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基于矢量控制的电机参数辨识及自调整策略



基于矢量控制的电机参数辨识及自调整策略 程 超 程善美

伺服技术?SERVO TECHN IQUE

基于矢量控制的电机参数辨识及自调整策略
程 超, 程善美
( 华中理工大学, 湖北 武汉 430074)
摘 要: 矢量控制技术要使感应电机达到与直流电机相同的调速性能, 准确获得磁场定向是关键, 而磁场定向

又依 赖于电机模型参数的设定。解决这一问题的方法很多, 文中对近年国内外一些有代表性的方法做了简单的介绍, 并 对每种方法的优缺点进行了分析。 关键词: 参数辨识; 磁场定向; 模型参考自适应控制 中图分类号: TM 343   文献标识码: A    文章编号: 1001- 6848 ( 2000) 06- 0019- 03

Stra teg ies for AC A synchronousM ach ine Param eter Iden tif ica tion and Adapta tion of Con troller Param eter Ba sed on Vector Con trol CH EN G Chao , CH EN G Shan- m ei
(H uazhong U n iversity of Science and T echno logy,W uhan 430074, Ch ina ) Abstract: T he h igh p erfo rm ance of DC m o to r can reached by A C m ach ine becau se of vecto r con tro l, fo r w h ich FO is . . crucia l B u t FO dep end s on the co rrect setting of m o to r p a ram eters T h is p ap er p resen ts the recen t developm en t of the stra teg ies fo r m o to r p a ram eter iden tifica tion d iscu ssed in m any techn ica l litera tu res and ana lyzes the advan tages and d isadvan tages of every stra tegy. Key words: p a ram eter iden tifica tion; field o rien ta tion; M RA C

1 引 言
矢量控制技术能使感应电机达到与直流电机相 同的调速性能。 因此, 自 70 年代问世以来, 一直受到 人们的广泛关注。 众所周知, 矢量控制技术的关键在 于磁场定向, 而影响磁场定向的一个重要因素就是 电机参数。 如果电机某些参数不准或在电机运行时 发生了变化, 则励磁电流不能维持恒定, 磁场定向不 准, 将严重影响控制系统的静态和动态特性 [ 1 ]。 当基于矢量控制的控制器应用于未知电机时, 相关参数必须要在电机启动之前获得。 以往的方法 如堵转实验和空载实验的方法实现起来比较麻烦, 且精度不易保证。 文献 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] 利用电流控制 的 PWM 逆变器, 向电机注入单相电流信号, 离线自 动测量转子时间常数和其它相关参数的方法, 不需 要堵转电机和添加多余的硬件电路, 也不需要专业 人员在场, 简单有效。 感应电机的参数由于受周围环境和电机运行环 境的影响, 往往呈现一定的时变特性, 影响矢量控制 的性能。 从控制的角度来讲, 解决受控对象参数不准 的方法之一就是对受控对象的参数进行在线辨识, 并不断更新电机参数值, 使控制器设定值与实际值
收稿日期: 2000- 07- 14 基金项目: 武汉青年科技晨光计划资助

相符。 文献 [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] 中提出的几种便是为 达到这一目的而设计的。 文献 [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] 采用了一种用于电机初值确 定后进行自调整的方法, 即模型参考自适应控制 (M RA C ) 方法, 通过模型输出与电机实际输出量的 偏差来修正转子时间常数的设定值, 结构简单, 易于 理解。

2 电机参数初始值的测量
文献 [ 2 ] 提出了一种基于频域的瞬态电感和转 子电阻测试法。 文章分析了电机的单相正弦激励过 程, 以便为模型参考自适应控制 (M RA C ) 建立瞬时 电感和转子电阻初值。 1 是感应电机的单相模型。 图

R 1 ——定子每相电阻 L 1 ——定子每相电感 L m ——定转子每相互感 R 2 ——折算到定子侧的转子等效电阻 L 2 ——折算到定子侧的转子等效电阻 s ——转差率

图 1 感应电机的单相模型

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微电机 2000 年 第 33 卷 第 6 期 ( 总第 117 期)

文献 [ 3 ] 提出了一种改进后的直流测试的方法, 实现了对 R 1 的自动测量。 该方法利用逆变器为测量 R 1 提供直流电源。图 2 是典型的逆变器- 电机连接 图。 3 是等效电路图。 图 在调整定子绕组电流使线圈

2 V ab 。 由于输入定子绕组的直流信号含纹波, R 1= 3 Ia 导致定子线圈发热, 不同的开关频率下测得的 R 1 不

其输入阻抗的有效电阻和有效电感都是 Ξe 的 函数。 随着 Ξe 的不断增大, 它可近似为以下模型: Z app = R 1 + R 2 + j ΞeL Ρ。 用电流控制的 PWM 逆变器 为电机输入单相激励电流。 在 Ξe 足够大时, 由所加 电流和电压前馈分量的系统方程, 可以很容易地算 出 L Ρ、 2 的值 ( 其中的 R 1 可以由文献 [ 3 ] 中的直流 R 测试获得) 。该方法简单有效, 但要注意的是 Ξe 的值 要足够大才能保证近似的有效值, 但又不能太大, 否 则趋肤效应会影响测量结果。 另外由于磁路饱和, 电 流的大小也会影响测量结果。
图 2 逆变器- 电机连接图 图 3 等效电路

可由空载测试获得) , 将定子电流切换为直流。 由于 三相交流电机在单相供电时不会产生转矩, 转子静 止, Ξ1 等于滑差角频率 Ξsl。在交流切换为直流后, 如 输出电流频率, 直到定子电压最小, 此时认为 Ξsl = Ξ1 , 转 子 时 间 常 数 可 计 算 为: T r = 量精度取决于切换点的正确选取。 果 Ξs1 不等于正确值, 定子电压会升高。 调节逆变器 定子电流的幅值。 该方法思路简洁, 易于实现, 但测

3 电机参数的在线测量

序电流扰动信号, 通过检测出与扰动信号相应的电 压信号来计算转子电阻值的方法。 在本方案中, 测试

信号加在正常的转矩电流的分量上作用于实际运行 的电机。 选用负序旋转坐标系, 将扰动信号通过在这 一坐标系中进行坐标变换, 然后叠加在给定电流上 作用于电机, 检测该电流的响应信号, 在输出中通过 坐标变换和低通滤波器可以还原出该信号的电压响 应信号, 由响应信号可以计算出电机的转子电阻值。 该方法设计思想巧妙, 但由于在正常运行的电机上 行, 因此, 限制了其应用范围。 附加了负序信号, 引入了噪声, 干扰了系统的正常运 文献 [ 7 ] 提出了用扩展卡尔曼滤波法来在线计

算转子时间常数值。 由于采用了开关频率很高的功 率元件构成 PWM 逆变器, 使得加在感应电机上的 电压信号的频谱分布于整个频率域。 这种宽频带的 谐波信号可以看成是加在感应电机上的白噪声信 号, 而不用注入附加的测试信号, 因而不会影响系统 的正常运行。 采用递推的算法计算电机的参数, 这一 文献 [ 8 ] 详细分析了转子电阻的变化对磁通和

预热到正常工作时的温度后, R 1 可以由下式计算:

同。 为减小纹波效应的影响, 同时又为了避免复杂的 运算, 考虑不同开关频率下测得的三组 R 1 值。 在二 2 阶多项式 p k ( x ) = a 2 x k + a 1 x k + a 0 中, p k ( x ) ( k = 1, 2, 3 ) 代表不同的开关频率 x k 下测得 R 1 , 系数 a 0 即 为消除热效应后计算的 R 1 值, 它可以由克莱姆法则 求得。 由于考虑了开关效应的影响, 测得的电机参数 可以直接用于矢量控制。 文献 [ 4 ] [ 5 ] 提出了一种测量转子时间常数 ( T r )

方法需要检测电机的定子电压值, 计算量也比较大。 转矩的影响, 并通过在 Α 坐标系中对电机模型进 2Β 行数学推导, 导出了计算转子电阻的数学表达式。 仿 真结果表明, 对于理想电流源供电的方式, 由这一数 方式下, 转子电阻的计算值就存在一定的误差, 但随 学表达式求得的电阻值非常精确, 而在 PWM 供电 可以使这一方法在瞬态下更有效, 但理论上讲, 这一 方法在电机处于稳态时计算出的转子电阻最精确。 文献 [ 9 ] 根据电动机转子电阻 R 2 主要随温度变

2 2 ( I S - I S5 ) 1

2

I S5

, 其中 I ST 为定子电流的转矩分量, I S 为

文献 [ 6 ] 提出了一种向电机注入一定频率的负

的经济, 易行的方案。该方案利用电流控制的 PWM 逆变器为电机输入单相正弦交流信号: i s = I s sin Ξ1 t。 在 t0 时刻, 将它加在电机定子的两相上, 并保持第三 相的电流为零。 经过充分长时间 ( t> > T r ) 以后, 在 i s = I s5 的时刻 t1 ( I s5 为定子电流的磁通分量的参考值, — 20 —

载波频率升高, 该误差变小。 增大滤波器的时间常数

化、 时间常数比较大、 变化比较慢的特点, 选择电机

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1 I ST 1 = Ξ1 I S5 Ξ1

基于矢量控制的电机参数辨识及自调整策略 程 超 程善美

处于稳态运行时实时检测转子电阻, 将 R 2 的值作为 控制模型在后一段时间内 R 2 的设定值。 根据电机学 原理, 由电动机等效阻抗的表达式, 求取 R 2 值。 该方 法中 R 2 值的检测与定子电阻的值无关。 文中还详细 介绍了求取电动机等效阻抗的方法。

展, 介绍了有关文献中提出的各种方法的工作原理 和优缺点。 电机参数的自调整方法可以避免在线辨 识方法繁重的计算量, 适用于高速和低速、 满载和轻 载, 无须加入附加信号, 在实际中便于应用。

参考文献:
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4 电机参数的自调整
有文献针对间接矢量控制中转子时间常数不断 变化的问题提出了三种简单的自适应方法。 这些方 法在基本的模型参考自适应控制 (M RA C ) 结构中利 用电压量作为磁场定向的参考模型。 文献分析了以 往的两种参考模型: ①转矩参考模型。 ②无功功率参 考模型, 随后也提出了三种新的基于电机电压的参 考模型。 d 轴电压参考模型。 q 轴电压参考模型。 ③ ④ ⑤电压副值参考模型。 作者提出了自适应控制算法 稳态性能的三个标准: ①收敛于一个好的估计值的 能力。 ②估计值不受负载和转速变化影响的能力。 ③ 算法对失调条件的灵敏度。 由此详细分析了以上 5 种自适应算法各自的优缺点。 如 d 轴模型具有良好 的一个致收敛性, 对失调的高敏感度, 即使在轻载条 件下, 也不会出现饱和, 因此能快速准确收敛, 在恒 定转矩和弱磁情况下都能实现磁场定向; 但是此模 型的主要缺点是依赖于定子参数, 这一点在文献 [ 10 ] 中有详细分析。 文献用 d 轴模型对定子电阻变化对 IFO C 控制 器的影响作了具体分析, 并提出了解决问题的方法 - 反电动势 (B EM F ) 检测器, 且获得了一种获取定 子电阻瞬时值的方法。 文中还充分分析了低速下调 整定子电阻值的必要性。 稳态下, 由定子电压方程, 以电流矢量 i s 的方向为 q ’ 轴建立新的坐标系 ( q ’ ) 轴方向只含有 B EM F 分 d ’, 则在新坐标系中, d ’ 量, 从而消除了定子电阻的变化对馈电压的影响。 现 在, 以 d ’ 轴电压作为 M RA C 的反馈信号, 有了这一 干净的信号, 调整滑差增益可以实现磁场定向。 有文献细致地构造了另外一个参考模型。 该模 型充分分析了 PWM 逆变器死区时间, 定子电阻变 化的影响, 通过电压积分消除其产生的影响, 并充分 考虑了电机的饱和特性。 该方案不直接测量定子电 压, 而是由 PWM 开关信号和直流母线电压来重构 定子电压信号, 简化了系统构成。

5 结 语
本文回顾了近年一些基于矢量控制的交流异步 电机参数辨识及控制器参数自调整方法的最新进

作者简介: 程超 ( 1976- ) , 男, 硕士研究生, 主要研究电

机控制技术。

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fo r Ro to r R esistence Iden tifica tion fo r H igh - Perfo r2

con tro lled Ineuction M o to r D rives [J ]. IEEE T ran sac2 632.

ram eter M ea su rem en t U nder Sen so rless F ield - O ri2

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