0 引言

矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用階段。眾所周知，矢量控制系統(tǒng)性能的好壞，很大程度上依賴于電機(jī)參數(shù)辨識(shí)的準(zhǔn)確與否，因而準(zhǔn)確獲得這些參數(shù)是矢量控制系統(tǒng)的關(guān)鍵問題。一般而言感應(yīng)電機(jī)參數(shù)辨識(shí)分為離線自提交和在線自校正。電機(jī)參數(shù)的在線自校正需要系統(tǒng)已整定好以及準(zhǔn)確的速度信息，其方法主要有卡爾曼濾波、模型參考自適應(yīng)和最小方差估計(jì)器等。參數(shù)離線自提交得到的電機(jī)參數(shù)的初始值，用于在線自校正算法中，可提高算法的收斂速度。因此國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)此做了很多有意義的工作，主要有以下幾種方法：

1)空載試驗(yàn)和堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)法[1];

2)對(duì)電機(jī)的三相輸入側(cè)施加不同的激勵(lì)，利用電機(jī)本身的空載和堵轉(zhuǎn)等效電路進(jìn)行參數(shù)自提交[2~5];

3)利用最小二乘法進(jìn)行參數(shù)自檢測[6、7];

4)利用過渡過程響應(yīng)波形進(jìn)行自提交[8]。

在假定感應(yīng)電機(jī)三相平衡的前提下，提出一種簡易的高精度異步電機(jī)參數(shù)離線辨識(shí)方法，利用電機(jī)學(xué)原理，同時(shí)對(duì)逆變器及電機(jī)中的導(dǎo)通壓降、開關(guān)延遲、死區(qū)時(shí)間和集膚效應(yīng)等因素進(jìn)行合理 的補(bǔ)償，以保證辨識(shí)的參數(shù)具有較高的精度和可信度。該方法包括4個(gè)辨識(shí)子過程:定子電阻辨識(shí)、定轉(zhuǎn)子漏感辨識(shí)、轉(zhuǎn)子電阻辨識(shí)以及互感的辨識(shí)。整個(gè)過程可自動(dòng)完成，不需要進(jìn)行復(fù)雜的堵轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)。

1 參數(shù)辨識(shí)原理

1.1 定子電阻辨識(shí)

假設(shè)感應(yīng)電機(jī)三相平衡，則只需要檢測其單相電路的定子電阻。如圖2所示為電壓型交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)的主電路，使V1一直導(dǎo)通，V2、V3、V5、V6一直關(guān)斷，而V4 由脈沖序列驅(qū)動(dòng)，則在A、B 兩相繞阻上將產(chǎn)生一組電壓脈沖序列。設(shè)時(shí)鐘周期為Ts，脈沖寬度為t，則脈沖的占空比D=t/Ts，繞阻上的電壓平均值則為Udc伊D，這樣就得到一個(gè)等效的直流電壓，A、B兩相同時(shí)流過的電流為I，相應(yīng)的辨識(shí)定子電阻值為

1.2 定轉(zhuǎn)子漏感辨識(shí)

根據(jù)電機(jī)的電磁物理特性，可以假設(shè)定轉(zhuǎn)子的漏感是相等的。如圖3所示，當(dāng)進(jìn)行電機(jī)漏感測試時(shí)，由于向電機(jī)注入的是高頻脈沖信號(hào)(1 kHz 左右)，只要頻率足夠高，等效電路中的電阻項(xiàng)就可以忽略。對(duì)電機(jī)進(jìn)行單相測試，A、B兩相同時(shí)進(jìn)行，為了減小忽略定、轉(zhuǎn)子電阻所帶來的影響，可以使定子電流的最大值與最小值的大小相等而極性相反，即在測定漏感的時(shí)間間隔內(nèi)，使電流的平均值為零。如圖2中所示，V5和V6在測試A、B側(cè)的漏感時(shí)始終為關(guān)斷。當(dāng)UAB=+Udc時(shí)，使V1和V4同時(shí)導(dǎo)通，V2 和V3處于關(guān)斷狀態(tài);當(dāng)UAB= -Udc時(shí)，使V2和V3同時(shí)導(dǎo)通，V1和V4處于關(guān)斷狀態(tài), 電壓電流波形如圖4 所示。計(jì)算漏感的公式為

1.3 轉(zhuǎn)子電阻辨識(shí)

電機(jī)加上單相正弦電壓時(shí)，沒有電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生，其電磁現(xiàn)象與三相堵轉(zhuǎn)時(shí)基本相同，圖5為模擬電機(jī)堵轉(zhuǎn)的等效電路。當(dāng)電流達(dá)到給定值后，在A、B 兩相之間產(chǎn)生了一個(gè)基波頻率為f，基波幅值為Um的正弦PWM電壓。通過檢測電壓和電流信號(hào)之間的相位差茲，可以算出轉(zhuǎn)子電阻為

在該檢測過程中，正弦基波頻率f的大小對(duì)轉(zhuǎn)子電阻辨識(shí)結(jié)果影響很大。若f較小，則Xm(電機(jī)勵(lì)磁電抗)值變小，勵(lì)磁支路的阻抗將不能忽視;若f較大，

則集膚效應(yīng)的影響嚴(yán)重，導(dǎo)致辨識(shí)轉(zhuǎn)子電阻偏大。采用在f1=20 Hz 和f2=40 Hz兩個(gè)頻率點(diǎn)進(jìn)行單相短路試驗(yàn)，得到轉(zhuǎn)子電阻值Rr1、Rr2。近似認(rèn)為集膚效應(yīng)的

影響與頻率成線性關(guān)系，則可通過對(duì)電阻值Rr1、Rr2采用兩點(diǎn)法，計(jì)算出額定轉(zhuǎn)差頻率fs(1 ~4 Hz)處的轉(zhuǎn)子電阻，以此作為真正的轉(zhuǎn)子電阻值

1.4 互感辨識(shí)

電機(jī)空載時(shí)轉(zhuǎn)差s=0，這時(shí)等值電路變成圖6所示電路。逆變器供電下的空載試驗(yàn)與常規(guī)電機(jī)學(xué)試驗(yàn)非常類似。采用V/f 控制方式，使電機(jī)不帶任何負(fù)載運(yùn)行在頻率f下，從而檢測出電壓和電流信號(hào)之間的相位差茲。這樣就可以按照辨識(shí)轉(zhuǎn)子電阻試驗(yàn)的計(jì)算方法得到異步電機(jī)空載等效電路中的電抗了。電機(jī)勵(lì)磁電抗為

會(huì)對(duì)相位的檢測造成較大的影響，所以需要對(duì)采樣的電流信號(hào)進(jìn)行低通濾波處理?？紤]到基波信號(hào)的最大頻率值為50 Hz，且需要知道信號(hào)的精確的相位信息，所以設(shè)計(jì)的濾波器截止頻率為100 Hz，是具有線性相移的FIR 濾波器，階數(shù)為50 階，圖7 為該濾波器的幅頻相頻特性。[!--empirenews.page--]

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)是在以TI 公司DSP TMS320F2812 為控制

CPU 的平臺(tái)上進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)中的PWM 開關(guān)頻率fk=

4 kHz，感應(yīng)電機(jī)銘牌參數(shù)為：額定功率PN=1.1 kW;額

定電壓UN=380 V;額定電流IN=2.67 A;額定頻率fN=

50 Hz;額定轉(zhuǎn)速nN=1 410 r/min;定子電阻Rs=5.27 贅;

轉(zhuǎn)子電阻Rr=5.07 贅;互感Lm=0.421 H;定子電感Ls=

0.423 H;轉(zhuǎn)子電感Lr=0.479 H。

2.1 檢測定子電阻

給定電流I*，通過PI控制器調(diào)節(jié)占空比D，使流過定子側(cè)的直流電流穩(wěn)態(tài)值達(dá)到I*。由于該直流電流信號(hào)是直流母線經(jīng)過PWM 斬波加在定子電阻兩相的，所以存在高頻信號(hào)和線路白噪聲的干擾，需要用本文設(shè)計(jì)的FIR濾波器對(duì)其進(jìn)行處，由于是直流信號(hào)，所以幅值沒有衰減，不需要進(jìn)行相應(yīng)的幅值和相位的補(bǔ)償。圖8為給定電流I*=2.4 A時(shí)，定子電流的波形，等電流進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，對(duì)濾波后的電流進(jìn)行連續(xù)100次的采樣，通過式(1)計(jì)算每次采樣的電流對(duì)應(yīng)的定子電阻

值，取平均值即為定子電阻的辨識(shí)值，定子電阻的最終辨識(shí)結(jié)果為5.43 贅。

2.2 檢測定轉(zhuǎn)子漏感

在檢測漏感的實(shí)驗(yàn)中，將直流母線電壓交替作用于A、B兩相，占空比為50%。給定近似三角波的電流幅值I*=2.4 A，通過調(diào)節(jié)作用周期T，達(dá)到對(duì)定子電流幅值的控制。圖9為AB 間線電壓和B相的電流，A相的電流和B相大小相等方向相反。在每次Uab切換的瞬間，對(duì)電流進(jìn)行采樣，分別取得電流的最大值和最小值，然后通過公式(2)就可以計(jì)算出定轉(zhuǎn)子漏感。從圖9 中可以看出，Uab的幅值為514 V，電流Ib的幅值為2.4 A，周期為1 ms，在每一個(gè)周期中進(jìn)行一次采樣計(jì)算，取10 組數(shù)據(jù)算平均值，最后得出定轉(zhuǎn)子的漏感為0.029 H。

2.3 檢測轉(zhuǎn)子電阻

為了提高轉(zhuǎn)子電阻的辨識(shí)精度，需要在兩個(gè)頻率點(diǎn)分別辨識(shí)轉(zhuǎn)子電阻，然后根據(jù)式(4)進(jìn)行線性化處理。實(shí)驗(yàn)中，首先給定同步頻率f=40 Hz，電流的采樣周期為0.25 ms。對(duì)采樣的電流信號(hào)進(jìn)行FIR濾波處理，由FIR濾波器的特性可知，濾波后的信號(hào)相位將延遲90毅，在電壓值為0時(shí)，取得該時(shí)刻的電流值，然后檢測電流信號(hào)的幅值，即可得出濾波后電流信號(hào)和電壓信號(hào)之間相位差茲憶的sin茲憶，并做相應(yīng)的相位補(bǔ)償，可以得出實(shí)際電壓和電流之間的相位差茲，根據(jù)式(3)就可以計(jì)算出f=40 Hz時(shí)的轉(zhuǎn)子電阻。然后設(shè)置同步頻率f=20 Hz，此時(shí)濾波器的相移為45毅，進(jìn)行同f=40 Hz時(shí)一樣的處理，即可得出f=20 Hz 時(shí)的轉(zhuǎn)子電阻值，最后用公式(4)進(jìn)行線性化處理。圖10為辨識(shí)轉(zhuǎn)子電阻時(shí)電壓電流波形，通過多次計(jì)算取平均值，得出轉(zhuǎn)子電阻Rr=4.95 贅。

2.4 檢測互感

用V/f的控制方法起動(dòng)電機(jī)到給定的同步頻率f=40 Hz，電機(jī)空載運(yùn)行，相電壓為額定電壓220 V，這樣所得出的電流就是該電機(jī)的空載電流。檢測電壓和電流之間相位差的辦法和測轉(zhuǎn)子電阻時(shí)是一樣的。圖11為空載時(shí)，A相電壓和電流的波形，從圖中可以看出，空載電流幅值大約為1.8 A。對(duì)電壓電流進(jìn)行10個(gè)周期的采樣和計(jì)算，取它們的平均值即為感應(yīng)電機(jī)互感值，本實(shí)驗(yàn)電機(jī)的互感辨識(shí)值為0.445 H。

3 結(jié)語

介紹了一種離線檢測感應(yīng)電機(jī)四個(gè)主要電氣參數(shù)的方法，所有實(shí)驗(yàn)過程均由系統(tǒng)自動(dòng)完成。該方法的特點(diǎn)如下：

1)加入了低通數(shù)字濾波器，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗噪特性;

2)無須增加外圍設(shè)備，現(xiàn)場開機(jī)前或者運(yùn)行間隙均可進(jìn)行參數(shù)辨識(shí);

3)自動(dòng)測試結(jié)果重復(fù)性好，精度能滿足要求;

4)整個(gè)測試過程計(jì)算量小，通過引入濾波器，省去了復(fù)雜的FFT。