摘要：在變頻器拖動異步電機要求高動態(tài)性能時，通常要采用矢量控制方式。矢量控制方式的動態(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的詳細(xì)參數(shù)。文章從電機的等效電路和數(shù)學(xué)模型分析，提出利用變頻器進(jìn)行電機參數(shù)自動辨識的方案，仿真和實驗結(jié)果證明該方法實現(xiàn)簡便，辨識結(jié)果能滿足矢量控制及轉(zhuǎn)速估算的應(yīng)用，實用性較強。

1 引言

在交流異步電機調(diào)速系統(tǒng)中，矢量控制方式能使交流電機的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流解耦，從而獲得如直流他勵電機調(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現(xiàn)需要用到電機的定轉(zhuǎn)子電阻、定轉(zhuǎn)子漏感和互感參數(shù)。對于通用變頻器來說，工程現(xiàn)場電機的參數(shù)是無法預(yù)知的，而對工程現(xiàn)場的電機采用常規(guī)的堵轉(zhuǎn)實驗和空載實驗方式測量參數(shù)更加難以實施；且對同一個電機來說，長時間的老化和環(huán)境的影響也會使電機參數(shù)發(fā)生變化，因此，利用變頻器本身在電機運行前對電機進(jìn)行參數(shù)自動辨識是有必要的。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，也不需要更改電機接線，利用變頻器脈沖調(diào)制的原理進(jìn)行直流實驗、單相交流的堵轉(zhuǎn)實驗、空載實驗對電機參數(shù)進(jìn)行辨識1。

2 參數(shù)辨識原理

異步機矢量控制系統(tǒng)中，需要用到的電機參數(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的典型連接方式。逆變器的3個橋臂A，B，C分別與異步機的三相繞組a，b，c對應(yīng)相連。

圖1變頻器與電機主電路結(jié)構(gòu)

Fig.1 Main circuit structure of inverter and motor

圖2 所示為異步電機的單相T形等效電路。

圖2 異步電機的單相T形等效電路

Fig.2 The T equivalent circuit of induction motor

2.1 定子電阻辨識

通過直流實驗(即伏安法)來辨識，需要通過逆變器向電機定子繞組注入直流電流。實現(xiàn)方法是，使圖1中B、C相橋臂控制信號相同，即電機b，c相短接，向電機施加直流脈沖電壓，每個開關(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驗中的直流電流，此時等效電路簡化如圖3所示。

圖3直流實驗等效電路

Fig.3TheTequivalentcircuitofDCexperiment

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

(1)

實際應(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際電流誤差較小，但此時實際輸出直流電壓的占空比極小，實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；這里采用斜率計算法消除死區(qū)和開關(guān)管壓降的影響2，具體實現(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)時實際電壓平均值分別為，，則：

(2)

兩式相減，得到定子電阻計算如式(3)所示

(3)

2.2 定轉(zhuǎn)子漏感和轉(zhuǎn)子電阻辨識

采用單相實驗代替?zhèn)鹘y(tǒng)的三相堵轉(zhuǎn)實驗來辨識定轉(zhuǎn)子漏感和轉(zhuǎn)子電阻。在電機繞組施加單相正弦電壓時，不會產(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橋臂的控制信號相同，A相電流幅值作為反饋信號，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，按照該幅值向電機施加電機額定頻率的正弦電壓。此時等效電路如圖4(a)。在額定頻率正弦交流電壓下，異步機定轉(zhuǎn)子漏抗和電阻相對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單相實驗等效電路圖

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。

對于單相正弦信號，可以將該信號作為，對該信號采樣值進(jìn)行微分構(gòu)造正交信號，由可以求得單相正弦信號的幅值和相角3,如式（8）（9）所示。該方式相對于FFT方式減小了計算量，節(jié)省程序運行時間。

(8)

(9)

2.3 定轉(zhuǎn)子互感辨識

通過空載實驗來辨識電機定轉(zhuǎn)子互感。當(dāng)電機空載時，電機轉(zhuǎn)速基本上接近同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差率，電機轉(zhuǎn)子回路相當(dāng)于開路，此時電機單相等效電路如圖5所示。

圖5空轉(zhuǎn)實驗等效電路圖

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 仿真驗證

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

表1電機參數(shù)設(shè)定

Tab.1The set value of motor parameters

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

為方便對比，仿真和實驗統(tǒng)一采用SVPWM方式發(fā)送脈沖，當(dāng)保持計算脈沖的角度時，直流實驗得到的脈沖電壓和電流波形如6所示，其中為A相實際電流，為計算的平均電流，為計算脈沖所需的調(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際電流；按照式(3)計算得到定子電阻標(biāo)幺值并轉(zhuǎn)換為實際值。

圖6直流實驗電壓和電流波形

Fig.6 The wave of DC simulation

單相實驗向電機施加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)換為實際值。

圖7單相堵轉(zhuǎn)實驗電壓和電流波形

Fig.7 The wave of single phase simulation

三相空載實驗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的有效值計算方法得到所需變量，按式(10)、(11)計算得到定轉(zhuǎn)子互感。

圖8空載實驗電壓和電流波形

Fig.4 The wave of single phase simulation

參數(shù)計算結(jié)果與電機參數(shù)設(shè)置值比較如表2所示：

表2電機參數(shù)辨識精度

Tab.2 Motor parameter identification precision

4 實驗驗證

按照文中所述方法在實際變頻器和電機上進(jìn)行實驗，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采樣周期波動所致。

圖9直流實驗調(diào)制度和電流波形

Fig.9 The wave of DC experiment

圖10單相堵轉(zhuǎn)實驗調(diào)制度和電流波形

Fig.10 The wave of single phase experiment

傳統(tǒng)方式按照電機學(xué)測試方法測試計算。得到的參數(shù)辨識結(jié)果如表3所示。

表3參數(shù)辨識方法與傳統(tǒng)測量方法對比

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

5 結(jié)論

仿真及實驗結(jié)果證明，仿真結(jié)果接近于電機設(shè)定參數(shù)．實驗結(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期、環(huán)境溫度等條件不同，因此存在較大的誤差，符合實際電機特性。其它參數(shù)誤差在3%以內(nèi)，滿足高性能調(diào)速要求。該辨識方法簡單，易于實現(xiàn)，對于定轉(zhuǎn)子電阻、漏感、互感均具有較高的辨識精度，能夠廣泛應(yīng)用于通用變頻器中。