波后的转子温度进行一阶滞后滤波(即低通滤波，滞后时间为t₁)，得到滤波后的转子温度值T₂。

同理，根据滤波后的转子温度值T₂，查询转子电阻温度查询表，得到转子电阻值R_r。若实际测量的转子温度值T₂∈(T_{2_min},T_{2_max})且T₂≠A*N，A为整数，则根据转子温度值相邻的两个查询值进行线性化处理，计算转子电阻值；若实际测量的转子温度值T₂≥T_{2_max}，则转子电阻值为转子温度上限值T_{2_max}对应的转子电阻值R_{r_max}；若实际测量的转子温度值T₂≤T_{2_min}，则转子电阻值为转子温度下限值T_{2_min}对应的转子电阻值R_{r_min}。

实际测量的转子温度值T₂∈(T_{2_min},T_{2_max})且T₂≠A*N，A为整数，任意一点(T_{2_i}，R_{r_i})满足线性计算公式：

其中，R_{r_i-1}、R_{r_i+1}分别为任意点i_d相邻两点T_{2_i-1}、T_{2_i+1}对应的励磁互感值。

在对某型电动汽车用25KW三相异步电机测试中，励磁电流与转子温度窗口滤波时滑动窗口大小均选择16位，滤波方式选择去除最大值、最小值后剩余取加权平均，滤波周期为采样周期。其中，励磁电流进行一阶低通滤波时，截止频率具体选择30Hz，滞后时间50ms。转子温度进行低通滤波时，截止频率具体选择0.15Hz，滞后时间10s。

(5)根据转子电感计算公式L_r＝L_m+L_σ，求解转子电感L_r，其中L_σ为转子漏感；电机控制过程中，对励磁电流进行窗口滤波、一阶滞后滤波后查询得到励磁互感L_m，励磁互感L_m加转子漏感L_σ得到转子电感L_r。转子漏感L_σ在电机运行过程中变化很小，且转子漏感L_σ远小于励磁互感L_m，因此L_r≈L_m，当转子漏感L_σ未知时，可根据经验值，取L_r＝1.03L_m。

对转子温度进行窗口滤波、一阶滞后滤波后查询得到转子电阻R_r，根据T_r＝L_r/R_r得到转子时间常数T_r，实现对转子时间常数的实时校正。

综上所述，本发明的提出了一种非常实用的三相异步电机转子时间常数实时校正方法，与采用自适应滤波、卡尔曼滤波、最小二乘法、神经网络等方法进行转子时间常数辨识的方法相比较，本发明转子时间常数实时校正方法易于工程实现，不仅考虑转子温度对转子电阻的影响，而且考虑磁链饱和对转子电感的影响，不仅适用于电机基速以内运行区域，而且适用于电机高速弱磁区。能实时校正三相异步电机转子时间常数，提高转子磁场定向准确性、转矩控制精度、弱磁控制稳定性以及***运行效率，提高矢量控制的动静态性能。且软件程序代码短、内存小，运算速度高，且具有较强的鲁棒性，不会出现校正失败所造成的***失控现象。

目前本发明转子时间常数实时校正方法已应用于某型电动汽车用25kW三相异步电机电驱中，全转矩范围转矩精度高，转矩控制偏差小于2Nm，全转速范围电机运行稳定，低速无抖动现象，高速无失控现象，电机发热减轻，***效率提高。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种三相异步电机转子时间常数实时校正方法，其特征在于，包括：

建立励磁电流i_d与励磁互感L_m关系表，即励磁互感查询表；

建立转子电阻R_r与转子温度T₂关系表，即转子电阻温度查询表；

根据测量的励磁电流值i_d，查询励磁互感值L_m；

根据测量的转子温度值T₂，查询转子电阻值R_r；

根据转子电感计算公式L_r＝L_m+L_σ，求解转子电感L_r，其中L_σ为转子漏感；

根据转子时间常数计算公式T_r＝L_r/R_r，求解转子时间常数T_r，对转子时间常数T_r进行实时校正。

2.根据权利要求1所述的三相异步电机转子时间常数实时校正方法，其特征在于，根据测量的励磁电流值i_d，查询励磁互感值L_m的具体方法为：

根据转子磁场定向矢量控制算法，对励磁电流进行窗口滤波；

对窗口滤波后的励磁电流进行一阶滞后滤波，得到滤波后的励磁电流值i_d；

根据滤波后的励磁电流值i_d，查询励磁互感查询表，得到励磁互感值L_m。

3.根据权利要求1所述的三相异步电机转子时间常数实时校正方法，其特征在于，根据测量的转子温度值T₂，查询转子电阻值R_r的具体方法为：

测量电机定子绕组温度，采用定子绕组温度代替转子温度，对转子温度进行窗口滤波；

对窗口滤波后的转子温度进行一阶滞后滤波，得到滤波后的转子温度值T₂；

根据滤波后的转子温度值T₂，查询转子电阻温度查询表，得到转子电阻值R_r。

4.根据权利要求2或3所述的三相异步电机转子时间常数实时校正方法，其特征在于，所述窗口滤波采用均值滤波，去除最大值与最小值后取加权平均值，窗函数采用矩形窗。

5.根据权利要求4所述的三相异步电机转子时间常数实时校正方法，其特征在于，根据电机最大输出转矩设置励磁互感查询表的励磁电流上限值；根据高速弱磁区深度设定励磁电流下限值，取值步长为M。

6.根据权利要求4所述的三相异步电机转子时间常数实时校正方法，其特征在于，根据超温保护值设置转子电阻温度查询表的转子温度上限值；根据常温设置转子温度下限值，取值步长为N。

7.根据权利要求5或6所述的三相异步电机转子时间常数实时校正方法，其特征在于，

若实际测量的励磁电流值i_d∈(i_{d_min},i_{d_max})且i_d≠A*M，A为整数，则根据励磁电流值相邻的两个查询值进行线性化处理，计算励磁互感值；若实际测量的励磁电流值i_d≥i_{d_max}，则励磁互感值为励磁电流上限值i_{d_max}对应的励磁互感值L_{m_max}；若实际测量的励磁电流值i_d≤i_{d_min}，则励磁互感值为励磁电流下限值i_{d_min}对应的励磁互感值L_{m_min}；

若实际测量的转子温度值T₂∈(T_{2_min},T_{2_max})且T₂≠A*N，A为整数，则根据转子温度值相邻的两个查询值进行线性化处理，计算转子电阻值；若实际测量的转子温度值T₂≥T_{2_max}，则转子电阻值为转子温度上限值T_{2_max}对应的转子电阻值R_{r_max}；若实际测量的转子温度值T₂≤T_{2_min}，则转子电阻值为转子温度下限值T_{2_min}对应的转子电阻值R_{r_min}。

8.根据权利要求7所述的三相异步电机转子时间常数实时校正方法，其特征在于，实际测量的励磁电流值i_d∈(i_{d_min},i_{d_max})且i_d≠A*M，A为整数时，任意一点(i_{d_i}，L_{m_i})满足线性计算公式：

其中，L_{m_i-1}、L_{m_i+1}分别为任意点i_{d_i}相邻两点i_{d_i-1}、i_{d_i+1}对应的励磁互感值；

同理，实际测量的转子温度值T₂∈(T_{2_min},T_{2_max})且T₂≠A*N，A为整数，任意一点(T_{2_i}，R_{r_i})满足线性计算公式：

其中，R_{r_i-1}、R_{r_i+1}分别为任意点i_d相邻两点T_{2_i-1}、T_{2_i+1}对应的励磁互感值。