一种新型的电机参数离线辨识系统.pdf

第45卷第4期 2011年4月 电力电子技术 Power Electronics Vo1 45 No 4 April 2011 一种新型的电机参数离线辨识系统 高万兵 王忠庆 任一峰 1 中航锂电 洛阳 有限公司 河南洛阳471003 2 中北大学 山西太原030051 摘要 在实际工程应用中 常规空载实验和堵转实验辨识电机参数的方法难以实现 且辨识精度不高 针对此 问题 设计了一种基于TMS320F2808的异步电机参数辨识系统 该系统能够通过直流实验 单相交流实验以及 空载实验代替常规辨识方案对工程现场电机的参数进行辨识 这里论述了异步电机参数辨识系统的设计和实 现过程 并对电机参数辨识中出现的关键技术问题提出了相应的解决方案 实验结果表明 该系统能有效消除 集肤效应和死区效应所产生的辨识误差 且算法简单 易于实现 辨识精度高 关键词 异步电机 参数辨识 快速傅里叶变换 中图分类号 TM343 文献标识码 A 文章编号 1000 100X 2011 04 0049 03 A New System of Off line Parameter IdentificatiOn fIor Asynchronous Motor GAO Wan bing WANG Zhong qing REN Yi fens 1 China Aviation Lithium Battery Co Ltd Luoyang 471003 China 2 Noah Unwemity ofChina Taiyuan 030051 China Abstract For the problem that conventional no load test and locked rotor test motor parameters identification method is difficult to achieve in practical engineering application and that identification accuracy of the me od is not high parameter identification of induction motor systems is proposed based on TMS320F2808 The system is able to use DC experiments single phase test and load test in place of conventional identification scheme for project site of motor pa rameters identification The experiment demonstrates the asynchmnous motor parameter identification system design and realization process of motor parameter identification putting forward the corresponding solutions in the key technical problems appeared in motor parameter identification The experimental results show that the system can effectively e liminate the cause of identification error by skin effect and dead zone effect and the algorithm is simple easy to re alize and hi gh identification accuracy Keywords asynchronous motor parameter identification fast fourier transform 1 引 言 2参数辨识方案分析 对异步电机而言 无论矢量控制还是直接转 矩控制 其算法都依赖于电机参数 这些参数的辨 识精度在很大程度上决定了控制系统性能 在实 际工程中 很难采用常规空载实验和堵转实验测 量电机参数 并且采用此方法测定的参数精确度 不高 鉴于此 采用感应电机参数自测定方法 在 异步电机数字控制器中移植参数测定程序 分别 通过直流实验 单相交流实验以及电机的空载实 验对电机各参数进行自动辨识 该系统采用的辨 识方案能有效消除集肤效应和死区效应所产生的 辨识误差 并且算法简单 精度高 容易实现 定稿Et期 2010 11 05 作者简介 高万兵 1985一 男 甘肃镇原人 硕士 研究方 向为电气传动自动化 2 1定子电阻的辨识 通过伏安法辨识定子电阻 具体过程为 向电 机定子绕组注入低压直流电流 通过测量加在两相 定子绕组上的电压值和输入电流值就可算出定子 两相绕组的电阻值 低压直流电源能通过将母线 直流电压斩波得到占空比恒定的高频电压脉冲系 列来实现 图1为三相PWM逆变器原理图 若要 在a b两相绕组注入低压直流电时 先使开关管 VT4一直处于导通状态 VT2 VT3 VT5和VT6均保 持关断 然后对 VT 施加固定占空比的PWM驱动 信号 采用通过直流斩波获得的低压直流电源测 定定子电阻方法会存在开关管导通和关断延迟时 间以及管压降的问题 使实际电阻与实验测定的 电阻有一定误差 故需进行有效误差补偿才能获 得准确的定子电阻阻值 在实验中 改变直流斩波 的占空比大小 可获取不同的电压和电流值 再通 49 第45卷第4期 2011年4月 电力电子技术 PowerElectronics Vo1 45 No 4 April 2011 过电压增量和电流增量来辨识定子电阻 这样避 免了硬件测试系统所带来的测量误差 提高了参 数辨识的精度 定子电阻的计算式为 Rs 1 式中 v k v k一1 分别为前后两次加在绕组上的直流电 压值 t k t k一1 分别为前后两次不同幅值直流电压在 绕组上产生的电流值 V V VT2J 本 V 14J 本 VT6J 2 VD6 图1三相PWM逆变器原理图 分别对定子其他绕组的电阻值进行辨识 将 辨识结果求平均值便可得定子电阻最终辨识值 2 2转子电阻和漏感辨识 采用单相短路实验代替电机堵转实验辨识转 子电阻和定转子漏感 5 若给电机定子绕组施加 单相正弦电压时 电机状态及电磁现象与三相堵 转情况基本相似 则不会产生电磁转矩 单相正弦 电压生成的具体实现方法与前述直流电压生成方 法类似 同样以a b两相绕组为例 对VT 施加经 调制后的SPWM信号 其他开关管的开关状态与 直流实验开关管的开关状态一样 可通过改变 PWM的占空比来调节输出正弦电压的幅值 为简化算法 在输出电压相位过零点时对电 流信号进行采样 并进行FFr分析 从而得到电 流基波分量的有功和无功分量分别为 式中 为电流基波幅值 为电流初相角 为输出电流 的基波周期 为采样周期 异步电机转子堵转时的等效电路如图2所 示 在实验中 由于X 21T m 为降低辨识 的复杂性 通常忽略R 并且认为定子漏感 与 转子漏感 近似相等 记为 若用 表示加在 a b绕组两端基波电压幅值 则转子电阻为 R Ilcosgi 2 3 图2异步电机转子堵转时的等效电路 定 转子漏感为 L L 4 o Il 1 在电机实际运行中 滑差频率一般为额定频 率的1 5 而短路实验所要求的频率较高 通 常忽略等效电路中励磁电感 由于实验过程中转 子电流频率要远大于滑差频率 故参数辨识将受 集肤效应的影响 计算得到的转子电阻要比实际 值偏大 通常认为集肤效应中频率对转子电阻的 影响是线性关系 通过在实验过程中改变正弦电 压频率 在频率 条件下分别计算转子电阻为 尺 尺 则电机正常运行时的转子电阻值为 R JR 一 5 l f2 式中 为转差频率 2 3定 转子互感辨识 定 转子互感辨识能通过空载实验实现 当电 机空载运行时 电机的转速接近于同步转速 转差 率接近零 电机转子回路相当于开路 定子电流基 本等于励磁电流 在电压相位过零点时刻对定子 电流进行采样 通过F兀 分析来计算有功及无功 分量 再由无功分量计算互感 m Ul llT lsinOi L 6 n广 一一 u 玎 1一 在进行空载实验时 一般采用空间矢量脉宽 调制 SVPWM 技术驱动电机 在SVPWM逆变器 中 为防止同一桥臂两个开关管同时导通 需在 两个开关管开通与关断时刻之问加一定的死区时 间 使在死区时间内输出电压的大小不受开关管 控制 此外 实际中开关管开通和关断均需要一定 时间 开关管和反并联二极管有一定的通态管压 降 这些因素共同作用使输出电压产生一定误差 故在参数辨识中 需对死区效应的影响加以考虑 如果考虑死区时间t扒开关管和二极管的管 压降u u 开关器件开通关断延迟时间t t 对输出电压的影响 则等效死区时间为 t sign i td t 一 7 式中 当 0时 sign i 1 当 O时 一 fm vs t vD lUg 当 O时 f一 f 由此 在一个周期内 实际输出与理想相电压 的平均电压误差为 则实际基波电压 幅值可表示为U U1 为参考电压的幅值 3参数辨识系统 图3所示异步电机的参数辨识硬件结构 由 主电路和控制电路两部分组成 其中主电路采用典 一 帆一 毗一 r s 帆 眦 一 盈 一种新型的电机参数离线辨识系统 型的AC DC AC电压型变频结构 整流环节采用 单相桥式不可控整流电路 逆变电路采用智能功率 模块 IPM PS21869 直流中间电路主要元器件是 大容量的铝电解电容 此外 由于电动机制动的需 要 在直流电路中还包括泵升电压限制电路 启动 电路以及其他辅助电路 控制电路以TMS320F2808 为核心 主要由电流 电压检测电路转速检测电 路 以及DSP的其他外围电路组成 在控制器中 烧写参数自测定程序 通过预先设定硬件参数 依 次完成各实验 最终实现电机参数测定 QF 220 50Hz l2V控制信号 L P广 IM 霍尔电流 传感器 茎 二二二匝二二 l厂 皇堕 显示器 DSP 皇 塑垒 丽丽 图3参数辨识系统硬件结构图 4实验结果 采用上述参数辨识方案 并借助直接转矩控 制系统的硬件平台对已知参数的实验电机进行参 数辨识 实验电机额定参数为 Pn 2 2 kW 380 V L 5 A n 1 420 r rain cos 0 82 实验 波形如图4所示 搴萋 蔫 垂爹 0 0 I n n n n l l Il 0 l 8 U Ual H 0 I ms 格 fa 直流实验绕组电流 电压 轴 b f i 2 ms 格 t 5 ms 格 b 单相实验绕组电流 电压 c 空载实验电机两相电流 图4硬件实验波形 图4a为直流实验占空比为5 时 测得的电机 a b相绕组电压u出及绕组电流i出波形 通过上述 方案对定子电阻进行辨识 得定子电阻尺 2 58 n 图4b为单相实验时i出 波形 交流电压由 SPWM信号调制而成 DSP系统时钟设为100 MHz PWM调制频率为500 Hz 采用所介绍的方案 辨识 得到的R 3 12 Q 定 转子漏感L 13 3 mH DSP系统时钟设为100 MHz PWM调制频率 为4 kHz 功率模块死区时间为2 s 考虑裕量问 题 实验中设定 td 4 Ixs 开关器件 1 3 s t 2 s vs 2 V vD 2 2 V 0 3 Ixs 图4c为电机 在16 Hz时空载实验两相电流波形 采用所介绍的 方案 辨识得定 转子互感Lm 243 mH 对电机实际参数和辨识结果进行对比 R 实际 值为2 58 n 辨识值为2 6 n R 实际值为3 12 Q 辨识值为3 17 Q 实际值为l3 3 mH 辨识值为 13 8 mH L 实际值为243 mH 辨识值为239 mH 可见辨识结果比较理想 5 结 论 理论分析和实验结果表明 该系统所采用的 参数辨识方案能够辨识所测定电机的全部参数 辨识精度高 实验结果验证了该方案的有效性和 实用性 在电机参数测定中 需注意在进行直流 实验时 电压不宜过高 一般约为电机额定电压 的1 5 否则容易烧坏电机 此外电机等效电 路参数会受磁路饱和程度 温度等因素的影响 为 了获取准确的电机参数 应力求使单相实验和空 载实验时的磁路饱和状态和发热状态接近于电机 正常工作时的状态 参考文献 1 程超 程善美 基于矢量控制的电机参数辨识及自 调整策略 J 微电机 2000 33 6 19 21 2 C Attaianese V Nardi G Tomasso A Self commissioning Algorithm for VSI fed Induction Motors J IEEE Trans on Power Electronics 2002 17 6 1017 1023 3 M Bertoluzzo G S Suja R Menis Self commissioning of RFO IM Drives One test Identification of the Magneti zation Characteristic of the Motor J IEEE Trans ON In dustry Applications 2001 37 6 1801 1806 4 C Grantham D Mckinnon Rapid Parameter Determination for Induction Motor Analysis and Control A IEEE 37th Industry Applications Conference C 2002 2 2 l 141 1146 5 A Gastli Identification of Induction Motor Equivalent Cir cuit Parameters Using the Single Phase Test J IEEE Trans on Energy Conversion 1999 14 1 51 56 5l 阻 肩电