三相异步电机在线参数辨识方法及装置与流程

本发明涉及一种三相异步电机在线参数辨识方法及装置，属于电动机控制技术领域。

背景技术：

随着节能环保意识的增强，三相异步电机的使用越来越多，尤其是在轨道交通设备上基本都已经使用交流电进行传动。

但是，三相异步电机在整个工作运行期间内其各项参数并非恒定不变，而是随着电机工况的不断变化在一定范围内变动，如三相异步电机内温度变化、集肤效应、磁场饱和程度变化均会引起参数的变化，但这种参数的改变规律是无法实现预测的。因此，需要对电机的内部与控制紧密相关的参数进行辨识，以实现对三相异步电机的精准控制。

现有的三相异步电机在线参数辨识方法一般采用的是模型参考自适应法。该方法通过设定两组具有相同物理意义的输出模型：参考模型和可调模型，利用两个模型输出量的偏差，根据一定的自适应规律来动态更新可调模型的参数，使两者的偏差不断减小,最后当两者的偏差稳定在一定的误差范围内时则取此时可调模型的参数为当前电机的实际参数,从而实现电机参数的辨识。但是，这种方法需要附加较强的假设条件，这些假设条件在实践中往往难以满足或仅在电机运行的某些工况满足，很难做到全局辨识的参数稳定、准确。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种三相异步电机在线参数辨识方法及装置，以解决现有技术中三相异步电机在线参数辨识方法辨识参数不准确的问题。

为了达到上述目的，本申请提供了以下技术方案：

第一方面，提供一种三相异步电机在线参数辨识方法，包括以下步骤：获取所述三相异步电机的定子电压；获取所述三相异步电机的定子电流；获取所述三相异步电机的转子转速，并根据所述转子转速和给定的转差率计算得到同步转速；根据所述定子电压、定子电流、转子转速和同步转速，以及给定的定子电感、转子电感和定子电阻，利用第一计算式计算转子电阻。

上述三相异步电机在线参数辨识方法的进一步改进，还包括：对所述定子电压进行DQ坐标系变换以获得定子电压空间矢量DQ分量；对所述定子电流进行DQ坐标系变换以获得定子电流空间矢量DQ分量；根据所述定子电压空间矢量DQ分量、定子电流空间矢量DQ分量、转子转速和同步转速，以及给定的定子电感、转子电感和定子电阻，利用第一计算式计算转子电阻。

上述三相异步电机在线参数辨识方法的进一步改进，根据所述转子电阻、定子电压空间矢量DQ分量、定子电流空间矢量DQ分量、转子转速、同步转速、定子电感、转子电感、定子电阻，利用第二计算式计算定转子互感。

上述三相异步电机在线参数辨识方法的进一步改进，获取所述三相异步电机的控制参数，根据所述控制参数计算得到所述定子电压。

第二方面，提供一种三相异步电机在线参数辨识装置，包括：定子电压获取模块，用于获取所述三相异步电机的定子电压；定子电流获取模块，用于获取所述三相异步电机的定子电流；转子转速获取模块，用于获取所述三相异步电机的转子转速；处理模块，所述处理模块包括：同步转速计算单元和转子电阻计算单元；所述同步转速计算单元，用于根据所述转子转速和给定的转差率计算同步转速；所述转子电阻计算单元，用于根据所述定子电压、定子电流、转子转速、同步转速，以及给定的定子电感、转子电感和定子电阻，利用第一计算式计算转子电阻。

上述三相异步电机在线参数辨识装置的进一步改进，还包括：定子电压变换模块，用于对所述定子电压进行DQ坐标系变换以获得定子电压空间矢量DQ分量；定子电流变换模块，用于对所述定子电流进行DQ坐标系变换以获得定子电流空间矢量DQ分量。

上述三相异步电机在线参数辨识装置的进一步改进，所述处理模块还包括定转子互感计算单元，用于根据所述转子电阻、定子电压空间矢量DQ分量、定子电流空间矢量DQ分量、转子转速、同步转速、定子电感、转子电感以及定子电阻，利用第二计算式计算所述定转子互感。

上述三相异步电机在线参数辨识装置的进一步改进，所述定子电压获取模块包括：控制参数获取单元，用于获取所述三相异步电机的控制参数；定子电压计算单元，用于根据所述控制参数计算得到所述定子电压。

本发明提供的三相异步电机在线参数辨识方法及装置，利用基于一元二次方程的第一计算式来计算转子电阻，计算量小、收敛性好、准确度高，可以在电机运行过程中实时辨识转子电阻，进而根据转子电阻计算定转子互感以提升三相异步电机矢量控制的控制精度。而且，本发明提供的三相异步电机在线参数辨识方法及装置可以准确辨识出各种工况下的三相异步电机的转子电阻，进而得到定转子互感，具有很强的适应性和灵活性。

附图说明

图1为本发明实施例一所给出的三相异步电机在线参数辨识方法的流程图；

图2为本发明实施例一所给出的三相异步电机的等效电路图；

图3为本发明实施例二所给出的三相异步电机在线参数辨识装置的结构示意图；

图4为图3中控制器的局部放大图。

图中：

1、定子电压获取模块； 11、控制参数获取单元；

13、定子电压计算单元； 2、定子电流获取模块；

3、转子转速获取模块； 4、处理模块；

41、同步转速计算单元； 43、转子电阻计算单元；

45、定转子互感计算单元； 5、定子电压变换模块；

6、定子电流变换模块。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，本发明不局限于下述的具体实施方式。

实施例一

三相异步电机(Triple-phase asynchronous motor)是靠同时接入380V三相交流电源(相位差120度)供电的一类电动机，由于三相异步电机的转子与定子旋转磁场以相同的方向、不同的转速旋转，二者的转速之间存在差值，所以叫三相异步电机。

当电动机的三相定子绕组通入三相对称交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电流(转子绕组是闭合通路)，载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，从而在电机转轴上形成电磁转矩，驱动转子旋转，并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。

图1为本实施例所给出的三相异步电机在线参数辨识方法的流程图。

如图1所示，本实施例提供的三相异步电机在线参数辨识方法，包括：

S101、获取所述三相异步电机的定子电压。

具体的，获取三相异步电机定子电压的方式可以通过现有技术中的任意手段进行，例如可以通过电压传感器直接检测定子电压。

进一步，还可以通过以下步骤获取定子电压：

获取所述三相异步电机的控制参数，根据所述控制参数计算得到所述定子电压。

在三相异步电机的实际工作过程中，一般通过控制器来控制三相异步电机的工作。具体来说，控制器获取控制参数的方式可以是通过用户直接输入的方式，或者也可以是从服务器中获取，或者还可以是通过反馈调节获取到相应的控制参数。控制器获取到相应的控制参数后可以计算得到相应的定子电压。更具体的，通过控制参数计算定子电压属于本领域技术人员公知的内容，本领域技术人员可以通过现有技术直接实现，为了简洁，在此不再进行赘述。

当然，定子电压还可以通过现有技术中的电压重构法获得，具体的电压重构法的步骤和计算公式本领域技术人员也可以参考现有技术中的有关内容。

更进一步，对所述定子电压进行DQ坐标系变换以获得定子电压空间矢量DQ分量。

具体的，对定子电压进行DQ坐标系变换以获得定子电压空间矢量DQ分量的方法和计算公式都是现有的且为本领域技术人员所熟知，本领域技术人员可以根据现有的公式和方法进行上述变换，在此不再赘述。其中，D轴表示励磁轴，Q轴表示转矩轴。当然，在实际应用过程中也可以将上述变换方法和计算公式固化到程序或者电路中，从而通过程序和电路直接进行计算以简化流程和提高效率。

S102、获取所述三相异步电机的定子电流。

具体的，获取三相异步电机的定子电流可以通过现有技术中的任意手段进行，例如可以通过电流传感器直接检测定子电流。

进一步，对所述定子电流进行DQ坐标系变换以获得定子电流空间矢量DQ分量。

具体的，对定子电流进行DQ坐标系变换以获得定子电流空间矢量DQ分量的方法和计算公式都是现有的且为本领域技术人员所熟知，本领域技术人员可以根据现有的公式和方法进行上述变换，在此不再赘述。同样的，D轴表示励磁轴，Q轴表示转矩轴。此外，在实际应用过程中，也可以将上述变换方法和计算公式固化到程序或者电路中，从而通过程序和电路直接进行计算以简化流程和提高效率。

S103、获取所述三相异步电机的转子转速，并根据所述转子转速和给定的转差率计算得到同步转速。

具体的，获取三相异步电机的转子转速可以通过现有技术中的任意手段进行，例如可以通过转速传感器直接检测转子转速。

在本实施例中，转差率s指三相异步电机的同步转速(旋转磁场转速)和转子转速的差值与同步转速之比，也即s＝(ω_s-ω_m)/ω_s。其中，转差率s可以通过转差率测量仪、闪光法、感应线圈法、转速测量仪法等现有方法计算得到，这些测量方法都是本领域中公知的方法，技术人员可以参照现有的标准进行计算。

此外，在本实施例中，根据转子转速ω_m和转差率s可以根据以下公式计算得到三相异步电机的同步转速ω_s：

ω_s＝ω_m/(1-s)。

S104、根据所述定子电压、定子电流、转子转速和同步转速，以及给定的定子电感、转子电感和定子电阻，利用第一计算式计算转子电阻。

具体的，定子电阻Rs、定子电感Ls和转子电感Lr的具体数值可以从三相异步电机的厂商处获得，或者从该三相异步电机的使用说明书里获得，当然也可以通过空载试验、堵转试验或者其他测试方法获得。

图2为本实施例所给出的三相异步电机的等效电路图。

由图2所示的等效电路，根据电流、电压、感抗之间的关系，可以得到三相异步电机的矢量数学表达式：

${\hat{U}}_s=R_s*{\hat{I}}_s+j*X_s*{\hat{I}}_s+{\hat{U}}_i$

${\hat{U}}_i=j*X_m*{\hat{I}}_m$

${\hat{U}}_i={\hat{U}}_r+j*X_r*{\hat{I}}_r$

${\hat{U}}_r=R_r*\frac{{\mathrm{\ω}}_s}{{\mathrm{\ω}}_s-{\mathrm{\ω}}_m}*{\hat{I}}_r---\left(1\right)$

${\hat{I}}_m={\hat{I}}_s-{\hat{I}}_r$

上述表达式中，为定子电压,为励磁电压,为转子电压,为定子电流,为转子电流,为励磁电流。

R_s为定子电阻，R_r为转子电阻，X_s为定子电抗，X_r为转子电抗，X_m为互抗，j代表其所在的表达式与其中的矢量方向是垂直的。

可以理解，上述表达式中共有5个矢量等式、6个矢量变量以及两个标量变量(ω_s,ω_m)。

将上述表达式中的一个矢量等式变换成两个标量等式，同时将矢量变量变换为与标量等式相对应的标量变量，并且，在变换过程中，令U_sd＝0，则：

从而可以得到下述表达式：

U_Id＝ω_s*L_s*I_sq-R_s*I_sd

U_Iq＝U_sq-ω_s*L_s*I_sd-R_s*I_sq (1)

U_Id＝-ω_s*L_m*I_mq

U_Iq＝ω_s*L_m*I_md (2)

U_Id＝U_rd-ω_s*L_r*I_rq

U_Iq＝U_rq+ω_s*L_r*I_rd (3)

$U_{rd}=\frac{R_r}{s}*I_{rd}$

$U_{rq}=\frac{R_r}{s}*I_{rq}---\left(4\right)$

I_md＝I_sd-I_rd

I_mq＝I_sq-I_rq (5)

上述表达式中，U_sd、U_sq为电机定子电压，I_sd、I_sq为定子电流,U_rd、U_rq为电机转子电压,I_rd、I_rq为转子电流，U_Id、U_Iq为励磁电压。其中，下标d所代表的是该矢量的D轴分量，q所代表的是该矢量的Q轴分量。

R_s为电机定子电阻，R_r为转子电阻，L_s为定子电感，L_r为转子电感，L_m为定转子互感。

对公式(1)、(2)、(3)、(4)和(5)进行化简，得到包括转子电阻Rr的二次一元等式为：

$R_r^2-R_r*\frac{U_{Id}^2+U_{Iq}^2}{I_{sd}*U_{Id}+I_{sq}*U_{Iq}}*s+{\mathrm{\ω}}_s^2*L_r^2*s^2=0$

即，

$R_r^2-R_r*p+q=0$

对其求解，可得到计算转子电阻R_r的第一计算式：

$R_r=-\frac{p}{2}+\sqrt{{\left(\frac{p}{2}\right)}^2-q}---\left(6\right)$

上述公式中，

根据上述公式(6)，在已知定子电压、定子电流、转子转速、同步转速、定子电感、转子电感、定子电阻时即可直接计算得到转子电阻Rr。

进一步，得到上述转子电阻Rr后，可以继续执行以下步骤：

S105、根据所述转子电阻、定子电压空间矢量DQ分量、定子电流空间矢量DQ分量、转子转速、同步转速、定子电感、转子电感、定子电阻，利用第二计算式计算定转子互感。

具体的，通过将上述第一计算式计算得到的转子电阻Rr带入公式(1)、(2)、(3)、(4)和(5)中进行化简，可以得到计算定转子互感Lm的第二计算式：

$L_m=\frac{U_{Iq}}{{\mathrm{\ω}}_s}*\frac{{\left(\frac{R_r}{s}\right)}^2+{\mathrm{\ω}}_s^2*L_r^2}{{\left(\frac{R_r}{s}\right)}^2*I_{sd}+{\mathrm{\ω}}_s^2*L_r^2*I_{sd}-\frac{R_r}{s}*U_{Id}-{\mathrm{\ω}}_s*L_r*U_{Iq}}---\left(7\right).$

将上述(6)和(7)两个公式离散化并固化在计算机或者计算器的程序中，又或者固化在电路中或者可存储介质中，即可在线实时辨识出转子电阻Rr和定转子互感Lm，然后就可以利用辨识得到的转子电阻Rr和定转子互感Lm来使得矢量控制的磁场定向更加精准。例如，通过转子电阻Rr和定转子互感Lm利用已知方法计算出磁通以及相位角，从而根据磁通以及相位角对三相异步电机进行更精准的矢量控制。

本实施例的三相异步电机在线参数辨识方法，利用基于一元二次方程的第一计算式，计算量小、收敛性好、准确度高，可以在电机运行过程中实时辨识转子电阻，进而根据转子电阻计算定转子互感以提升三相异步电机矢量控制的控制精度。而且，本发明提供的三相异步电机在线参数辨识方法及装置可以准确辨识出各种工况下的三相异步电机的转子电阻，进而得到定转子互感，具有很强的适应性和灵活性。

实施例二

本实施例提供了一种三相异步电机在线参数辨识装置，用来实现实施例一的三相异步电机在线参数辨识方法。

图3是本实施例提供的三相异步电机在线参数辨识装置的结构示意图，其包括待辨识参数的三相异步电机；图4是图3中控制器的局部放大图。

如图3和4所示，本实施例的三相异步电机在线参数辨识装置，包括：

定子电压获取模块1，用于获取三相异步电机的定子电压；

定子电流获取模块2，用于获取三相异步电机的定子电流；

转子转速获取模块3，用于获取三相异步电机的转子转速；

处理模块4，该处理模块包括：同步转速计算单元41和转子电阻计算单元43；

其中，同步转速计算单元41，用于根据转子转速和给定的转差率计算同步转速；转子电阻计算单元43，用于根据定子电压、定子电流、转子转速、同步转速，以及给定的定子电感、转子电感和定子电阻，利用第一计算式计算转子电阻。

具体的，定子电压获取模块1可以是电压传感器，定子电流获取模块2可以是电流传感器，转子转速获取模块3可以是转速传感器，处理模块4可以是程序、集成电路、软件，或者也可以是处理芯片，或者还可以是处理器，例如用于控制三相异步电机转动的控制器。

进一步，该三相异步电机在线参数辨识装置还包括：定子电压变换模块5和定子电流变换模块6；其中，定子电压变换模块5，用于对定子电压进行DQ坐标系变换以获得定子电压空间矢量DQ分量；定子电流变换模块6，用于对定子电流进行DQ坐标系变换以获得定子电流空间矢量DQ分量。这样，处理模块4中的转子电阻计算单元43即可根据定子电压空间矢量DQ分量、定子电流空间矢量DQ分量、转子转速、同步转速、定子电感、转子电感、定子电阻以及定子电阻，利用实施例一中的第一计算式计算转子电阻，也即，利用实施例一中的公式(6)计算转子电阻。当然，定子电压变换模块5和定子电流变换模块6可以是单独设置的，或者是集成在控制器中的程序、软件或者是电路，当然也可以是可存储介质。

进一步，在一种可选的实施方式中，处理模块4还包括定转子互感计算单元45，从而可以通过定转子互感计算单元45计算定转子互感Lm。具体的，定转子互感计算单元根据转子电阻、定子电压空间矢量DQ分量、定子电流空间矢量DQ分量、转子转速、同步转速、定子电感、转子电感以及定子电阻，利用实施例一中的第二计算式(公式(7))计算定转子互感Lm。当然，定转子互感计算单元45可以是单独或者集成在控制器中的程序、软件、电路或者可存储介质。

进一步，定子电压获取模块1包括：控制参数获取单元11和定子电压计算单元13。其中，控制参数获取单元11，用于获取三相异步电机的控制参数(控制指令)；定子电压计算单元13根据上述控制参数计算得到定子电压。具体的，控制参数获取单元11可以是控制器中的一个子单元用来从输入装置中获取用户输入的用于控制三相异步电机的控制参数，当然也可以是一个子单元用来从服务器或者其他存储装置中读取三相异步电机的控制参数。定子电压计算单元13则根据上述控制参数通过现有技术中已经被本领域技术人员普遍了解的计算方法和计算步骤计算得到定子电压。控制参数获取单元11和定子电压计算单元13可以是集成在控制器中的程序、软件、电路或者可存储介质。

需要说明的是，在本实施例中，三相异步电机在线参数辨识装置可以是硬件，软件或者软硬件的结合。例如，三相异步电机在线参数辨识装置可以是将实施例1的方法固化在一个程序、软件或者可存储介质中；或者也可以是将计算公式固化在控制器的应用软件中，而定子电流获取模块和转子转速获取模块均采用客观上的传感器。

本实施例的三相异步电机在线参数辨识装置，利用基于一元二次方程的第一计算式，计算量小、收敛性好、准确度高，可以在电机运行过程中实时辨识转子电阻，进而根据转子电阻计算定转子互感以提升三相异步电机矢量控制的控制精度。而且，本发明提供的三相异步电机在线参数辨识方法及装置可以准确辨识出各种工况下的三相异步电机的转子电阻，进而得到定转子互感，具有很强的适应性和灵活性。

最后应说明的是：以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施方式对本发明已经进行了详细的说明，但本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施方式技术方案的范围。