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異步電機轉子時間常數在線識別系統及方法.pdf

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異步電機 轉子 時間常數 在線 識別 系統 方法
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摘要
申請專利號:

CN201210499243.5

申請日:

2012.11.29

公開號:

CN102983807B

公開日:

2015.01.28

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法律詳情: 專利權的轉移號牌文件類型代碼:1602號牌文件序號:101728965540IPC(主分類):H02P 21/14專利號:ZL2012104992435登記生效日:20160217變更事項:專利權人變更前權利人:深圳市匯川技術股份有限公司變更后權利人:深圳市匯川技術股份有限公司變更事項:地址變更前權利人:518101 廣東省深圳市寶安區寶城70區留仙二路鴻威工業區E棟變更后權利人:518101 廣東省深圳市寶安區寶城70區留仙二路鴻威工業區E棟變更事項:專利權人變更前權利人:蘇州匯川技術有限公司;蘇州默納克控制技術有限公司變更后權利人:蘇州匯川技術有限公司|||授權|||實質審查的生效IPC(主分類):H02P 21/14申請日:20121129|||公開
IPC分類號: H02P21/14 主分類號: H02P21/14
申請人: 深圳市匯川技術股份有限公司; 蘇州匯川技術有限公司; 蘇州默納克控制技術有限公司
發明人: 何俊輝
地址: 518101 廣東省深圳市寶安區寶城70區留仙二路鴻威工業區E棟
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專利代理機構: 深圳市順天達專利商標代理有限公司 44217 代理人: 陸軍
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201210499243.5

授權公告號:

|||102983807B||||||

法律狀態公告日:

2016.03.09|||2015.01.28|||2013.04.17|||2013.03.20

法律狀態類型:

專利申請權、專利權的轉移|||授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明提供了一種異步電機轉子時間常數在線識別系統,包括分解角度計算單元、前饋電壓分解單元、反饋電壓采樣單元、反饋電壓分解單元以及時間常數計算單元,其中:所述分解角度計算單元,用于根據勵磁電流和轉矩電流獲得分解角度;所述前饋電壓分解單元,用于使用分解角度對前饋電壓進行分解計算;所述反饋電壓采樣單元,用于采樣被控電機的輸出端獲得反饋電壓;所述反饋電壓分解單元,用于使用所述分解角度對反饋電壓進行分解計算;所述時間常數計算單元,用于根據前饋電壓和反饋電壓的分解結果計算并更新轉子時間常數。本發明還提供一種對應的方法。本發明通過電壓分解實現了轉子時間常數的在線實時辨識,且該過程不受定子電阻變化影響。

權利要求書

權利要求書一種異步電機轉子時間常數在線識別系統,其特征在于:包括分解角度計算單元、前饋電壓分解單元、反饋電壓采樣單元、反饋電壓分解單元以及時間常數計算單元,其中:所述分解角度計算單元,用于從被控電機的勵磁電流指令和轉矩電流指令獲得勵磁電流和轉矩電流,并根據所述勵磁電流和轉矩電流獲得分解角度;所述前饋電壓分解單元,用于根據勵磁電流和轉矩電流計算前饋電壓并使用分解角度對所述前饋電壓進行分解計算;所述反饋電壓采樣單元,用于采樣被控電機的輸出端獲得反饋電壓;所述反饋電壓分解單元,用于使用所述分解角度對反饋電壓進行分解計算;所述時間常數計算單元,用于對所述前饋電壓的分解結果和反饋電壓的分解結果之差進行積分計算獲得轉子時間常數的增益系數,并使用所述轉子時間常數的增益系數更新轉子時間常數。 
根據權利要求1所述的異步電機轉子時間常數在線識別系統,其特征在于:所述分解角度計算單元通過以下公式計算分解角度Φ:Φ = arctan(Id* / Iq*),其中Id*為勵磁電流,Iq*為轉矩電流。
根據權利要求1所述的異步電機轉子時間常數在線識別系統,其特征在于:所述前饋電壓分解單元通過以下公式計算前饋電壓Vd*:
Vd* = Rs×id* ? We×σLs×Iq*;
通過以下公式計算前饋電壓Vd*的分解結果:
Vd*'= ? We ×λq';
其中λq'=σLs×Iq* cosΦ +λd*×sinΦ,λd* = Lm×Id*,σ= 1 – Ls×Lr/(Lm×Lm),σLs = Lm – Ls×Lr/Lm,We 、Rs、σ、Lm、Ls、Lr分別為被控電機的磁場同步角速度、定子電阻、漏感系數、互感、定子電感、轉子電感。
根據權利要求1所述的異步電機轉子時間常數在線識別系統,其特征在于:所述反饋電壓采樣單元通過采樣被控電機輸出端的三相電壓并對所述三相電壓進行旋轉變換獲得電機輸出電壓的D軸分量Vd和Q軸分量Vq;所述反饋電壓分解單元通過以下公式計算反饋電壓的分解結果:
Vd'=  cosΦ×Vd – sinΦ×Vq。
根據權利要求1所述的異步電機轉子時間常數在線識別系統,其特征在于:所述時間常數計算單元包括第一判斷子單元、第二判斷子單元;所述第一判斷子單元用于判斷被控電機同步頻率是否高于額定頻率或低于第一預設值;所述第二判斷子單元用于判斷轉矩勵磁電流比是否小于第二預設值;所述時間常數計算單元在所述同步頻率高于額定頻率、低于第一預設值或轉矩勵磁電流比小于第二預設值時使積分輸入為零、否則將所述前饋電壓的分解結果和反饋電壓的分解結果之差作為積分輸入進行積分計算獲得轉子時間常數的增益系數。
一種異步電機轉子時間常數在線識別方法,其特征在于:包括以下步驟:
(a)從被控電機的勵磁電流指令和轉矩電流指令獲得勵磁電流和轉矩電流,并根據所述勵磁電流和轉矩電流獲得分解角度及前饋電壓;
(b)采樣被控電機的輸出端獲得反饋電壓;
(c)使用所述分解角度分別對前饋電壓和反饋電壓進行分解計算;
(d)對所述前饋電壓的分解結果和反饋電壓的分解結果之差進行積分計算獲得轉子時間常數的增益系數,并使用所述轉子時間常數的增益系數更新轉子時間常數。 
根據權利要求6所述的異步電機轉子時間常數在線識別方法,其特征在于:所述分解角度Φ為:Φ = arctan(Id* / Iq*),其中Id*為勵磁電流,Iq*為轉矩電流。
根據權利要求6所述的異步電機轉子時間常數在線識別方法,其特征在于:所述步驟(a)中通過以下公式計算前饋電壓Vd*:
Vd* = Rs.id* ? We.σLs.Iq*;
所述步驟(c)中通過以下公式獲得前饋電壓Vd*的分解結果:
Vd* = Rs×id* ? We×σLs×Iq*;
通過以下公式計算前饋電壓Vd*的分解結果:
Vd*'= ? We ×λq';
其中λq'=σLs×Iq* cosΦ +λd*×sinΦ,λd* = Lm×Id*,σ= 1 – Ls×Lr/(Lm×Lm),σLs = Lm – Ls×Lr/Lm,We 、Rs、σ、Lm、Ls、Lr分別為被控電機的磁場同步角速度、定子電阻、漏感系數、互感、定子電感、轉子電感。
根據權利要求6所述的異步電機轉子時間常數在線識別方法,其特征在于:所述步驟(b)中包括:采樣被控電機輸出端的三相電壓并對所述三相電壓進行旋轉變換獲得電機輸出電壓的D軸分量Vd和Q軸分量Vq;所述步驟(c)中:通過以下公式對反饋電壓Vd重新分解獲得反饋電壓的分解結果:
Vd'=  cosΦ×Vd – sinΦ×Vq。
根據權利要求6?9中任一項所述的異步電機轉子時間常數在線識別方法,其特征在于:所述步驟(d)中包括:
(d1)判斷被控電機同步頻率是否高于額定頻率或低于第一預設值以及轉矩勵磁電流比是否小于第二預設值,并在所述同步頻率高于額定頻率、低于第一預設值或轉矩勵磁電流比小于第二預設值時執行步驟(d2),否則執行步驟(d3);
(d2)使積分輸入為零,并執行步驟(d4);
(d3)將所述前饋電壓的分解結果和反饋電壓的分解結果之差作為積分輸入,并執行(d4);
(d4)根據積分輸入進行積分計算獲得轉子時間常數的增益系數,并使用所述轉子時間常數的增益系數更新轉子時間常數。

說明書

說明書異步電機轉子時間常數在線識別系統及方法
技術領域
本發明涉及電機控制領域,更具體地說,涉及一種異步電機轉子參數在線識別系統及方法。
背景技術
在異步電機的轉子磁場定向控制中,若要實現轉矩電流和勵磁電流的正確分解,必須得到準確的轉子時間常數。通過離線辨識可以準確測量到電機的電感和轉子電阻,從而計算得到高精度的轉子時間常數。然而在實際應用中,異步電機拖動負載運行時電機自身會產生熱量,引起電機轉子電阻溫度升高,使得電機轉子電阻發生變化。這種情況下如不對電機轉子時間常數進行在線校正,轉矩電流和勵磁電流將不能得到正確分解,直接影響異步機轉矩控制的精度。因此有必要在線實時對轉子時間常數進行辨識和更新。
已有轉子電阻在線辨識都基于磁通觀測實現,即通過對比當前控制量與磁通觀測量之間的差異進行轉子時間常數增益的計算。雖然磁通觀測方案有所差異,但是磁通觀測的輸入參數通常包括電機端電壓、電流、電機電感和定子電阻。
由于定子電阻也具有隨電機繞組溫度升高而變化的特點,從而影響磁通估計的準確性,因此基于磁通觀測的時間常數在線辨識方案很難得到高精度的轉子時間常數。
發明內容
本發明要解決的技術問題在于,針對上述定子電阻阻值因溫度升高而變化并影響電機控制精度的問題,提供一種異步電機轉子時間常數在線識別系統及方法。
本發明解決上述技術問題的技術方案是,提供一種異步電機轉子時間常數在線識別系統,包括分解角度計算單元、前饋電壓分解單元、反饋電壓采樣單元、反饋電壓分解單元以及時間常數計算單元,其中:所述分解角度計算單元,用于從被控電機的勵磁電流指令和轉矩電流指令獲得勵磁電流和轉矩電流,并根據所述勵磁電流和轉矩電流獲得分解角度;所述前饋電壓分解單元,用于根據勵磁電流和轉矩電流計算前饋電壓并使用分解角度對所述前饋電壓進行分解計算;所述反饋電壓采樣單元,用于采樣被控電機的輸出端獲得反饋電壓;所述反饋電壓分解單元,用于使用所述分解角度對反饋電壓進行分解計算;所述時間常數計算單元,用于對所述前饋電壓的分解結果和反饋電壓的分解結果之差進行積分計算獲得轉子時間常數的增益系數,并使用所述轉子時間常數的增益系數更新轉子時間常數。
在本發明所述的異步電機轉子時間常數在線識別系統中,所述分解角度計算單元通過以下公式計算分解角度Φ:Φ=arctan(Id*/Iq*),其中Id*為勵磁電流,Iq*為轉矩電流。
在本發明所述的異步電機轉子時間常數在線識別系統中,所述前饋電壓分解單元通過以下公式計算前饋電壓Vd*:
Vd*=Rs×id*?We×σLs×Iq*;
通過以下公式計算前饋電壓Vd*的分解結果:
Vd*′=?We×λq′;
其中λq′=σLs×Iq*cosΦ+λd*×sinΦ,λd*=Lm×Id*,σ=1–Ls×Lr/(Lm×Lm),σLs=Lm–Ls×Lr/Lm,We、Rs、σ、Lm、Ls、Lr分別為被控電機的磁場同步角速度、定子電阻、漏感系數、互感、定子電感、轉子電感。
在本發明所述的異步電機轉子時間常數在線識別系統中,所述反饋電壓采樣單元通過采樣異步電機輸出端的三相電壓并對所述三相電壓進行旋轉變換獲得電機輸出電壓的D軸分量Vd和Q軸分量Vq;所述反饋電壓分解單元通過以下公式計算反饋電壓的分解結果:Vd′=cosΦ×Vd–sinΦ×Vq。
在本發明所述的異步電機轉子時間常數在線識別系統中,所述時間常數計算單元包括第一判斷子單元、第二判斷子單元;所述第一判斷子單元用于判斷被控電機同步頻率是否高于額定頻率或或低于第一預設值;所述第二判斷子單元用于判斷轉矩勵磁電流比是否小于第二預設值;所述時間常數計算單元在所述同步頻率高于額定頻率、低于第一預設值或轉矩勵磁電流比小于第二預設值時使積分輸入為零、否則將所述前饋電壓的分解結果和反饋電壓的分解結果之差作為積分輸入進行積分計算獲得轉子時間常數的增益系數。
本發明還提供一種異步電機轉子時間常數在線識別方法,包括以下步驟:
(a)從被控電機的勵磁電流指令和轉矩電流指令獲得勵磁電流和轉矩電流,并根據所述勵磁電流和轉矩電流獲得分解角度及前饋電壓;
(b)采樣被控電機的輸出端獲得反饋電壓;
(c)使用所述分解角度分別對前饋電壓和反饋電壓進行分解計算;
(d)對所述前饋電壓的分解結果和反饋電壓的分解結果之差進行積分計算獲得轉子時間常數的增益系數,并使用所述轉子時間常數的增益系數更新轉子時間常數。
在本發明所述的異步電機轉子時間常數在線識別方法中,所述分解角度Φ為:Φ=arctan(Id*/Iq*),其中Id*為勵磁電流,Iq*為轉矩電流。
在本發明所述的異步電機轉子時間常數在線識別方法中,所述步驟(a)中通過以下公式計算前饋電壓Vd*:
Vd*=Rs×id*?We×σLs×Iq*;
通過以下公式計算前饋電壓Vd*的分解結果:
Vd*′=?We×λq′;
其中λq′=σLs×Iq*cosΦ+λd*×sinΦ,λd*=Lm×Id*,σ=1–Ls×Lr/(Lm×Lm),σLs=Lm–Ls×Lr/Lm,We、Rs、σ、Lm、Ls、Lr分別為被控電機的磁場同步角速度、定子電阻、漏感系數、互感、定子電感、轉子電感。
在本發明所述的異步電機轉子時間常數在線識別方法中,所述步驟(b)中包括:采樣被控電機輸出端的三相電壓并對所述三相電壓進行旋轉變換獲得電機輸出電壓的D軸分量Vd和Q軸分量Vq;所述步驟(c)中:通過以下公式對反饋電壓Vd重新分解獲得反饋電壓的分解結果:Vd′=cosΦ×Vd–sinΦ×Vq。
在本發明所述的異步電機轉子時間常數在線識別方法中,所述步驟(d)中包括:
(d1)判斷被控電機同步頻率是否高于額定頻率或低于第一預設值以及轉矩勵磁電流比是否小于第二預設值,并在所述同步頻率高于額定頻率、低于第一預設值或轉矩勵磁電流比小于第二預設值時執行步驟(d2),否則執行步驟(d3);
(d2)使積分輸入為零,并執行步驟(d4);
(d3)將所述前饋電壓的分解結果和反饋電壓的分解結果之差作為積分輸入,并執行(d4);
(d4)根據積分輸入進行積分計算獲得轉子時間常數的增益系數,并使用所述轉子時間常數的增益系數更新轉子時間常數。
本發明的異步電機轉子時間常數在線識別系統及方法,通過電壓分解實現了轉子時間常數的在線實時辨識,且該過程不受定子電阻變化影響。本發明可有效改善異步機轉子磁場定向的效果,提高轉矩控制精度。
附圖說明
圖1是本發明異步電機轉子時間常數在線識別系統實施例的示意圖。
圖2是本發明異步電機轉子時間常數在線識別方法實施例的流程示意圖。
圖3是圖2中時間常數計算的具體實現的流程圖。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白,以下結合附圖及實施例,對本發明進行進一步詳細說明。應當理解,此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明,并不用于限定本發明。
本發明利用電壓重新分解技術對旋轉坐標系的D軸和Q軸電壓進行重新分解。由于重新分解后D軸電壓不包含定子電阻成份,因此可通過對比分解后的指令電壓(前饋電壓)和反饋電壓采用模型參考自適應技術對轉子時間常數進行在線辨識和更新。
如圖1所示,是本發明異步電機轉子時間常數在線識別系統實施例的示意圖。本實施例中的時間常數在線識別系統用于輔助進行電機控制,其包括分解角度計算單元11、前饋電壓分解單元12、反饋電壓采樣單元13、反饋電壓分解單元14以及時間常數計算單元15。上述分解角度計算單元11、前饋電壓分解單元12、反饋電壓采樣單元13、反饋電壓分解單元14以及時間常數計算單元15可集成到現有的電機控制裝置(例如變頻器或伺服驅動器等),并結合軟件實現。當然,在實際應用中,該系統也可采用獨立的硬件及軟件實現。
分解角度計算單元11用于從被控電機的勵磁電流指令和轉矩電流指令獲得勵磁電流和轉矩電流,并根據勵磁電流和轉矩電流獲得分解角度。上述勵磁電流指令和轉矩電流指令由電機控制裝置在運行過程中產生,用以控制電機運行。具體地,分解角度計算單元11可通過以下公式計算分解角度Φ:
Φ=arctan(Id*/Iq*),
其中Id*為勵磁電流,Iq*為轉矩電流。
反饋電壓采樣單元13用于采樣被控電機的輸出端獲得反饋電壓。具體地,該反饋電壓采樣單元13通過采樣被控電機輸出端的三相電壓并對三相電壓進行旋轉變換獲得電機輸出電壓的D軸分量Vd和Q軸分量Vq。
反饋電壓分解單元14用于使用分解角度對反饋電壓進行分解計算。該反饋電壓分解單元14可通過以下公式計算反饋電壓的分解結果:
Vd′=cosΦ×Vd–sinΦ×Vq。
前饋電壓分解單元12用于根據勵磁電流和轉矩電流計算前饋電壓并使用分解角度對前饋電壓進行分解計算。本實施例中,將直接根據指令參數計算的電壓作為前饋電壓,具體地,前饋電壓分解單元12通過以下公式計算前饋電壓Vd*:
Vd*=Rs×id*?We×σLs×Iq*;
通過以下公式計算前饋電壓Vd*的分解結果:
Vd*′=?We×λq′;
其中λq′=σLs×Iq*cosΦ+λd*×sinΦ,λd*=Lm×Id*,σ=1–Ls×Lr/(Lm×Lm),σLs=Lm–Ls×Lr/Lm,We、Rs、σ、Lm、Ls、Lr分別為被控電機的磁場同步角速度、定子電阻、漏感系數、互感、定子電感、轉子電感。
上述前饋電壓的分解結果Vd*′不包含定子電阻,即不受定子電阻影響。若前饋電壓Vd*分解后的電壓Vd*′與電機端反饋電壓Vd分解后的Vd′存在偏差,說明此時電機磁場定向出現偏移,即當前控制的轉子時間常數與電機當前實際的常數不相符合。
時間常數計算單元15用于對前饋電壓的分解結果和反饋電壓的分解結果之差進行積分計算獲得轉子時間常數的增益系數,并使用轉子時間常數的增益系數更新轉子時間常數。具體地,時間常數計算單元15以前饋電壓的分解結果Vd*′和反饋電壓的分解結果Vd′的差值作為控制量輸入給積分模塊,計算得到轉子時間常數增益系數K,然后將轉子時間常數Tr更新為Tr×(1+K),即實時辨識的轉子時間常數Tr′=Tr×(1+k)。
電機控制裝置可利用更新后的轉子時間常數Tr′通過公式(1)計算控制轉差即可重新實現轉子磁場的準確定向,實現高精度的轉矩控制。
Wsl=Iq*/(Id*×Tr′)            (1)
其中,Wsl為轉差,Tr′為實時辨識的轉子時間常數。
由于轉子電阻在線辨識的精度與電機運行的同步頻率及轉矩、勵磁電流比(Id*/Iq*)相關,為了提高在線辨識的精度,需要對轉子電阻在線辨識的輸入參數進行判斷。
具體地,上述時間常數計算單元15可包括第一判斷子單元、第二判斷子單元,其中第一判斷子單元用于判斷被控電機同步頻率是否高于額定頻率或低于第一預設值(例如額定頻率的20%);第二判斷子單元用于判斷轉矩勵磁電流比是否小于第二預設值(例如40%)。時間常數計算單元15在同步頻率的幅度大于額定頻率、同步頻率的幅度低于第一預設值或者轉矩勵磁電流比小于第二預設值時,使積分輸入為零、否則將前饋電壓的分解結果和反饋電壓的分解結果之差作為積分輸入進行積分計算獲得轉子時間常數的增益系數。
通過以上限定,可以有效提高轉子電阻在線辨識精度。與此同時,由于電機一般運行頻率高于額定頻率的20%,轉矩勵磁電流比小于40%代表電機負載較輕,轉子電阻不準的影響較小,因此以上對積分輸入的限制對電機控制的性能影響不大。
如圖2所示,是本發明異步電機轉子時間常數在線識別方法實施例的流程示意圖。本實施例中的方法可又電機控制裝置執行,并包括以下步驟:
步驟S21:從被控電機的勵磁電流指令和轉矩電流指令獲得勵磁電流Id*和轉矩電流Iq*,然后執行步驟S22。
步驟S22:根據獲取的勵磁電流和轉矩電流獲得分解角度Φ,然后執行步驟S24及步驟S25。該步驟中,分解角度Φ可通過以下公式計算獲得:Φ=arctan(Id*/Iq*),其中Id*為勵磁電流,Iq*為轉矩電流。
步驟S23:采樣被控電機的輸出端獲得反饋電壓,該步驟可與步驟S21或步驟S22同時執行。在該步驟中,可先采樣被控電機輸出端的三相電壓,然后對三相電壓進行旋轉變換獲得電機輸出電壓的D軸分量Vd和Q軸分量Vq。
步驟S24:使用分解角度對反饋電壓進行分解計算。在該步驟中,通過以下公式對反饋電壓Vd重新分解獲得反饋電壓的分解結果:Vd′=cosΦ×Vd–sinΦ×Vq。
步驟S25:根據勵磁電流和轉矩電流計算前饋電壓Vd*,并使用分解角度對前饋電壓進行分解計算。該步驟可與步驟S24同時執行或先于步驟S24執行。
該步驟中,通過以下公式計算前饋電壓Vd*:
Vd*=Rs×id*?We×σLs×Iq*;
通過以下公式計算前饋電壓Vd*的分解結果:
Vd*′=?We×λq′;
其中λq′=σLs×Iq*cosΦ+λd*×sinΦ,λd*=Lm×Id*,σ=1–Ls×Lr/(Lm×Lm),σLs=Lm–Ls×Lr/Lm,We、Rs、σ、Lm、Ls、Lr分別為被控電機的磁場同步角速度、定子電阻、漏感系數、互感、定子電感、轉子電感。
步驟S26:在獲得前饋電壓和反饋電壓的分解結果后,對前饋電壓的分解結果Vd*′和反饋電壓的分解結果Vd′之差進行積分計算獲得轉子時間常數的增益系數,并使用轉子時間常數的增益系數更新轉子時間常數。
并且上述方法中,還可包括:使用更新后的轉子時間常數計算轉子的轉差。
為提高在線辨識的精度,需對轉子電阻在線辨識的輸入參數進行判斷。由于電機一般運行頻率高于額定頻率的20%,轉矩勵磁電流比小于40%,代表電機負載較輕,轉子電阻不準的影響較小,因此以上對積分輸入的限制對電機控制的性能影響不大。如圖3所示,是圖2中積分計算的具體流程示意圖,其包括:
步驟S261:判斷被控電機同步頻率是否高于額定頻率或低于第一預設值(例如20%),并在同步頻率高于額定頻率或低于第一預設值時執行步驟S262,否則執行步驟S263。
步驟S262:判斷轉矩勵磁電流比是否小于第二預設值,并在轉矩勵磁電流比小于第二預設值時執行步驟S264,否則執行步驟S263。
步驟S263:使積分輸入為零,并執行步驟S264。
步驟S264:將前饋電壓的分解結果和反饋電壓的分解結果之差作為積分輸入進行積分計算,獲得轉子時間常數的增益系數,并使用轉子時間常數的增益系數更新轉子時間常數。
以上所述,僅為本發明較佳的具體實施方式,但本發明的保護范圍并不局限于此,任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內,可輕易想到的變化或替換,都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此,本發明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。

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