基于磁场定向准确性的感应电机转子时间常数的验证方法

技术领域

本发明公开一种感应电机参数值准确性的验证方法，特别涉及一种基于磁场定向准确性的鼠笼式感应电机的转子时间常数准确性的验证方法，属于电机参数自整定领域。

技术背景

在实验阶段，应该设计特定的参数精度验证方法对不同方法辨识所得的参数进行检验，以此来判断方法的有效性和准确性。最常见、直观的方法就是时域模型验证，即比较相同输入激励下的测量电流和仿真电流(或者测量转矩和仿真转矩)，以此验证辨识所得的等效电路参数的准确性。另外，通过比较测量稳态特性曲线和估算的特性曲线，也能验证等效电路参数的准确性。当然，对于实际应用而言，由辨识参数而设计的系统的运行性能本身，就是一个很好的辨识精度评估指标，比如转速动态响应的快速性和无速度传感器系统中的估计速度的准确性。

如果目的是评估某个特定的参数的准确性，比如励磁电感曲线和转子时间常数，上面描述的方法仍可被采用，但是我们期望能有专用的方法以辨别测量和仿真、估算之间的矛盾是否是由于某个特定的参数的辨识精度不足而导致的。对于励磁电感准确性的验证，如果电机硅钢片的设计参数已知，那么有限元分析可以被用于分析励磁电感曲线的准确性。而在一般情况下，励磁电感曲线的参考都会采用经典的空载实验的结果。

至于转子时间常数的辨识精度评估，一般认为是比较困难的，因为转子电流往往是无法测量的。也正是因此，可以用绕线式感应电机来验证转子时间常数辨识的准确性。然而，对于鼠笼式感应电机，则只能进行间接的验证。文献中有不少对转子时间常数在线调节的方法，但是往往依赖于其他参数的准确性。很长一段时间里，有效的转子时间常数的辨识方法就是Lorenz在1986年提出的“方波转矩给定下检验三角波转速波形”。令感应电机运行在转矩模式下，并给定额定励磁，以及一个交变的方波转矩参考波形，如果控制器中的转子时间常数值是准确的，速度响应将会是一个三角波的形状。如果转子时间常数值不准确，那么响应的转矩波形就会与给定转矩不同，速度响应也会偏离理想的三角波形状。该方法需要肉眼检验，不同的人可能有不同的判断，所以对转子时间常数的辨识精度的评价是非常有限的。

发明内容

为了克服现有技术的不足，在电机转速可测且负载为直流发电机负载的前提下，本发明提出一种基于磁场定向准确性的感应电机转子时间常数的验证方法。

一种基于磁场定向准确性的感应电机转子时间常数的验证方法，

在鼠笼式感应电机间接转子磁场定向控制系统中，在不测量其转子电流的前提下，对转子侧参数“转子时间常数”的准确性进行判断，其实现步骤如下：

(1)在间接转子磁场定向控制中，给定相等的转矩电流和励磁电流；

(2)让电机以转矩给定运行的方式拖动直流发电机负载转动；

(3)不断改变控制器中的转子时间常数值，并记录相应的电机稳态转速值；

(4)观察电机的稳态转速对应某一个转子时间常数值的时候达到最高，该转子时间常数

值即为准确值。

所述步骤(1)包括如下步骤：

(1A)在转子磁场定向控制中，各电量被变换到MT系下，其M轴和转子磁链矢量对齐，T轴由M轴逆时针旋转90°电角度确定；

(1B)电流的T轴分量即为转矩电流，而M轴分量则为励磁电流；一般给定电流的M轴分量可选为电机的额定励磁电流，给定电流的T轴分量则等于M轴分量。

所述步骤(2)包括如下步骤：

(2A)要求电机负载的负载特性满足负载转矩随着电机转速的升高而相应升高，这里以直流发电机负载为例；

(2B)电机的运行模式为转矩给定运行模式，即电机最终会运行于产生给定的电磁转矩的状态；由于负载的作用，电机最终会运行于某一稳定转速下。

所述步骤(3)包括如下步骤：

(3A)间接磁场定向控制中，其滑差按下式计算

其中，顶标“^”代表控制器中使用的数值，也即估计值；τ_r代表转子时间常数，ω_sl代表滑差，而和分别为给定电流的T轴分量和M轴分量；最后，为了方便描述，我们将转子时间常数的倒数记作

(3B)如果α的值不准确，那么转子磁场定向就是有偏的；这时，我们引入M′T′坐标系，其M′轴平行于实际转子磁链矢量，而T′轴则超前于M′轴90度；此时转子时间常数误差满足下式

这是因为，我们总能控制电机的同步速，所以有下式成立

其中，ω_e和ω_r分别代表同步速和电气转速；进一步地，电机的电磁转矩T_em满足下式

其中，为电机常值参数；通过令给定电流的M轴分量和T轴分量相等，即我们得到

容易发现，电机产生的电磁转矩在的时候可以取到最大值也就是说，当且只有转子时间常数的值是准确的时候，即的时候，电机输出的转矩才能达到最大；

(3C)改变控制器中的转子时间常数值，就会影响电机的转矩输出能力；由于电机的负载转矩的值正比于电机的转速值，所以，尽管电机的电流给定保持不变，但是电机的稳态转速将随着转子时间常数值的改变而改变。

所述步骤(4)包括如下步骤：

(4A)在一定范围内改变转子时间常数的值，将观察到电机的稳态转速在对应某一个转子时间常数值的时候达到最高，该转子时间常数值即为准确值。

本发明的有益效果：

本发明描述了一个基于磁场定向准确性的鼠笼式感应电机的转子时间常数验证方法。该方法基于转子时间常数不准确对间接转子磁场定向控制的作用机制，以电机运行于转矩模式下的稳态转速为判据，自动对转子时间常数准确性的判断，其结果不需要进一步的人工判断，并且实施起来非常方便，将获得的数据制成图表将非常直观。

附图说明

图1是实现本发明的间接转子磁场定向控制系统示意图；

图2是实现本发明的算法的实验验证图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的阐述。

参见图1，强电部分，三相交流电源经过不控整流得到直流母线电压U_dc，供给电压源型逆变器，再得到供给异步电机的三相电源。

弱电部分，采用矢量控制方式，包含电压、电流传感器，3相/2相静止坐标变换模块，2相静止/2相同步速坐标变换模块，滑差、磁场角度等计算，额定励磁电流给定，速度环PI控制器模块，电流环PI控制器模块，2相同步速/2相静止坐标变换模块，电压空间矢量脉宽调制模块。

本发明主要涉及本发明的转子时间常数准确性的验证方法，其他模块为感应电机间接磁场定向控制所需的功能性模块，为本领域公知常识。

下面描述整个系统的工作流程，以介绍各模块的连接关系。

1.由传感器测得三相异步电机的各相电流与电压，输入“3相/2相静止坐标变换模块”，得到定子电流i_s的分量i_sα和i_sβ，定子电压u_s的分量u_sα和u_sβ；

2.在间接转子磁场定向控制中，给定相等的转矩电流和励磁电流；

(2A)在转子磁场定向控制中，各电量被变换到MT系下，其M轴和转子磁链矢量对齐，T轴由M轴逆时针旋转90°电角度确定；

(2B)电流的T轴分量即为转矩电流，而M轴分量则为励磁电流；一般给定电流的M轴分量可选为电机的额定励磁电流，给定电流的T轴分量则等于M轴分量。

3.电流PI根据电流误差来计算电压给定。

4.电压空间矢量脉宽调制模块以α轴电压u_sα和β轴电压u_sβ作为输入，输出三相PWM给逆变器的门极，从而让电机以转矩给定运行的方式拖动直流发电机负载转动；

(4A)要求电机负载的负载特性满足负载转矩随着电机转速的升高而相应升高，这里以直流发电机负载为例；

(4B)电机的运行模式为转矩给定运行模式，即电机最终会运行于产生给定的电磁转矩的状态；由于负载的作用，电机最终会运行于某一稳定转速下。

5.不断改变控制器中的转子时间常数值，并记录相应的电机稳态转速值；

(5A)间接磁场定向控制中，其滑差按下式计算

其中，顶标“^”代表控制器中使用的数值，也即估计值；τ_r代表转子时间常数，ω_sl代表滑差，而和分别为给定电流的T轴分量和M轴分量；最后，为了方便描述，我们将转子时间常数的倒数记作

(5B)如果α的值不准确，那么转子磁场定向就是有偏的；这时，我们引入M′T′坐标系，其M′轴平行于实际转子磁链矢量，而T′轴则超前于M′轴90度；此时转子时间常数误差满足下式

这是因为，我们总能控制电机的同步速，所以有下式成立

其中，ω_e和ω_r分别代表同步速和电气转速；进一步地，电机的电磁转矩T_em满足下式

其中，为电机常值参数；通过令给定电流的M轴分量和T轴分量相等，即我们得到

容易发现，电机产生的电磁转矩在的时候可以取到最大值也就是说，当且只有转子时间常数的值是准确的时候，即的时候，电机输出的转矩才能达到最大；

(5C)改变控制器中的转子时间常数值，就会影响电机的转矩输出能力；由于电机的负载转矩的值正比于电机的转速值，所以，尽管电机的电流给定保持不变，但是电机的稳态转速将随着转子时间常数值的改变而改变。

6.观察电机的稳态转速对应某一个转子时间常数值的时候达到最高，该转子时间常数值即为准确值。

(6A)在一定范围内改变转子时间常数的值，将观察到电机的稳态转速在对应某一个转子时间常数值的时候达到最高，该转子时间常数值即为准确值。

7.相应的实验结果如图2所示。实验这里我们设计一个转矩模式运行实验，以验证所用转子时间常数值的准确性。因此，转速由码盘测量获得，电机的负载选为直流发电机负载。由于在不同的实验中，转矩给定和励磁给定都是保持不变的，电机最终稳定的转速的大小就是电机输出转矩的能力强弱的指标。我们发现电机的稳态转速ω_r|_t＝∞在控制器中转子时间常数的倒数的时候达到最大。