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一種同步電機電感參數辨識方法及其實現系統.pdf

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一種 同步電機 電感 參數 辨識 方法 及其 實現 系統
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摘要
申請專利號:

CN201180004211.7

申請日:

2011.03.30

公開號:

CN102763324B

公開日:

2015.01.14

當前法律狀態:

有效性:

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):H02P 21/14申請日:20110330|||公開
IPC分類號: H02P21/14 主分類號: H02P21/14
申請人: 深圳市英威騰電氣股份有限公司
發明人: 王玉雷; 徐鐵柱
地址: 518055 廣東省深圳市南山區龍井高發科技工業園4號廠房
優先權:
專利代理機構: 深圳市深佳知識產權代理事務所(普通合伙) 44285 代理人: 唐華明
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201180004211.7

授權公告號:

102763324B||||||

法律狀態公告日:

2015.01.14|||2012.12.26|||2012.10.31

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開一種同步電機電感參數辨識方法及其實現系統,首先確定電機的轉子磁極軸位置,得到磁極坐標軸d-q軸,然后向電機的d軸注入一定幅值的高頻電壓或電流信號,獲取d軸的反饋高頻電流或電壓中與注入高頻電壓或電流頻率相同的反饋高頻電流或電壓分量的幅值,根據所述d軸反饋高頻電流或電壓分量的幅值計算d軸電感Ld。本發明易于實現,對電機反饋電流采樣精度要求不高,注入電機的高頻電壓信號的頻率和幅值也容易控制,可直接辨識得到電機的d軸電感和q軸電感,電機軸無論是處于自由態,還是處于抱緊狀態,都不影響辨識的精度。

權利要求書

1.一種同步機電感參數辨識方法,其特征是:所述的方法為首先確定電
機的轉子磁極軸位置,得到磁極坐標軸d-q軸,然后向電機的d軸注入一定幅
值的高頻電壓或電流信號,獲取d軸的反饋高頻電流或電壓中與注入高頻電
壓或電流頻率相同的反饋高頻電流或電壓分量的幅值,根據所述d軸反饋高
頻電流或電壓分量的幅值計算d軸電感Ld。
2.根據權利要求1所述的同步機電感參數辨識方法,其特征是:所述確
定電機的轉子磁極軸位置,得到磁極坐標軸d-q軸步驟包括:向同步電機中任
意選取的γ-δ坐標系中的γ軸上注入一組幅值從0逐漸增大的高頻正弦電壓
或電流信號;獲取反饋高頻電流或電壓的γ軸和δ軸分量并對其進行坐標λ-κ
變換,根據變換結果得到磁極位置角θr,所述λ-κ坐標軸超前γ-δ坐標軸45
度;根據得到的磁極位置角θr調整γ-δ坐標,使之逐漸逼近電機的磁極坐
標d-q軸,直至θr達到穩定,此時γ-δ軸坐標即為d-q軸坐標。
3.根據權利要求2所述的同步機電感參數辨識方法,其特征是:所述的
向同步電機中任意選取的γ-δ坐標系中的γ軸上注入幅值從0逐漸增大的電
壓或電流信號,直到反饋高頻電流或電壓的γ軸幅值達到設定值,或者注入的
高頻電壓或電流幅值達到設定值時,注入的高頻電壓或電流幅值保持不變,
此時向同步電機γ軸上注入的電壓或電流信號幅值等于向電機的d軸注入的
高頻電壓或電流信號的幅值,用于計算d軸電感Ld。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的同步機電感參數辨識方法,其特
征是:所述的計算d軸電感Ld之后還包括計算q軸電感Lq,具體包括:向電
機的q軸注入一定幅值的高頻電壓或電流信號,獲取q軸的反饋高頻電流或
電壓中與注入高頻電壓或電流頻率相同的反饋高頻電流或電壓分量的幅值,
根據所述q軸反饋高頻電流或電壓分量的幅值計算q電感Lq。
5.根據權利要求4所述的同步機電感參數辨識方法,其特征是:所述的
計算q軸電感Lq之前,還包括下述步驟:
向d軸注入一固定值的直流電流;
并將所述向d軸注入的直流電流,與同步電機反饋電流的d軸直流分量
進行PI調節;
將PI調節得到的d軸直流電壓與q軸上注入的正弦高頻電壓疊加;
逐漸增加注入到q軸上的高頻電壓或電流幅值,直到反饋電流或電壓的
幅值達到設定值,或向q軸注入的高頻電壓或電流幅值達到設定值。
6.根據權利要求5所述的同步機電感參數辨識方法,其特征是:所述PI
調節時,采用的同步電機反饋電流或電壓的d軸直流分量,是采用低通濾波
器得到反饋電流的直流分量。
7.根據權利要求1所述的同步電機電感參數辨識方法,其特征是:所述
向電機的d軸注入一定幅值的高頻電壓或電流信號是將高頻電壓或電流信號
通過逆變器的PWM模塊注入電機d軸的,所述注入的高頻電壓或電流信號的
頻率大于同步電機的額定頻率,小于逆變器的PWM載波頻率。
8.根據權利要求4所述的同步電機電感參數辨識方法,其特征是:所述
向電機的q軸注入一定幅值的高頻電壓或電流信號是將高頻電壓或電流信號
通過逆變器的PWM模塊注入電機q軸的,所述注入的高頻電壓或電流信號的
頻率大于同步電機的額定頻率,小于逆變器的PWM載波頻率。
9.一種實現如權利要求1所述的同步電機電感參數辨識方法的系統,其
特征是:所述的系統包括初始磁極定位模塊、d軸高頻電壓/電流注入模塊、d
軸帶通濾波模塊、d軸電感計算模塊,其中:
所述初始磁極定位模塊,用于確定電機的轉子磁極軸位置,得到磁極坐
標軸d-q軸;
所述d軸高頻電壓/電流注入模塊,根據所述初始磁極定位模塊確定的磁
極軸位置,將一定幅值的高頻電壓或電流注入電機的d軸;
所述d軸帶通濾波模塊,用于提取d軸的反饋高頻電流或電壓中與注入
與電壓或電流同頻率的高頻電流或電壓的d軸分量;
所述d軸電感計算模塊,用于根據所述d軸分量,計算高頻反饋電流或
電壓d軸分量的幅值,并根據d軸分量的幅值計算得到d軸電感。
10.根據權利要求9所述的系統,其特征是:所述d軸高頻電壓/電流注
入模塊,還用于在所述初始磁極定位模塊確定電機轉子磁極軸位置時,向同
步電機的任選坐標系γ-δ的γ軸上注入一組幅值從0逐漸增大的高頻正弦電
壓或電流信號。
11.根據權利要求10所述的系統,其特征是:所述系統還包括:λ-κ坐
標變換模塊,用于將得到的γ-δ軸的反饋高頻電流或電壓變換到阻抗觀測軸
λ-κ;所述初始磁極定位模塊通過所述λ-κ坐標變換模塊與所述d軸帶通濾
波模塊相連,其根據λ-κ坐標變換模塊的變換結果得到磁極位置角θr,根據
得到的磁極位置角θr調整γ-δ坐標,使之逐漸逼近電機的磁極坐標d-q軸,
直至θr達到穩定,此時γ-δ軸坐標即為d-q軸坐標。
12.根據權利要求9至11中任一項所述的系統,其特征是:所述的系統
還包括q軸高頻電壓/電流注入模塊、q軸帶通濾波模塊和q軸電感計算模塊,
其中:
所述q軸高頻電壓/電流注入模塊,將一定幅值的高頻電壓或電流注入電
機的q軸;
所述q軸帶通濾波模塊,用于提取q軸的反饋高頻電流或電壓中與注入
與電壓或電流同頻率的高頻電流或電壓的q軸分量;
q軸電感計算模塊,用于根據所述q軸分量,計算高頻反饋電流或電壓q
軸分量的幅值,并根據q軸分量的幅值計算得到q軸電感。
13.根據權利要求12所述的系統,其特征是:所述的系統還包括直流PI
調節器模塊,用于將磁極軸鎖定,保證向注入q軸高頻電壓或電流時磁極軸
不轉動,令注入d軸的直流電流為一設定值,與反饋的d軸電流的直流分量
進行PI調節,得到d軸電壓,將直流PI調節器模塊輸出的d軸電壓與q軸高
頻電壓注入模塊注入的高頻電壓進行疊加。
14.根據權利要求13所述的系統,其特征是:所述直流PI調節器模塊通
過電流/電壓低通濾波器模塊獲取反饋電流的直流分量。
15.根據權利要求12所述的系統,其特征是:所述的系統還包括逆變器
SVPWM模塊,d軸高頻電壓/電流注入模塊通過逆變器的SVPWM模塊將注
入的高頻電壓或電流輸入到同步電機d軸;q軸高頻電壓/電流注入模塊通過
逆變器的SVPWM模塊將注入的高頻電壓或電流輸入到同步電機q軸。

說明書

一種同步電機電感參數辨識方法及其實現系統

技術領域

本發明公開一種電感參數辨識方法及其實現系統,特別是一種同步電機
電感參數辨識方法及其實現系統。

背景技術

永磁同步電機具有功率密度大、損耗小、效率高、功率因數高、適合直
驅等優點,在電氣傳動領域應用越來越廣泛。在早期,同步電機通常采用帶
編碼器反饋的矢量控制或者采用開環V/F控制,應用領域受到很大限制。目前,
同步電機的無速度傳感器矢量控制技術已被少數變頻器廠家所掌握并將其應
用于塑料、機械、油田、風機、水泵等領域。無速度傳感器矢量控制通常采
用轉子磁鏈(即永磁體磁鏈)定向策略,而辨識電機的轉子磁鏈需要知道電
機的電感參數,包括直流電感Ld以及交軸電感Lq。目前,辨識同步電機的直
流電感Ld以及交軸電感Lq通常采用脈沖電壓沖擊法,方法步驟如下:

1、選取任意坐標為d軸(即磁極軸),發出d軸電壓,將轉子的磁極吸引
到d軸;

2、向電機施加一個固定的d軸脈沖電壓,同時采樣d軸的反饋電流,根據
公式: i d = u d r s ( 1 - e - r s L d t ) ]]>計算得到d軸電感;

3、向電機施加短時間的固定q軸脈沖電壓,同時采樣q軸反饋電流,根據
公式: i q = u q r s ( 1 - e - r s L q t ) ]]>計算得到q軸電感。

上述方法具有如下的缺點:

1、需要通過施加直流的方法來得到電機的d軸(轉子磁極軸),如果電
機的軸無法轉動,比如電梯曳引機等帶抱閘機械,則無法得到電機的d軸;

2、要先得到電機的定子電阻rs,而定子電阻rs的精度會影響辨識的電感參
數的精度;

3、施加的固定電壓幅值不容易選取,如果施加的固定電壓幅值過大,會
造成過流;如果施加的固定電壓幅值過小,則電流小,影響檢測精度。同時q
軸電壓施加的時間要求要比較短,否則電機會轉動,容易造成q軸電感參數辨
識不準。

4、由于施加固定電壓的時間比較短,對電流采樣要求較高,要求電流采
樣快而且準,否則容易造成參數辨識偏差。

發明內容

針對上述提到的現有技術中的同步電機的直流電感Ld以及交軸電感Lq檢
測、計算比較困難的缺點,本發明提供一種同步電機電感參數辨識方法及其
實現系統,該方法在不增加硬件的基礎上,能靜態辨識電機電感參數。

本發明解決其技術問題采用的技術方案是:一種同步機電感參數辨識方
法,該方法為首先確定電機的轉子磁極軸位置,得到磁極坐標軸d-q軸,然后
向電機的d軸注入一定幅值的高頻電壓或電流信號,獲取d軸的反饋高頻電
流或電壓中與注入高頻電壓或電流頻率相同的反饋高頻電流或電壓分量的幅
值,根據所述d軸反饋高頻電流或電壓分量的幅值計算d軸電感Ld。

本發明同時提供一種實現上述的同步電機電感參數辨識方法的系統,系
統包括初始磁極定位模塊、d軸高頻電壓/電流注入模塊、d軸帶通濾波模塊、
d軸電感計算模塊,其中:

所述初始磁極定位模塊,用于確定電機的轉子磁極軸位置,得到磁極坐
標軸d-q軸;

所述d軸高頻電壓/電流注入模塊,根據所述初始磁極定位模塊確定的磁
極軸位置,將一定幅值的高頻電壓或電流注入電機的d軸;

所述d軸帶通濾波模塊,用于提取d軸的反饋高頻電流或電壓中與注入
與電壓或電流同頻率的高頻電流或電壓的d軸分量;

所述d軸電感計算模塊,用于根據所述d軸分量,計算高頻反饋電流或
電壓d軸分量的幅值,并根據d軸分量的幅值計算得到d軸電感。

本發明解決其技術問題采用的技術方案進一步還包括:

所述確定電機的轉子磁極軸位置,得到磁極坐標軸d-q軸步驟包括:向同
步電機中任意選取的γ-δ坐標系中的γ軸上注入一組幅值從0逐漸增大的高
頻正弦電壓或電流信號;獲取反饋高頻電流或電壓的γ軸和δ軸分量并對其進
行坐標λ-κ變換,根據變換結果得到磁極位置角θr,所述λ-κ坐標軸超前γ-δ
坐標軸45度;根據得到的磁極位置角θr調整γ-δ坐標,使之逐漸逼近電機
的磁極坐標d-q軸,直至θr達到穩定,此時γ-δ坐標即為d-q坐標。

所述的向同步電機中任意選取的γ-δ坐標系中的γ軸上注入幅值從0逐
漸增大的電壓或電流信號,直到反饋高頻電流或電壓的γ軸幅值達到設定值,
或者注入的高頻電壓或電流幅值達到設定值時,注入的高頻電壓或電流幅值
保持不變,此時向同步電機γ軸上注入的電壓或電流信號幅值等于向電機的d
軸注入的高頻電壓或電流信號的幅值,用于計算d軸電感Ld。

所述的計算d軸電感Ld之后還包括計算q軸電感Lq,具體包括:向電機
的q軸注入一定幅值的高頻電壓或電流信號,獲取q軸的反饋高頻電流或電
壓中與注入高頻電壓或電流頻率相同的反饋高頻電流或電壓分量的幅值,根
據所述q軸反饋高頻電流或電壓分量的幅值計算q電感Lq。

所述的計算q軸電感Lq之前,還包括下述步驟:

向d軸注入一固定值的直流電流;

并將所述向d軸注入的直流電流與同步電機反饋電流的d軸直流分量進
行PI調節;

將PI調節得到的d軸電壓與q軸上注入的正弦高頻電壓疊加;

逐漸增加注入到q軸上的高頻電壓或電流幅值,直到反饋電流或電壓的
幅值達到設定值,或向q軸注入的高頻電壓或電流幅值達到設定值。

所述PI調節時,采用的同步電機反饋電流或電壓的d軸直流分量,是采
用低通濾波器得到反饋電流或電壓的直流分量。

所述向電機的d軸注入一定幅值的高頻電壓或電流信號是將高頻電壓或
電流信號通過逆變器的PWM模塊注入電機d軸的,所述注入的高頻電壓或電
流信號的頻率大于同步電機的額定頻率,小于逆變器的PWM載波頻率。

所述向電機的q軸注入一定幅值的高頻電壓或電流信號是將高頻電壓或
電流信號通過逆變器的PWM模塊注入電機q軸的,所述注入的高頻電壓或電
流信號的頻率大于同步電機的額定頻率,小于逆變器的PWM載波頻率。

所述的系統還包括q軸高頻電壓/電流注入模塊、q軸帶通濾波模塊和q
軸電感計算模塊,其中:

所述q軸高頻電壓/電流注入模塊,將一定幅值的高頻電壓或電流注入電
機的q軸;

所述q軸帶通濾波模塊,用于提取q軸的反饋高頻電流或電壓中與注入
與電壓或電流同頻率的高頻電流或電壓的q軸分量;

q軸電感計算模塊,用于根據所述q軸分量,計算高頻反饋電流或電壓q
軸分量的幅值,并根據q軸分量的幅值計算得到q軸電感。

所述的系統還包括直流PI調節器模塊,用于將磁極軸鎖定,保證向注入
q軸高頻電壓或電流時磁極軸不轉動,令注入d軸的直流電流為一設定值,與
反饋的電流或電壓的直流分量進行PI調節,得到d軸電壓或電流,將直流PI
調節器模塊輸出的d軸電壓與q軸高頻電壓/電流注入模塊注入的高頻電壓進
行疊加。

所述PI調節器模塊通過電流/電壓低通濾波器模塊獲取反饋電流的直流
分量。

所述的系統還包括逆變器SVPWM模塊,d軸高頻電壓/電流注入模塊通
過逆變器的SVPWM模塊將注入的高頻電壓或電流輸入到同步電機d軸;q
軸高頻電壓/電流注入模塊通過逆變器的SVPWM模塊將注入的高頻電壓或電
流輸入到同步電機q軸。

本發明的有益效果是:通過本發明可以在不增加硬件成本的基礎上即可
在通用變頻器上實現比較準確的辨識同步電機的d軸電感和q軸電感。本發
明易于實現,對電機反饋電流采樣精度要求不高,注入電機的高頻電壓信號
的頻率和幅值也容易控制,可直接辨識得到電機的d軸電感和q軸電感,電
機軸無論是處于自由態,還是處于抱緊狀態,都不影響辨識的精度。通過本
發明可實現對表貼式同步電機、內嵌式同步電機和電勵磁同步電機的d軸電
感和q軸電感比較準確的辨識,通過辨識得到的參數可用于對同步電機的矢
量控制算法中。

下面將結合附圖和具體實施方式對本發明做進一步說明。

附圖說明

圖1為本發明所采用的坐標系及其相互關系。

圖2為本發明辨識d軸電感的原理框圖。

圖3為本發明辨識q軸電感的原理框圖。

具體實施方式

本實施例為本發明優選實施方式,其他凡其原理和基本結構與本實施例
相同或近似的,均在本發明保護范圍之內。

本發明主要的為一種同步機電感參數辨識方法,其首先要確定電機的轉
子磁極軸位置,得到磁極坐標軸d-q軸,然后向電機的d軸注入一定幅值的高
頻電壓或電流信號,獲取d軸的反饋高頻電流或電壓中與注入高頻電壓或電
流頻率相同的反饋高頻電流或電壓分量的幅值,根據所述d軸反饋高頻電流
或電壓分量的幅值計算d軸電感Ld。本發明在確定電機的轉子磁極軸位置,
得到磁極坐標軸d-q軸時,步驟如下:向同步電機中任意選取的γ-δ坐標系
中的γ軸上注入一組幅值從0逐漸增大的高頻正弦電壓或電流信號;采樣反饋
高頻電流或電壓的γ軸和δ軸分量并對其進行坐標λ-κ變換,根據變換結果得
到磁極位置角θr,本實施例中,λ-κ坐標軸超前γ-δ坐標軸45度;根據得到
的磁極位置角θr調整γ-δ坐標,使之逐漸逼近電機的磁極坐標d-q軸,直
至θr達到穩定,本實施例中,θr達到穩定是指θr在一個足夠小的閾值范圍內波
動,此時γ-δ坐標軸即可認為是γ-δ坐標軸。本發明中,還可以根據確定
的電機的磁極坐標d-q軸來計算同步電機的q軸電感Lq,具體包括:向電機的
q軸注入一定幅值的高頻電壓或電流信號,獲取q軸的反饋高頻電流或電壓中
與注入高頻電壓或電流頻率相同的反饋高頻電流或電壓分量的幅值,根據所
述q軸反饋高頻電流或電壓分量的幅值計算q電感Lq。為了保證在向q軸注
入高頻電壓或電流信號時,電機轉子不轉動,可以在q軸注入高頻電壓或電
流信號的同時,在d軸注入一個直流電流,用來鎖定轉子磁極位置,從而保
證辨識q軸電感的精確度。

本發明中,用到的同步電機基本理論如下:

當調速系統采用SVPWM電壓源逆變器供電的情況下,可通過逆變器
SVPWM模塊將一定幅值的高頻正弦電壓信號直接施加在同步電機的γ-δ
軸的γ軸上,上。γ-δ軸為任意選取的坐標軸,γ-δ軸與同步電機實際
的d軸和q軸(d軸和q軸按轉子磁極選取)之間有一個磁極偏差角θre。假設注
入的高頻正弦電壓的角頻率為ωi,幅值為Vi,采用γ-δ坐標系,則注入
的高頻電壓信號可表示為:

usγω=Vicos(ωit)

usδω=0??????????????公式(1)

通常選用的高頻電壓信號注入的頻率一般為0.1~2KHz,即大于同步電機
的額定頻率,小于逆變器的PWM載波頻率。在高頻電壓信號激勵下,同步電
機的定子壓降可以忽略,此時同步電機不會旋轉,無反電勢,其反饋的高頻
電流可表示為:

i = V i sin ( ω 1 t ) ω i ( L 2 - Δ L 2 ) ( L + Δ L cos ( 2 θ re ) ) ]]>

公式(2)

i = V i sin ( ω 1 t ) ω i ( L 2 - Δ L 2 ) ( Δ L sin ( 2 θ re ) ) ]]>

公式(2)中,L=(Ld+Lq)/2,ΔL=(Lq-Ld)/2,θre為γ軸與轉子磁
極軸d軸的空間電角度。

當轉子位置的誤差角θre為零時,則在超前γ軸、δ軸45度的λ軸、κ軸
上的高頻電流isλ、isκ應該相等,請參考附圖1所示的坐標系,因此可以對λ
軸、κ軸上的高頻電流isκ,isλ的誤差進行PI調節,再經過積分模塊進行積分
運算可得到轉子的實際磁極位置,即

θ r = PI ( i - i ) * 1 s ]]>公式(3)

根據公式(3)得到的θr的輸出,逐漸調節γ-δ軸的空間角度,直到θre=0,
則γ-δ軸即為電機的d-q軸(或-d,-q軸),分別在d軸(或-d軸)和q軸(或
-q軸)上注入高頻正弦電壓(通常選用的高頻電壓信號注入的頻率一般為
0.1~2KHz,即大于同步電機的額定頻率,小于逆變器的PWM載波頻率),則
根據公式(2),可以分別得到d軸和q軸電感:

L d = V id ω i I sd ]]>公式(4)

L q = V iq ω i I sq ]]>

公式(4)中,Vid,Viq分別為d軸注入的高頻電壓幅值和q軸注入的高頻
電壓幅值,Isd,Isq分別為d軸反饋的高頻電流幅值和q軸反饋的高頻電流幅
值。

為了保證在q軸注入高頻電壓時,轉子不轉動,可以在q軸注入高頻電
壓的同時,在d軸上注入一直流電流(本實施例中,注入的直流電流大小為
電機額定電流的20%-100%,通常選取的為電機額定電流的30%),用來鎖定
轉子磁極位置,從而保證辨識q軸電感的準確度。

對于無凸極性的同步電機,由于在d軸注入高頻電壓時,會產生高頻電
流,使d軸飽和,從而使電機產生凸極性,根據公式(3)依然可以得到電機
的磁極軸。

本發明實施高頻電壓注入法辨識同步電機d軸電感和q軸電感的方法,
其包括下述步驟:

1、根據公式 u sγω = V i cos ( ω i t ) u sδω = 0 , ]]>任意選取一個γ-δ坐標系,在γ軸注入高頻
正弦電壓信號,電壓幅值Vid從0逐漸增大(通常的整個增大過程需要幾百毫
秒至幾秒鐘時間,如果電壓幅值增大速度過快,可能會引起過流,容易燒毀
電機,電壓幅值的整個增大過程在不至于燒毀電機的情況下根據實際需要自
由設置),同時采樣同步電機的反饋電流。

2、采用高階帶通濾波器采樣得到反饋高頻電流的γ軸和δ軸分量isγ和isδ,
本實施例中,選用的高階帶通濾波器的通帶中心頻率選取為ωi,同時構造一
個變量isγ1,變量isγ1與isγ正交,可以得到isγ的幅值

3、將采樣的高頻電流isγ和isδ進行坐標λ-κ變換(本實施例中,λ-κ坐標
軸超前γ-δ坐標軸45度)得到isκ和isλ,根據公式(3),即
得到磁極位置角θr。

4、根據步驟3中得到的磁極位置角θr,逐漸調整γ-δ坐標使之逐漸逼近
同步電機的磁極坐標d-q軸。

5、重復步驟1~4,當反饋電流的γ軸幅值Isγ達到設定值(本實施例中的
反饋電流的γ軸幅值Isγ的設定值可選取為電機額定電流的20%-100%,通常可
選取1/4的電機額定電流),或者注入的高頻電壓幅值Vid達到設定值,(本實
施例中的注入的高頻電壓幅值Vid的設定值可選取為電機額定電壓的
20%-100%,如可選取1/2的額定電壓),則注入的高頻電壓幅值Vid保持不變,
此時再重復第2~4步,直到磁極位置角θr達到穩定,此時γ-δ坐標軸即為
磁極坐標軸d-q軸。由于此時q軸電流幅值很小,近似等于0,所以Isd=Isγ,
則可以直接根據公式(4),即 L d = V id ω i I sd L q = V iq ω i I sq , ]]>計算得到d軸電感Ld。

6、此時已經得到磁極坐標軸d-q軸,向q軸注入正弦高頻電壓,為了保
證在q軸注入高頻電壓時,轉子不轉動,在注入高頻電壓的同時,向d軸注
入一個直流電流id,id可為電機額定電流的20%-100%,如可選取為30%的額
定電流,向d軸注入一個直流電流與同步電機反饋的d軸電流中的直流分量
進行PI調節,本實施例中,以同步電機反饋的d軸電流的直流分量id^為例,
對其進行PI調節,通過PI調節得到的d軸直流電壓與q軸上注入的正弦高頻
電壓usq=Viq?cos(ωit)疊加。逐漸增加電壓幅值Viq,(本實施例中的注入的
高頻電壓幅值Viq的設定值可選取為電機額定電壓的20%-100%,通常可根據選
取的注入頻率選取合適的電壓,如1/2的額定電壓)。

7、采用帶通濾波器得到反饋高頻電流的d軸分量isd和q軸分量isq,同時
構造一個變量isq1,變量isq1與isq正交(即將isq滯后90°),可以得到反饋高頻電
流的q軸分量isq的幅值

8、采用低通濾波器得到同步電機的反饋電流的直流分量id^,iq^,用于電
流環PI調節器。

9、重復步驟6~8,直到反饋高頻電流的幅值Isq達到設定值,本實施例中
的反饋高頻電流的幅值Isq的設定值可選取為電機額定電流的20%-100%,如可
取為1/4的電機額定電流),或注入的高頻電壓幅值Viq達到設定值(本實施例
中的注入的高頻電壓幅值Viq的設定值可選取為電機額定電壓的20%-100%,如
可選取1/2的額定電壓),由于此時d軸高頻電流幅值很小,近似等于0,根
據公式(4)可以計算得到q軸電感Lq。

10、參數辨識過程結束。

上述實施例為高頻電壓注入法辨識同步電機d軸電感和q軸電感的方法,
其是將高頻電壓注入同步電機中,獲取同步電機的反饋高頻電流中磁極位置
角θr,并根據得到的磁極位置角θr調整γ-δ坐標,使之逐漸逼近電機的磁
極坐標d-q軸,計算得到d軸電感Ld,向q軸注入高頻電壓,獲取反饋電流的
直流分量,根據反饋電流的直流分量計算得到q軸電感Lq;本發明還有另一
種實現方式,即高頻電流注入法辨識同步電機d軸電感和q軸電感的方法,
將高頻電流分別注入到d、q軸可以得到d、q軸電感Ld、Lq,其過程與高頻
電壓注入法相同,此處不再贅述。需要說明的是:高頻電流注入方法是采用
將指令的d/q軸高頻電流與反饋的d/q軸高頻電流進行PI調節,將PI調節器
得到的高頻電壓通過逆變器的PWM模塊輸入到電機,獲得的高頻電壓通常采
用指令的高頻電壓。

請參看附圖2和附圖3,本發明中,同時提供一種實現上述的同步電機電
感參數辨識方法的系統,系統主要包括初始磁極定位模塊、d軸高頻電壓/電
流注入模塊、逆變器SVPWM模塊、d軸帶通濾波模塊和d軸電感計算模塊。

本實施例中,初始磁極定位模塊主要用于確定電機的轉子磁極軸位置,
從而得到電機d軸(磁極軸)和q軸。本實施例中,d軸高頻電壓/電流注入
模塊還用于在所述初始磁極定位模塊確定電機轉子磁極軸位置時,向同步電
機的任選坐標系γ-δ的γ軸上注入一組幅值從0逐漸增大的高頻正弦電壓或
電流信號,在圖2中d軸高頻電壓注入模塊以初始高頻電壓注入模塊表示,
初始磁極定位模塊以磁極位置辨識模塊表示,當其向同步電機注入高頻電壓
時,根據公式(1),即 u sγω = V i cos ( ω i t ) u sδω = 0 , ]]>在同步電機的任選靜止坐標系γ-δ的
γ軸上注入高頻電壓,注入的頻率為ωi,幅值為Vi,向同步電機注入高頻電流
時,與注入高頻電壓相似,此處不再贅述。

逆變器SVPWM模塊,d軸高頻電壓/電流注入模塊通過逆變器的SVPWM
模塊將注入的高頻電壓或電流輸入到同步電機d軸。

d軸高頻電壓/電流注入模塊,根據所述初始磁極定位模塊確定的磁極軸
位置,將一定幅值的高頻電壓或電流注入電機的d軸。

d軸帶通濾波模塊,用于提取d軸的反饋高頻電流或電壓中與注入與電壓
或電流同頻率的高頻電流或電壓的d軸分量。

d軸電感計算模塊,用于根據所述d軸分量,計算高頻反饋電流或電壓d
軸分量的幅值,并根據d軸分量的幅值計算得到d軸電感。

除上述主要模塊之外,本發明的系統中還包括有λ-κ坐標變換模塊,用
于將得到的γ-δ軸的反饋高頻電流或電壓變換到阻抗觀測軸λ-κ,本實施例
中,λ-κ坐標軸超前γ-δ坐標軸45度;初始磁極定位模塊通過所述λ-κ坐標
變換模塊與所述d軸帶通濾波模塊相連,其根據λ-κ坐標變換模塊的變換結
果得到磁極位置角θr,根據得到的磁極位置角θr調整γ-δ坐標,使之逐漸
逼近電機的磁極坐標d-q軸,直至θr達到穩定,此時γ-δ坐標即為d-q坐標
軸。

本發明中,還包括q軸電感Lq計算部分,本實施例中,q軸電感Lq計算部
分主要包括q軸高頻電壓/電流注入模塊、逆變器SVPWM模塊、q軸帶通濾
波模塊和q軸電感計算模塊,其中:

q軸高頻電壓/電流注入模塊,將一定幅值的高頻電壓或電流注入電機的q
軸;

逆變器SVPWM模塊,所述q軸高頻電壓/電流注入模塊注入的高頻電
壓或電流疊加上PI調節器模塊輸出的電壓后,通過逆變器的SVPWM模塊將
疊加后的高頻電壓輸入到同步電機q軸;

q軸帶通濾波模塊,用于提取q軸的反饋高頻電流或電壓中與注入與電壓
或電流同頻率的高頻電流或電壓的q軸分量;

q軸電感計算模塊,用于根據所述q軸分量,計算高頻反饋電流或電壓q
軸分量的幅值,并根據q軸分量的幅值計算得到q軸電感。

本實施例中,還包括直流PI調節器模塊(在圖3中以電流環PI調節器示
出),其用于將磁極軸鎖定,保證向注入q軸高頻電壓或電流時磁極軸不轉
動,令注入d軸的直流電流為一設定值,d軸注入的直流電流與反饋的d軸反
饋電流的直流分量進行PI調節,得到d軸直流電壓,將d軸直流電壓與q軸
高頻電壓/電流注入模塊注入的高頻電壓進行疊加,本實施例中,PI調節器模
塊通過低通濾波器模塊獲取反饋電流的直流分量。

通過本發明可以在不增加硬件成本的基礎上即可在通用變頻器上實現比
較準確的辨識同步電機的d軸電感和q軸電感。本發明易于實現,對電機反
饋電流采樣精度要求不高,注入電機的高頻電壓信號的頻率和幅值也容易控
制,可直接辨識得到電機的d軸電感和q軸電感,電機軸無論是處于自由態,
還是處于抱緊狀態,都不影響辨識的精度。通過本發明可實現對表貼式同步
電機、內嵌式同步電機和電勵磁同步電機的d軸電感和q軸電感比較準確的
辨識,通過辨識得到的參數可用于對同步電機的矢量控制算法中。

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本文標題:一種同步電機電感參數辨識方法及其實現系統.pdf
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