摘要：在變頻器拖動(dòng)異步電機(jī)要求高動(dòng)態(tài)性能時(shí)，通常要采用矢量控制方式。矢量控制方式的動(dòng)態(tài)性能以及無速度傳感器矢量控制中的轉(zhuǎn)速估算精度都要依賴電機(jī)的詳細(xì)參數(shù)。文章從電機(jī)的等效電路和數(shù)學(xué)模型分析，提出利用變頻器進(jìn)行電機(jī)參數(shù)自動(dòng)辨識(shí)的方案，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該方法實(shí)現(xiàn)簡便，辨識(shí)結(jié)果能滿足矢量控制及轉(zhuǎn)速估算的應(yīng)用，實(shí)用性較強(qiáng)。

1 引言

在交流異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，矢量控制方式能使交流電機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流解耦，從而獲得如直流他勵(lì)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)性能。而這種電流解耦方式的實(shí)現(xiàn)需要用到電機(jī)的定轉(zhuǎn)子電阻、定轉(zhuǎn)子漏感和互感參數(shù)。對(duì)于通用變頻器來說，工程現(xiàn)場電機(jī)的參數(shù)是無法預(yù)知的，而對(duì)工程現(xiàn)場的電機(jī)采用常規(guī)的堵轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)和空載實(shí)驗(yàn)方式測量參數(shù)更加難以實(shí)施；且對(duì)同一個(gè)電機(jī)來說，長時(shí)間的老化和環(huán)境的影響也會(huì)使電機(jī)參數(shù)發(fā)生變化，因此，利用變頻器本身在電機(jī)運(yùn)行前對(duì)電機(jī)進(jìn)行參數(shù)自動(dòng)辨識(shí)是有必要的。本文即基于此要求，依靠變頻器本身，不需要添加任何附加電路，也不需要更改電機(jī)接線，利用變頻器脈沖調(diào)制的原理進(jìn)行直流實(shí)驗(yàn)、單相交流的堵轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)、空載實(shí)驗(yàn)對(duì)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)1。

2 參數(shù)辨識(shí)原理

異步機(jī)矢量控制系統(tǒng)中，需要用到的電機(jī)參數(shù)主要包括：定子電阻、轉(zhuǎn)子電阻、定轉(zhuǎn)子互感、定子漏感和轉(zhuǎn)子漏感。圖1所示為電壓型逆變器與三相異步機(jī)的典型連接方式。逆變器的3個(gè)橋臂A，B，C分別與異步機(jī)的三相繞組a，b，c對(duì)應(yīng)相連。

圖1變頻器與電機(jī)主電路結(jié)構(gòu)

Fig.1 Main circuit structure of inverter and motor

圖2 所示為異步電機(jī)的單相T形等效電路。

圖2 異步電機(jī)的單相T形等效電路

Fig.2 The T equivalent circuit of induction motor

2.1 定子電阻辨識(shí)

通過直流實(shí)驗(yàn)(即伏安法)來辨識(shí)，需要通過逆變器向電機(jī)定子繞組注入直流電流。實(shí)現(xiàn)方法是，使圖1中B、C相橋臂控制信號(hào)相同，即電機(jī)b，c相短接，向電機(jī)施加直流脈沖電壓，每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，電感充放電的能量相等，因此采樣電流的平均值即實(shí)驗(yàn)中的直流電流，此時(shí)等效電路簡化如圖3所示。

圖3直流實(shí)驗(yàn)等效電路

Fig.3TheTequivalentcircuitofDCexperiment

根據(jù)圖3，假設(shè)施加到電機(jī)上的實(shí)際電壓平均值為，a相電流的實(shí)際平均值為，則可以得到定子電阻的計(jì)算如式(1)所示：

(1)

實(shí)際應(yīng)用中，在保持電流合適的情況下（不過流的較大值），使用采樣電流作為實(shí)際電流誤差較小，但此時(shí)實(shí)際輸出直流電壓的占空比極小，實(shí)際作用電壓檢測誤差很大，而使用變頻器發(fā)送電壓值進(jìn)行計(jì)算，又存在死區(qū)和開關(guān)管壓降的影響，誤差同樣存在；這里采用斜率計(jì)算法消除死區(qū)和開關(guān)管壓降的影響2，具體實(shí)現(xiàn)方式如下所述：

先后分別給定目標(biāo)電流、，采樣A相電流平均值作為反饋，兩者差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)器輸出直流脈沖電壓的占空比,等待該閉環(huán)輸出穩(wěn)定后分別記錄電流的平均值、，和電壓占空比、。設(shè)兩次記錄數(shù)據(jù)時(shí)實(shí)際電壓平均值分別為，，則：

(2)

兩式相減，得到定子電阻計(jì)算如式(3)所示

(3)

2.2 定轉(zhuǎn)子漏感和轉(zhuǎn)子電阻辨識(shí)

采用單相實(shí)驗(yàn)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的三相堵轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)來辨識(shí)定轉(zhuǎn)子漏感和轉(zhuǎn)子電阻。在電機(jī)繞組施加單相正弦電壓時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，其電磁現(xiàn)象與三相堵轉(zhuǎn)基本相似。

產(chǎn)生單相正弦電壓的具體實(shí)現(xiàn)方法與2.1紹的直流電壓生成方法類似，使B、C橋臂的控制信號(hào)相同，A相電流幅值作為反饋信號(hào)，與電流控制目標(biāo)差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)器輸出所需電壓幅值，按照該幅值向電機(jī)施加電機(jī)額定頻率的正弦電壓。此時(shí)等效電路如圖4(a)。在額定頻率正弦交流電壓下，異步機(jī)定轉(zhuǎn)子漏抗和電阻相對(duì)于互感的感抗值很小，因此圖4(a)可以進(jìn)一步簡化為圖4(b)。為降低辨識(shí)的復(fù)雜性，通常認(rèn)為定子漏感和轉(zhuǎn)子漏感近似相等。

圖4單相實(shí)驗(yàn)等效電路圖

Fig.4Theequivalentcircuitofsinglephaseexperiment

由圖4(b)可知，電路中等效電阻為：

(4)

等效電抗為：

(5)

轉(zhuǎn)子電阻為：

(6)

定轉(zhuǎn)子漏感為：

(7)

其中為電壓、電流的相角差，為電壓電流的同步角頻率，、均為相應(yīng)電壓電流幅值。

對(duì)于單相正弦信號(hào)，可以將該信號(hào)作為，對(duì)該信號(hào)采樣值進(jìn)行微分構(gòu)造正交信號(hào)，由可以求得單相正弦信號(hào)的幅值和相角3,如式（8）（9）所示。該方式相對(duì)于FFT方式減小了計(jì)算量，節(jié)省程序運(yùn)行時(shí)間。

(8)

(9)

2.3 定轉(zhuǎn)子互感辨識(shí)

通過空載實(shí)驗(yàn)來辨識(shí)電機(jī)定轉(zhuǎn)子互感。當(dāng)電機(jī)空載時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速基本上接近同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差率，電機(jī)轉(zhuǎn)子回路相當(dāng)于開路，此時(shí)電機(jī)單相等效電路如圖5所示。

圖5空轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)等效電路圖

Fig.5 The equivalent circuit of no-load experiment

由圖5可知等效電抗為：

(10)

互感為：

(11)

其中為電壓、電流的相角差，為電壓電流的同步角頻率，分別為電壓電流的三相有效值。這里的電壓電流的角度和有效值均可通過三相坐標(biāo)變換得到。

3 仿真驗(yàn)證

本文在Psim仿真平臺(tái)上對(duì)以上提出的方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真中電機(jī)模型相關(guān)參數(shù)設(shè)定如表1所示：

表1電機(jī)參數(shù)設(shè)定

Tab.1The set value of motor parameters

仿真中所有計(jì)算采用標(biāo)幺值系統(tǒng)，電壓基值，電流基值，額定頻率50Hz。

為方便對(duì)比，仿真和實(shí)驗(yàn)統(tǒng)一采用SVPWM方式發(fā)送脈沖，當(dāng)保持計(jì)算脈沖的角度時(shí)，直流實(shí)驗(yàn)得到的脈沖電壓和電流波形如6所示，其中為A相實(shí)際電流，為計(jì)算的平均電流，為計(jì)算脈沖所需的調(diào)制度，其與輸出的電壓占空比的關(guān)系為

兩次電流目標(biāo)設(shè)定值分別為0.6和0.9，電壓電流穩(wěn)定后分別記錄電壓脈沖占空比和實(shí)際電流；按照式(3)計(jì)算得到定子電阻標(biāo)幺值并轉(zhuǎn)換為實(shí)際值。

圖6直流實(shí)驗(yàn)電壓和電流波形

Fig.6 The wave of DC simulation

單相實(shí)驗(yàn)向電機(jī)施加50Hz單相電流，得到電壓和電流波形如圖7所示，采用平均值采樣法可濾除高頻諧波，按照上述的構(gòu)造正交信號(hào)的方法求得其幅值和相角，按式(4)、(5)、(6)、(7)求得轉(zhuǎn)子電阻和漏感,并將標(biāo)幺值轉(zhuǎn)換為實(shí)際值。

圖7單相堵轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)電壓和電流波形

Fig.7 The wave of single phase simulation

三相空載實(shí)驗(yàn)得到的電壓電流波形如圖8所示，同樣采用平均值采樣方式濾除高頻諧波，按照三相坐標(biāo)變換和三相交流信號(hào)的有效值計(jì)算方法得到所需變量，按式(10)、(11)計(jì)算得到定轉(zhuǎn)子互感。

圖8空載實(shí)驗(yàn)電壓和電流波形

Fig.4 The wave of single phase simulation

參數(shù)計(jì)算結(jié)果與電機(jī)參數(shù)設(shè)置值比較如表2所示：

表2電機(jī)參數(shù)辨識(shí)精度

Tab.2 Motor parameter identification precision

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

按照文中所述方法在實(shí)際變頻器和電機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，變頻器采用電壓型兩電平變頻器，電流采樣精度為12位，電壓由發(fā)送電壓推算。測試過程波形通過上位機(jī)顯示，如圖9、10所示，兩圖中輸出調(diào)制度modulate和檢測電流Ia均為標(biāo)幺值。波形畸變?yōu)樯衔粰C(jī)采樣周期波動(dòng)所致。

圖9直流實(shí)驗(yàn)調(diào)制度和電流波形

Fig.9 The wave of DC experiment

圖10單相堵轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)調(diào)制度和電流波形

Fig.10 The wave of single phase experiment

傳統(tǒng)方式按照電機(jī)學(xué)測試方法測試計(jì)算。得到的參數(shù)辨識(shí)結(jié)果如表3所示。

表3參數(shù)辨識(shí)方法與傳統(tǒng)測量方法對(duì)比

Tab.3 Parameter identification method with inverter compared with traditional measurement method

5 結(jié)論

仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，仿真結(jié)果接近于電機(jī)設(shè)定參數(shù)．實(shí)驗(yàn)結(jié)果與傳統(tǒng)測量結(jié)果接近。其中定轉(zhuǎn)子電阻值因測量的時(shí)期、環(huán)境溫度等條件不同，因此存在較大的誤差，符合實(shí)際電機(jī)特性。其它參數(shù)誤差在3%以內(nèi)，滿足高性能調(diào)速要求。該辨識(shí)方法簡單，易于實(shí)現(xiàn)，對(duì)于定轉(zhuǎn)子電阻、漏感、互感均具有較高的辨識(shí)精度，能夠廣泛應(yīng)用于通用變頻器中。