在ac感应式电机中转子时间常量在线识别的系统及方法
【技术领域】
[0001] 本申请一般设及AC感应式电机，并且更具体地，设及用于确定AC感应式电机的转 子时间常量的系统及方法。
【背景技术】
[0002] 电机(例如AC感应式电机)消耗所产生的电容量中的很大比例。用户该工业"重负 荷机器(wor化orse)"的许多应用为风扇和累工业应用。例如，在典型的综合造纸厂中，低电 压W及中电压电机可包括全部驱动电负载的近70%。由于运些电机在工业中的盛行，电机 可靠并有效地运行是重要的。电机管理系统通常需要电机设计参数和性能参数，W优化电 机的控制和运行。类似地，电机状态监测使得电机能够可靠地运行，并且许多电机状态监测 技术寻求特定的电机设计参数和性能参数W优化电机的性能。
[0003] -种有助于优化感应式电机的控制和运行的此类电机性能参数为转子时间常量 (转子电阻），其对速度估计(在速度无传感器感应式电机控制中）的稳态误差W及动态调整 性能有着极大的影响。即，转子时间常量的精确知识对于去禪接控制和速度估计二者均是 必需的。然而，转子时间常量难W识别，尤其当速度传感器不可用/集成在感应式电机和/或 电机控制系统中时。即，将意识到当感应式电机W稳定状态工作时，同时估计速度和转子时 间常量(转子电阻）在理论上不可行，W及仅当磁通大小随时间周期变化时，可实现速度和 转子时间常量的同时估计。
[0004] 已经采用各种现有技术来估计转子时间常量。一种此类现有技术使用瞬态过程期 间的转子磁通变量W及最小平方策略来完成所有速度下的转子电阻在线更新。然而，此类 瞬态过程在一些工业应用中不常出现，并且最小平方策略极大的增加了计算负担，使得程 序更加复杂。另一已知现有技术在高速期间利用瞬态过程来识别转子电阻并且在低速期间 与定子电阻的变化成比例地补偿转子电阻。该方法在一些应用中同样受到限制，由于缺少 电机运行期间的瞬态过程并且基于定子电阻的热偏移可能与转子电阻的热偏移不相同的 事实，因此在低速期间补偿转子电阻时可能存在一些误差。
[0005] 用于估计转子时间常量的另一已知方法提取由逆变器的脉冲宽度调制(PWM)引起 的电压和电流动态高频小信号，W识别转子时间常量。然而，该方法的局限在于需要精确的 传感器W检测频率极高的小信号，并且需要捕捉高频信息的更快的AD转换器。此外，该方法 的变化采用积分运算或者高阶微分运算，二者可进一步导致更多误差。
[0006] 用于估计转子时间常量的又一已知方法从始终存在的MRAS误差的信号抖动中提 取所需的信息。然而，系统的始终存在的小信号极难捕捉。用于估计转子时间常量的再一已 知方法利用基于神经网络和模糊控制的转子时间常量的在线识别算法。然而，此类方法需 要大量计算并且程序相当复杂。
[0007] 最后，用于估计转子时间常量的其它已知方法提出基于信号插入的在线更新算 法。一种此类方法基于全阶磁通观测器来识别转子电阻，并且使用导致具有较差精度的复 杂计算的迭代方法。另一相似方法再次基于全阶磁通观测器识别转子电阻，但是需要具有 两个不同频率的小信号，运增加了实现的难度并可能受到速度变化的影响。另一此类信号 插入方法基于需要大量计算的改进的最小平方方法(固定跟踪方法）。又一此类信号插入方 法运行而无需小信号的微分运算，但是识别表达太复杂并需要大量计算。在该方法中，插入 的信号频率也必须仔细地选择，必须设计合理的带通滤波器，并且在识别转子时间常量中 除W零是不可避免的，运极大地降低了精度。
[0008] 因此，期望设计一种系统及方法，所述系统及方法提供用于转子速度和转子时间 常量的同时估计。进一步期望提供在无负载或者满负载两种条件下具有高精度的该估计的 此类系统和方法，仅利用测量信号的幅度而无需考虑相位漂移(从而避免在过零点除W零） 并通过实施更少计算负担同时仍提供精确估计结果的算法来执行该估计。
【发明内容】
[0009] 本发明的实施例提出一种用于确定AC感应式电机的转子时间常量的系统及方法。
[0010] 根据本发明的一方面，一种非易失性计算机可读存储介质具有存储在其上的包含 指令的计算机程序，当由至少一个处理器执行该指令时，使得至少一个处理器生成用于运 行感应式电机的转子磁通命令，使得磁通信号插入到转子磁通命令中从而生成时变转子磁 通，并通过电压-电流磁通观测器确定由时变转子磁通产生的转子磁通变量的幅度，转子磁 通变量的幅度包括基于电压-电流磁通观测器的电流模型的转子磁通变量的幅度W及基于 电压-电流磁通观测器的合并的电压-电流模型的转子磁通变量的幅度。指令进一步使得至 少一个处理器基于确定的转子磁通变量的幅度而估计感应式电机的转子时间常量。
[0011] 根据本发明的另一方面，一种确定AC感应式电机的在线转子时间常量的方法包括 将具有预先确定的幅度和频率的磁通信号插入到转子磁通命令中W便生成时变转子磁通， 转子磁通命令作为用于运行感应式电机的可变速驱动(VSD)所实施的矢量控制方案的一部 分而被提供。方法还包括采样VSD的DC总线上的DC电压W及由VSD输出的至少两个相位上的 AC线电流，将采样的DC电压和AC线电流输入到闭环电压-电流磁通观测器，利用电压-电流 磁通观测器并至少部分地基于采样的DC电压和AC线电流而确定转子磁通变量幅度，W及基 于确定的转子磁通变量幅度而估计感应式电机的在线转子时间常量。
[0012] 根据本发明的又一方面，电机控制系统包括可禪接到AC感应式电机W控制该AC感 应式电机的运行的可变频率驱动(VFD)，W及可操作地禪接至VH)或者与VFD集成的至少一 个处理器，该至少一个处理器被编程为生成用于运行感应式电机的转子磁通命令，使得磁 通信号被插入到转子磁通命令中W便生成时变转子磁通，并提供时变转子磁通命令作为用 于感应式电机的矢量控制的输入，无传感器矢量控制通过可变速驱动实施W控制到感应式 电机的电力输入。该至少一个处理器进一步被编程为在感应式电机运行期间采样VSD的DC 电压和线电流，将采样的DC电压和线电流提供至包括电压模型和电流模型的电压-电流磁 通观测器，并通过电压-电流磁通观测器，确定基于电流模型的转子磁通变量的幅度W及基 于电压模型和电流模型二者的转子磁通变量的幅度。该至少一个处理器进一步被编程为基 于确定的转子磁通变量的幅度来估计感应式电机的转子时间常量W及基于转子时间常量 来估计感应式电机的转子速度，其中估计感应式电机的转子时间常量而无需考虑转子磁通 变量的相位漂移，从而在估计转子时间常量中不执行在过零点除W零。
[0013] 从W下详细的描述和附图中，本发明的各种其它特征和优点将会变得显而易见。
【附图说明】
[0014]【附图说明】了目前预期用于实施本发明的优选实施例。
[001引在附图中；
[0016] 图1为用于与本发明实施例一起使用的AC电机驱动W及相关联的感应式电机的示 意图。
[0017] 图2为根据本发明实施例的用于感应式电机的转子速度和转子时间常量的同步估 计的控制方案的示意框图。
[0018] 图3为用于与根据本发明实施例的图2的控制方案一起使用的闭环电压和电流磁 通观测器的示意图。
[0019] 图4为示出根据本发明实施例的用于估计在线转子时间常量的技术的流程图。
【具体实施方式】
[0020] 本发明的实施例设及一种提供同时估计AC感应式电机中的转子速度和转子时间 常量的系统及方法。根据本发明的实施例，可W由若干数字信号处理(DSP)设备中的任意一 种执行对AC感应式电机的转子速度和转子时间常量的估计，此类设备被集成到与感应式电 机相关联的电机驱动中，或者作为独立的算法单元和/或处理/计算设备而被提供。
[0021] 参照图1，显示了被配置为控制相关联的AC感应式电机运行的可与本发明的实施 例一起使用的电机设备10的一般结构。
[0022] 电机驱动10可被配置为例如变速驱动(VSD)，该变速驱动(VSD)被设计为接收=个 AC电力输入，整流AC输入，并执行将所整流的段DC/AC转换成供应至负载的可变频率和幅度 的=相交流电压。在优选实施例中，VSD根据示例性电压/赫兹的特性而运行。在此而言，电 机驱动在稳定状态中提供± 1 %的电压调节，并具有小于3 %的总的谐波失真，±0.1 Hz的输 出频率，W及在满负载范围上的快速动态梯级负载响应。同样在优选实施例中，VSD提供根 据矢量或者磁场定向控制方案的控制。
[0023] 在示例性实施例中，S相AC输入12a-12c被馈送至S相整流桥14。输入线阻抗在所 有S相中相等。整流桥14将AC电力输入转换为DC电力，从而DC总线电压出现在整流桥14与 开关阵列16之间。通过DC总线电容器组18来平滑总线电压。开关阵列16包括共同形成PWM逆 变器24的一系列IGBT开关20W及反并行二极管22"PWM