电机q轴电感离线辨识方法与流程

本发明涉及空调技术，特别涉及空调电机q轴电感离线辨识的技术。

背景技术：

传统的空调中的变频电机控制技术，需要电机厂家提供q轴电感等参数，这是由电机控制模型决定的，其中r为电机的相电阻，L_d、L_q分别为电机d轴电感及q轴电感，K_E为电机反电动势常数，ω为电机当前运行角速度，V_d、V_q分别为电机d轴电压及q轴电压，I_d、I_q分别为电机d轴电流及q轴电流。当需要对大量的不同电机进行控制时，常常把电机参数存储在类似EEPROM中，保留控制程序不变，能够解决对不同压缩机等电机的控制，但这一方法存在如下技术问题：一是需要EEPROM，增加硬件成本，二是，当用户的变频空调出现问题，需要维修时，如果此时采用新的控制电路或者新的控制软件进行替换原来的控制板时，可能并不知道电机的具体参数，无法快速实现对电机控制电路及控制软件的替代。

技术实现要素：

本发明的目的是要解决目前空调中需要采用EEPROM存储电机q轴电感参数的问题，提供了一种电机q轴电感离线辨识方法。

本发明解决其技术问题，采用的技术方案是，电机q轴电感离线辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、控制电机转子转动到固定坐标轴α轴的方向；

步骤2、控制逆变器选择U相上桥臂IGBT控制端输入第一PWM波，令其在一个PWM周期中，先令该上桥臂导通，在该上桥臂导通时，其余上桥臂关断，电流从直流母线电压经过该上桥臂IGBT流入电机对应的线圈，再从电机另外两相和其连接的下桥臂IGBT流出，在当前PWM波周期的剩余时间内，关断所有三路上桥臂IGBT，电流经过之前导通的上桥臂对应的下桥臂中的续流二极管流入对应的电机线圈，从电机另外两相和其连接的下桥臂IGBT流出，当流入U相的相电流稳定后，采样此时流入电机U相的电流值，得到稳定后的流入电机U相的电流值；

步骤3、关闭第一PWM波输出，等待一定时间直至当前U相的相电流为0后进入步骤4；

步骤4、控制电机转子转动到固定坐标轴-β轴的方向；

步骤5、控制逆变器选择U相上桥臂IGBT控制端输入第一PWM波，开始计时，在一定时间后采集此时流入电机U相的电流值及对应的采样时间，并等待固定数量第一PWM波周期的时间后再次采集此时流入电机U相的电流值及对应的采样时间，采集都处于流入U相的相电流稳定之前；

步骤6、根据稳定后的流入电机U相的电流值、所采样的流入电机U相的电流值及对应的采样时间计算q轴电感值。

具体的，步骤1中，所述控制电机转子转动到固定坐标轴α轴的方向的方法为：

步骤101、控制逆变器选择U相上桥臂IGBT控制端输入第一PWM波，令其在一个PWM周期中，先令该上桥臂导通，在该上桥臂导通时，其余上桥臂关断，电流从直流母线电压经过该上桥臂IGBT流入电机对应的线圈，再从电机另外两相和其连接的下桥臂IGBT流出，在当前PWM波周期的剩余时间内，关断所有三路上桥臂IGBT，电流经过之前导通的上桥臂对应的下桥臂中的续流二极管流入对应的电机线圈，从电机另外两相和其连接的下桥臂IGBT流出；

步骤102、判断当前电机转子是否转动到固定坐标轴α轴的方向，若是则进入步骤2，否则回到步骤101。

进一步的，所述第一PWM波的占空比由实验确定，能够保证流入电机U相的电流值从0变化至稳定值。

具体的，步骤4包括以下步骤：

步骤401、控制逆变器选择U相上桥臂IGBT控制端输入第二PWM波，并在W相上桥臂IGBT控制端输入高电平，令U相上桥臂IGBT令其在一个PWM周期中，先关断U相上桥臂，此时W相上桥臂导通且V相上桥臂关断，电流从直流母线电压经过W相上桥臂IGBT流入电机对应的线圈，再从电机U相下桥臂及V相下桥臂IGBT流出，然后再在该PWM周期的剩余时间中，令U相上桥臂导通，在该上桥臂导通时，V相上桥臂关断，W相上桥臂导通，电流从直流母线电压经过U相上桥臂IGBT及W相上桥臂流入电机对应的线圈，再从电机V相下桥臂IGBT流出；

步骤402、判断当前电机转子是否转动到固定坐标轴-β轴的方向，若是则关闭PWM波输出，等待一定时间直至当前U相的相电流为0后进入步骤5，否则回到步骤401。

再进一步的，步骤5中，包括以下步骤：

步骤501、预设采样次数，所述预设采样次数至少为2；

步骤502、控制逆变器选择U相上桥臂IGBT控制端输入第一PWM波，开始计时，在一定时间后采集此时流入电机U相的电流值及对应的采样时间，将预设采样次数减1，采集处于流入U相的相电流稳定之前；

步骤503、等待固定数量第一PWM波周期的时间后再次采集此时流入电机U相的电流值及对应的采样时间，将预设采样次数减1，采集都处于流入U相的相电流稳定之前；

步骤504、判断当前预设采样次数是否为0，若是则进入步骤6，否则回到步骤503。

具体的，步骤6中，所述根据稳定后的流入电机U相的电流值、所采样的流入电机U相的电流值及对应的采样时间计算q轴电感值的计算方法为：

步骤601、根据稳定后的流入电机U相的电流值、所采样的流入电机U相的电流值及对应的采样时间分别计算从第二次采样后每次采样时的q轴电感值；

步骤602、根据每次采样时的q轴电感值，计算q轴电感值。

再进一步的，步骤601中，计算公式为：

其中，L_q(i)为第i次采样获取的q轴电感值，Iu(i)为第i次采样获取的流入电机U相的电流值，Iu0为电机定位到α轴后电流稳定后采样获取的流入电机U相的电流值，r为电机的相电阻，i为大于等于2小于等于预设采样次数的正整数，n为固定数量，为大于等于0的正整数，T为第一PWM波周期。

具体的，步骤602中，计算公式为：

其中，k为预设采样次数，k为大于等于2的正整数。

本发明的有益效果是，在本发明方案中，通过上述电机q轴电感离线辨识方法，可不再需要EEPROM存储电机q轴电感，缩小成本。

附图说明

图1为施加固定占空比的PWM波时电机q轴电流值随时间变化的示意图；

图2为IGBT与电机连接的等效示意图；

图3为空间矢量示意图；

图4为变频空调控制部分电路的电路示意图；

图5为本发明实施例中矢量U1(100)控制下的等效电路图；

图6为本发明实施例中d/q轴坐标系下，矢量合成示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。

本发明所述电机q轴电感离线辨识方法为：首先控制电机转子转动到固定坐标轴α轴的方向，然后控制逆变器选择U相上桥臂IGBT控制端输入第一PWM波，令其在一个PWM周期中，先令该上桥臂导通，在该上桥臂导通时，其余上桥臂关断，电流从直流母线电压经过该上桥臂IGBT流入电机对应的线圈，再从电机另外两相和其连接的下桥臂IGBT流出，在当前PWM波周期的剩余时间内，关断所有三路上桥臂IGBT，电流经过之前导通的上桥臂对应的下桥臂中的续流二极管流入对应的电机线圈，从电机另外两相和其连接的下桥臂IGBT流出，当流入U相的相电流稳定后，采样此时流入电机U相的电流值，得到稳定后的流入电机U相的电流值，再关闭第一PWM波输出，等待一定时间直至当前U相的相电流为0后，控制电机转子转动到固定坐标轴-β轴的方向，然后控制逆变器选择U相上桥臂IGBT控制端输入第一PWM波，开始计时，在一定时间后采集此时流入电机U相的电流值及对应的采样时间，并等待固定数量第一PWM波周期的时间后再次采集此时流入电机U相的电流值及对应的采样时间，采集都处于流入U相的相电流稳定之前，最后根据稳定后的流入电机U相的电流值、所采样的流入电机U相的电流值及对应的采样时间计算q轴电感值。

实施例

本发明实施例的电机q轴电感离线辨识方法，其包括以下步骤：

步骤1、控制电机转子转动到固定坐标轴α轴的方向。

本步骤中，控制电机转子转动到固定坐标轴α轴的方向的方法可以为：

步骤101、控制逆变器选择U相上桥臂IGBT控制端输入第一PWM波，令其在一个PWM周期中，先令该上桥臂导通，在该上桥臂导通时，其余上桥臂关断，电流从直流母线电压经过该上桥臂IGBT流入电机对应的线圈，再从电机另外两相和其连接的下桥臂IGBT流出，在当前PWM波周期的剩余时间内，关断所有三路上桥臂IGBT，电流经过之前导通的上桥臂对应的下桥臂中的续流二极管流入对应的电机线圈，从电机另外两相和其连接的下桥臂IGBT流出；

步骤102、判断当前电机转子是否转动到固定坐标轴α轴的方向，若是则进入步骤2，否则回到步骤101。

步骤2、控制逆变器选择U相上桥臂IGBT控制端输入第一PWM波，令其在一个PWM周期中，先令该上桥臂导通，在该上桥臂导通时，其余上桥臂关断，电流从直流母线电压经过该上桥臂IGBT流入电机对应的线圈，再从电机另外两相和其连接的下桥臂IGBT流出，在当前PWM波周期的剩余时间内，关断所有三路上桥臂IGBT，电流经过之前导通的上桥臂对应的下桥臂中的续流二极管流入对应的电机线圈，从电机另外两相和其连接的下桥臂IGBT流出，当流入U相的相电流稳定后，采样此时流入电机U相的电流值，得到稳定后的流入电机U相的电流值。

步骤3、关闭第一PWM波输出，等待一定时间直至当前U相的相电流为0后进入步骤4。

步骤4、控制电机转子转动到固定坐标轴-β轴的方向。

本步骤可包括以下步骤：

步骤401、控制逆变器选择U相上桥臂IGBT控制端输入第二PWM波，并在W相上桥臂IGBT控制端输入高电平，令U相上桥臂IGBT令其在一个PWM周期中，先关断U相上桥臂，此时W相上桥臂导通且V相上桥臂关断，电流从直流母线电压经过W相上桥臂IGBT流入电机对应的线圈，再从电机U相下桥臂及V相下桥臂IGBT流出，然后再在该PWM周期的剩余时间中，令U相上桥臂导通，在该上桥臂导通时，V相上桥臂关断，W相上桥臂导通，电流从直流母线电压经过U相上桥臂IGBT及W相上桥臂流入电机对应的线圈，再从电机V相下桥臂IGBT流出；

步骤402、判断当前电机转子是否转动到固定坐标轴-β轴的方向，若是则关闭PWM波输出，等待一定时间直至当前U相的相电流为0后进入步骤5，否则回到步骤401。

步骤5、控制逆变器选择U相上桥臂IGBT控制端输入第一PWM波，开始计时，在一定时间后采集此时流入电机U相的电流值及对应的采样时间，并等待固定数量第一PWM波周期的时间后再次采集此时流入电机U相的电流值及对应的采样时间，采集都处于流入U相的相电流稳定之前。

本步骤可包括以下步骤：

步骤501、预设采样次数，所述预设采样次数至少为2；

步骤502、控制逆变器选择U相上桥臂IGBT控制端输入第一PWM波，开始计时，在一定时间后采集此时流入电机U相的电流值及对应的采样时间，将预设采样次数减1，采集处于流入U相的相电流稳定之前；

步骤503、等待固定数量第一PWM波周期的时间后再次采集此时流入电机U相的电流值及对应的采样时间，将预设采样次数减1，采集都处于流入U相的相电流稳定之前；

步骤504、判断当前预设采样次数是否为0，若是则进入步骤6，否则回到步骤503。

步骤6、根据稳定后的流入电机U相的电流值、所采样的流入电机U相的电流值及对应的采样时间计算q轴电感值。

本步骤中，所述根据稳定后的流入电机U相的电流值、所采样的流入电机U相的电流值及对应的采样时间计算q轴电感值的计算方法为：

步骤601、根据稳定后的流入电机U相的电流值、所采样的流入电机U相的电流值及对应的采样时间分别计算从第二次采样后每次采样时的q轴电感值。

这里，其计算公式为：

其中，L_q(i)为第i次采样获取的q轴电感值，Iu(i)为第i次采样获取的流入电机U相的电流值，Iu0为电机定位到α轴后电流稳定后采样获取的流入电机U相的电流值，r为电机的相电阻，i为大于等于2小于等于预设采样次数的正整数，n为固定数量，为大于等于0的正整数，T为第一PWM波周期。

步骤602、根据每次采样时的q轴电感值，计算q轴电感值。

这里，其计算公式可以为：

其中，k为预设采样次数，k为大于等于2的正整数。

本例中，第一PWM波的占空比由实验确定，能够保证流入电机U相的电流值从0变化至稳定值。其可采用如下方法：

令占空比从小到大变化，当检测的电流到一定数值时，PWM波占空比就不再变化，此时的PWM波占空比即为所需要的第一PWM波的占空比。

具体说明如下：

根据得知电机q轴电流按照指数函数规律变化，I_q随时间t变化关系如图1所示。根据I_q随时间t变化关系,检测t1时刻的q轴电流I_q1和检测t1+nT时刻的q轴电流I_q2，在已知电机相电阻r和q轴电压V_q，就可以获得电机q轴电感L_q。

由电机q轴方程：

采用一系列PWM波，控制电机转子转动到固定坐标轴α轴方向，如图6所示，等待流入电机的电流稳定后，通过模数转换检测此时的电流I_d0，然后关闭PWM波，延迟一定时间后，让电机线圈电流逐渐变化到0，之后，微处理器控制PWM波，发出指向电机q轴方向的控制矢量，即图6所示的固定坐标轴β轴方向，控制电机转子不动，即电机转速ω＝0，则此时电机q轴方程为检测t1时刻的q轴电流I_q1和检测t1+nT时刻的q轴电流I_q2，n为非零正整数，即上文所述的固定数量，在已知电机相电阻r的条件下，就可以获取电机q轴电感L_q。

由：得

其中当t→∞时，上式中的q轴电流为

由获得t1时刻q轴电流方程为：

同理t1+nT时刻的q轴电流方程为：

除以得：

即

式中n为非零正整数，可见上式不与时间t1发生关系，仅与PWM波周期时间T相关，不会因为t1检测不准造成离线辨识的电感L_q辨识不准的问题，提高了L_q辨识精度。

当在q轴电流建立的起点开始经过t1时间检测到q轴电流I_q1，并且在随后间隔n个PWM波周期后检测到q轴电流I_q2，代入上式即可获得L_q。

根据变频电机SVPWM矢量控制方法，采用逆变器上下6个IGBT桥臂的开/关组合方法，形成8个矢量，分别为U1(100)，U2(110)，U3(010)，U4(011)，U5(001)，U6(101)，U7(111)，U0(000)，如图2所示。其中的的数字1代表上桥臂开通，下桥臂断开，数字0代表代表上桥臂断开，下桥臂开通，U7(111)和U0(000)为上桥臂全开和全关对应的两个矢量为零矢量，每个矢量对应的电压大小为由图2可见，矢量U2(110)代表U+为1，V+为1，W+为0，IGBT a导通，IGBT d关断，IGBT b导通，IGBT e关断，IGBT c关断，IGBT f导通，其他矢量含义相同。要求U+与U-，V+与V-，W+与W-互补，并且上桥臂与下桥臂不能同时导通，避免电流未经电机而直接短路导通,需要在控制上添加死区控制。

采用空间矢量合成的方法计算出控制6个桥臂的PWM占空比，控制电机的运行，一个周期分为6个扇区，如图3所示，在每个扇区，采用相邻的两个非零矢量和相应的零矢量合成该扇区内任意矢量。

在将电机转子位置定位到固定坐标轴α方向后，为了获得电机q轴电流，需要发出指向q轴的控制矢量，即指向固定坐标轴β轴方向的控制矢量,需要交替发出U2(110)，U3(010)控制矢量(以及零矢量U0(000)和或U7(111),下同),如图3所示。当U2(110)，U3(010)作用时间相同时,根据矢量合成方法可知,合成矢量指向固定坐标轴β轴方向。由于U2(110)，U3(010)控制矢量的发出，涉及U/V/W三相PWM波，并且由于死区时间的加入，使控制变得很复杂，为此，具体的q轴电感辨识方法变通如下：

首先采用矢量合成的方法，交替发出控制矢量U5(001)，U6(101)，U5(001)，U6(101)作用时间相同，其合成矢量指向270°方向，如图3所示，让电机转子转到270°方向，再次发出U1(100)控制矢量，使控制矢量指向0°方向，此时由于控制矢量超前电机转子90°，相当于发出了与电机转子垂直的控制矢量，此时电机转子的电流I_d＝0，I_q按照随时间变化。由于矢量U1(100)仅有U相有PWM波，即使考虑死区的影响，也很容易控制，计算和电流采样变得简单。

参见图4，在对电机PMSM施加有效矢量U1(100)和零矢量U0(000)两个电压矢量时，当施加U1(100)时，U相IGBT通过，另外两只上桥臂V相和W相IGBT关断，由于MCU输出的控制PWM波，采用三相互补的输出方式，在不考虑死区控制的条件下，当U相上桥臂为高电平时，U相IGBT对应的下桥臂为低电平，当U相上桥臂IGBT为低电平时，其对应的下桥臂为高电。当考虑死区控制的条件下，微处理器所输出的三相互补PWM波，上下桥臂仅相差相应的死区时间。当施加有效矢量U1(100)时，微处理器控制输出，使IGBT VT1导通，IGBT VT3和IGBT VT5截止，当施加零矢量U0(000)时，微处理器控制输出，使IGBT VT1截止，IGBT VT3和IGBT VT5也截止。

IGBT VT1导通，IGBT VT3和IGBT VT5截止时等效电路如图6所示。

在图6所示等效电路中，在控制矢量U1(100)控制下，由于U相电流流入线圈，U相电流为Iu，假设电机三相参数一致，即Ru＝Rv＝Rw、Lu＝Lv＝Lw。由于Iv与Iw流出线圈，电流为负数，则Iv＝Iw＝-0.5Iu。Iu/Iv/Iw在d/q坐标系下如图6所示，图6中，α/β为固定直角坐标系，α与u相方向一致，d/q轴为旋转直角坐标系，u/v/w方向互差120°，也为固定坐标系。将Iu/Iv/Iw投影到d/q轴，可见Iq＝0,Id＝Iu-0.5(Iv+Iw)＝1.5Iu。当对电机施加有效矢量U1(100)和零矢量U0(000)两个电压矢量时，微处理器发出的控制矢量与固定坐标轴α轴方向一致,即微处理器发出的控制矢量指向0°方向，控制电机转动到α轴方向(即0°方向)，图6所示示意图则电机转子逆时针转动γ°后与α轴方向重合。由于此时d轴电流按照规律变化，其稳定后的电流为其中而Iu0为电流稳定后流入电机U相线圈的电流值。

在对电机施加有效矢量U1(100)和零矢量U0(000)两个电压矢量时，微处理器发出的控制矢量与固定坐标轴α轴方向一致，即微处理器发出的控制矢量指向0°方向，使电机转子转动到0°方向后，进一步采用矢量合成的方法，交替发出控制矢量U5(001)，U6(101)，U5(001)，U6(101)作用时间相同，其合成矢量指向270°方向，让电机转子转到270°方向之后，再次发出U1(100)控制矢量，使控制矢量指向0°方向时，如果控制两次发出指向0°方向的PWM波占空比不变，则其等效电压没有变化，经过一定时间，等电流稳定后所检测到的流入电机U相线圈的电流不变，均为Iu0，所以稳定后的与均为此时由于控制矢量超前电机转子90°，相当于发出了与电机转子垂直的控制矢量，此时电机转子的电流I_d＝0，I_q按照随时间变化。

当检测t1时刻流入电机的U相线圈电流为Iu1和检测t1+nT时刻流入电机的U相线圈电流为Iu2时，n为非零正整数，在已知电机相电阻r条件下，就可以获得电机q轴电感L_q。

根据公式结合可得：

同理，可在t1+(i-1)nT时刻检测电机U相的电流Iu(i)，i即表示第几次进行的采样，上式可推导为：

由此即可计算出第i次采样的电机q轴电感L_q，然后对得到的多个L_q值采用平均值的方式即可得到更为准确的电机q轴电感L_q。