一种高速列车牵引感应电机参数辨识方法
【专利摘要】一种高速列车牵引感应电机参数辨识方法，该方法利用电压型观测器和电流型观测器各自的优势，分别在牵引感应电机的高速和低速运行区域，同时运行两种磁链观测器并对控制器中设定的励磁电感、转子时间常数等主要模型参数进行校准，使得牵引感应电机在全速度运行范围内，这两种磁链观测器的观测效果均达到最优。本发明能够克服电机温升、励磁特性变化等不利影响，实现高性能的牵引控制。
【专利说明】一种高速列车牵弓I感应电机参数辨识方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种牵引感应电机磁场定向控制用的参数辨识方法，特别涉及一种牵弓I感应电机参数辨识方法。
【背景技术】
[0002]在高速列车等电气化轨道交通领域，大功率感应电机因其具有坚固耐用、维护量小、机械特性好等优点，得到了广泛应用。但由于感应电机高阶非线性强耦合的电磁特性，控制难度较大，一般的控制方法难以满足速度高、功率大以及转矩特性优良的严格要求，转子磁场定向控制具有电机动态响应快、转矩发挥充分、调速范围宽等优良特性，是当前该领域的一种主流控制技术。
[0003]转子磁场定向控制通过对电机的激励电流进行坐标变换，使励磁与转矩分量解耦控制，实现类似于直流电机的控制特性，由于坐标轴定向角度为转子磁链角，因此称为转子磁场定向控制。进行磁场定向控制的关键是采用磁链观测器获得准确的磁链角度与幅值，由于磁链观测器是基于电机数学模型的，依赖于电机参数准确性，当电机参数发生变化时，磁链观测器特性会下降，导致转矩发挥不准确，电机过热、噪音增大，甚至系统失稳等。
[0004]高速列车长时间处于满功率运行，电机内部温升较大，使电机的定、转子电阻值变化很大。而且，为充分满足牵引电机低速大转矩和宽调速范围的设计需求，励磁电感值的变化范围也很大。这样，控制器中用于构建电机数学模型的主要参数将偏离实际值，严重时，导致控制性能下降，这就是参数变化影响的本质以及牵引电机高性能控制的难点。为了克服这种影响，需要对电机参数进行在线校正和辨识，在这些方面已经有很多研究成果，可以分为离线和在线两大类方法(H.A.Toliyat, E.Levi, M.Raina.A Reviewof RFO Induct1n Motor Parameter Estimat1n Techniques.1EEE Trans on EnergyConvers1n, Vol.18，N0.2，June 2003:271-283.)，离线参数辨识是指在电机运行之前，对其施加激励信号和检测电机响应来获得电机相关参数，但由于在启动前难以进行，而且由于电机运行时参数会发生变化，因此通常采用在电机运行时对电机参数在线辨识的方法。如递推最小二乘法，其目标函数为测量结果对计算结果误差的平方和，该类方法计算量适中，但在优化过程中要用到目标函数对电机参数的导数，对测量噪声和转速波动均很敏感。(陆可感应电机状态估计和参数辨识若干新方法研究博士学位论文西安交通大学2008)
[0005]模型参考自适应在线辨识方法是以实际运行的感应电机为参考模型，以电机的状态观测方程为可调模型，利用电机某些可测量(如定子电压和电流)的估计偏差来实时调整可调模型使用的电机参数，从而辨识电机的参数，这种方法具有算法简单、易于在数字控制系统中实现等优点。但是同时辨识多个电机参数时，满足稳定性与收敛速度的参数自适应律是一个难于解决的问题。(D.P.marcetic, S.N.Vukosavie.Speed sensorless ACdrives with the rotor time constant parameter updata.1EEE Trans, on IndustrialElectronies, 2007, 54(5):2618-2625)。其他的如神经网络、模糊系统、遗传算法等人工智能的电机参数辨识方法，但是这些方法均存在收敛速度慢、算法和模型复杂等缺点，实际运用还有相当难度(M.Wlas, Z.Kzeminski, H.A.Toliya.Neural network based Parameterestimat1n induct1n motors.1EEE Trans, on industrial Electronics, 2008，55(4):1783-1794)。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于克服现有技术依赖于复杂模型和算法，实用性较差等缺点，提出一种高速列车牵引感应电机参数辨识方法。本发明采用磁链观测器对电机的励磁电感和转子时间常数等重要参数进行检测和校正，为准确地励磁和转矩发挥提供控制依据，使磁链观测器在各种工况下准确运行，以实现高速列车等电气牵引领域的大功率感应电机的高性能控制。
[0007]本发明采用两种磁链观测器:一种是按照电机电压、定子电阻、励磁电感、漏感等参数计算得到转子磁链的方法，称为电压型观测器；另一种是按照电机电流、电机转速、转子时间常数、励磁电感计算得到转子磁链方法，称为电流型观测器。电流型观测器采用基于转子转速积分得到的坐标转换角度，可以消除α、β轴之间的磁链耦合量。
[0008]在这两种观测器的计算中，除了计算因素和电压、电流、转速等测量值外，电流型观测器所用的转子时间常数受电机温度影响大，电压型观测器所用定子电阻虽然也受温度影响，但由于只用于计算电阻压降，但其影响较小，而且随电机转速上升，电机反电势增大，电压型观测器较准确，电流型观测器的准确度不随转速改变，因此这两种观测器具有一定的互补性，本发明利用这两种磁链观测器的特性，分别在牵引感应电机高速运行阶段和低速运行阶段对该牵引感应电机的励磁电感Ln^P转子时间常数I；进行在线校正，保证所述牵引感应电机全速度范围工作时磁链观测器的准确性，从而实现对牵引感应电机的高性能控制。
[0009]本发明方法的原理和步骤如下:
[0010]首先测量牵引感应电机的定子电阻。利用驱动电路向该电机发送一个微小的直流电压，检测该电机的电流，直流电压和电机电流相除即可得到定子电阻值。然后对牵引感应电机采用电流闭环控制。牵引感应电机的两个磁链观测器:电压型观测器和电流型观测器同时工作，利用电压型观测器得到的转子磁链角度进行坐标转换，将该电机升至额定转速点。此时电压型观测器的观测结果较准确，利用其观测的磁链幅值除以励磁电流值，可以得到励磁电感值；同时通过调节电流型观测器中的转子时间常数，使两个磁链观测器的观测角度相一致，达到校正转子时间常数的目的。然后再将该电机转速降低并稳速运行，由于之前已经校正了转子时间常数，电流型观测器已经较为准确，牵引感应电机在低速下运行，利用电流型观测器得到的转子磁链角度进行坐标转换，微调电压型磁链观测器中的漏磁参数，使其观测角度与电流型观测器一致，达到所有电机观测器所用参数校正的目的，最后全程运行，将两个磁链观测器得到的幅值与角度进行对比。得到全程最优的观测器模式。
[0011]本发明利用两种磁链观测器的互补特性，对磁链观测器所用的牵引感应电机参数进行反复校正，掌握了牵引感应电机励磁电感曲线，为施加合理准确的电机励磁控制提供依据，在实际运行中，可以采用查表的方式进行调用，同时辨识和校准了观测器的电机参数，使得观测精度得以提高，从而实现高性能感应电机牵引控制。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1电压型磁链观测器框图；
[0013]图2电流型磁链观测器框图；
[0014]图3电阻测量示意图；
[0015]图4励磁电感曲线示意图；
[0016]图5对转子磁链角度的校正图，其中图5a电流型观测角度超前的转子磁链角度校正，
[0017]图5b电流型观测角度滞后的转子磁链角度校正；
[0018]图6磁链角度偏差校正流程图；
[0019]图7磁链观测器在线校正示意图。
【具体实施方式】
[0020]以下结合附图和【具体实施方式】进一步说明本发明。
[0021]本发明方法的原理和步骤如下:
[0022]首先测量牵引感应电机的定子电阻。利用驱动电路向该电机发送一个微小的直流电压，检测该电机的电流，直流电压和电机电流相除即可得到定子电阻值。然后对牵引感应电机采用电流闭环控制。牵引感应电机的两种磁链观测器:电压型观测器和电流型观测器同时工作，利用电压型观测器得到的转子磁链角度进行坐标转换，将牵引感应电机的转速升高至额定转速点。此时电压型观测器的观测结果较准确，利用电压型观测器观测的磁链幅值除以励磁电流值，可以得到励磁电感值；同时通过调节电流型观测器中的转子时间常数，使两个观测器的观测角度相一致，达到校正转子时间常数的目的。然后再将该牵引感应电机的转速降低并稳速运行，由于之前已经校正了转子时间常数，电流型观测器已经较为准确，该电机在低速下运行，利用电流型观测器得到的转子磁链角度进行坐标转换，微调电压型磁链观测器中的漏磁参数，使其观测角度与电流型观测器一致，达到所有电机磁链观测器所用参数校正的目的。最后该牵引感应电机全程运行，将两个磁链观测器得到的幅值与角度进行对比，得到全程最优的观测器模式。图1所示为所述的电压型观测器，电压型观测器由电机数学模型得到:
【权利要求】
1.一种高速列车牵引感应电机参数辨识方法，其特征在于:所述方法为利用牵引感应电机的两种磁链观测器:电压型观测器与电流型观测器各自的优势，分别在所述牵引感应电机的高速和低速运行阶段对牵引感应电机的励磁电感Lm和转子时间常数I；进行在线校正，保证所述牵引感应电机全速度范围工作时磁链观测器的准确性，从而实现对牵弓I感应电机的控制。
2.按照权利要求1所述的高速列车牵引感应电机参数辨识方法，其特征在于:所述方法的步骤如下: (1)首先测量牵引感应电机的定子电阻:利用驱动电路向该电机发送一个微小的电压Us，测量该电机电流值Is，电压和电机电流相除得到定子电阻值Rs ;所述定子电阻值Rs用于计算电压型观测器； (2)然后对牵引感应电机采用电流闭环控制:电压型观测器和电流型观测器同时工作，利用电压型观测器得到的转子磁链角度进行坐标转换，将牵引感应电机升至额定转速点；此时利用电压型观测器观测的磁链幅值除以励磁电流值，得到励磁电感值；同时通过调节电流型观测器中的转子时间常数，使两个观测器的观测角度相一致，达到校正转子时间常数的目的；然后再将牵引感应电机的转速降低并稳速运行，利用电流型观测器得到的转子磁链角度进行坐标转换，微调电压型磁链观测器中的漏磁参数，使电压型观测器的观测角度与电流型观测器一致，达到所有电机观测器所用参数校正的目的；最后牵引感应电机全程运行，将两个观测器得到的幅值与角度进行对比，得到全程最优的观测器模式。
3.按照权利要求1所述的高速列车牵引感应电机参数辨识方法，其特征在于:利用所述的电压型观测器进行磁场定向控制，进行电流闭环控制；牵引感应电机的转速升至额定转速，改变牵引感应电机的励磁电流分量id，在此过程中不断计算并记录励磁电感Lm以及观测器的磁链幅值Ψρ计算得到不同励磁水平下的励磁电感曲线，并且存储在控制器中；实时运行时通过查表获得励磁电感值并进行准确的控制。
4.按照权利要求1所述的高速列车牵引感应电机参数辨识方法，其特征在于:在牵引感应电机运行时，电压型观测器与电流型观测器同时在计算，通过对两个磁链观测角度进行校正，修正电流型观测器中所用的转子时间常数值；如果电流型观测器的磁链角度Θ。超前于电压型观测角度θ ν，表明转子时间常数I；偏大，需要调节减小转子时间常数?；，使得电流型观测角度靠近电压型观测角度；反之，如果转子磁链滞后，表明转子时间常数I；偏小，需要调节增大转子时间常数?；，使电流型观测角度靠近电压型观测角度。
5.按照权利要求4所述的高速列车牵引感应电机参数辨识方法，其特征在于:所述的电压型观测器与电流型观测器同时运行，在牵引感应电机高速运行时，利用电压型观测角度对电流型观测角度进行修正，牵引感应电机低速运行时，利用电流型观测角度对电压型进行校验，使两个磁链观测器实现准确的观测精度。
6.根据权利要求4所述的高速列车牵引感应电机参数辨识方法，其特征在于:调节转子时间常数I；的方法为:首先计算电流型观测磁链角度Θ。与电压型观测角度θν角度偏差的绝对值，判断该偏差的绝对值是否小于阈值ε ;若电流型观测磁链角度Θ。与电压型观测角度θν角度偏差的绝对值小于阈值ε时，不再校正转子时间常数I；;当电流型观测磁链角度Θ。与电压型观测角度θ ν角度偏差的绝对值大于阈值ε，判断电流型观测磁链角度Θ。与电压型观测角度θν角度的差值，g卩θ^θν是否大于零，即电流型观测器角度Θ。是否超前于电压型观测器角度θν，如果电流型观测磁链角度Θ。与电压型观测角度07角度的差值θ「θν大于零，则减小转子时间常数I；，如果电流型观测磁链角度Θ。与电压型观测角度θν角度的差值θ^θν小于零，即电流型观测器角度Θ。滞后于电压型观测器角度θν，则增大转子时间常数I；。
7.按照权利要求1所述的高速列车牵引感应电机参数辨识方法，其特征在于:在牵引感应电机空载条件下进行电机参数辨识时，转速积分即为转子磁链方向。
【文档编号】H02P21/13GK104201962SQ201410425997
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月26日 优先权日:2014年8月26日
【发明者】任晋旗, 马逊, 葛琼璇, 李耀华 申请人:中国科学院电工研究所