基于变频器的异步电机参数辨识方法研究

摘要：在变频器拖动异步电机要求高动态性能时，通常要采用矢量控制方式。矢量控制方式的动态性能以及无速度传感器矢量控制中的转速估算精度都要依赖电机的详细参数。文章从电机的等效电路和数学模型分析，提出利用变频器进行电机参数自动辨识的方案，仿真和实验结果证明该方法实现简便，辨识结果能满足矢量控制及转速估算的应用，实用性较强。

1 引言

在交流异步电机调速系统中，矢量控制方式能使交流电机的励磁电流和转矩电流解耦，从而获得如直流他励电机调速系统的转速调节性能。而这种电流解耦方式的实现需要用到电机的定转子电阻、定转子漏感和互感参数。对于通用变频器来说，工程现场电机的参数是无法预知的，而对工程现场的电机采用常规的堵转实验和空载实验方式测量参数更加难以实施；且对同一个电机来说，长时间的老化和环境的影响也会使电机参数发生变化，因此，利用变频器本身在电机运行前对电机进行参数自动辨识是有必要的。本文即基于此要求，依靠变频器本身，不需要添加任何附加电路，也不需要更改电机接线，利用变频器脉冲调制的原理进行直流实验、单相交流的堵转实验、空载实验对电机参数进行辨识1。

2 参数辨识原理

异步机矢量控制系统中，需要用到的电机参数主要包括：定子电阻、转子电阻、定转子互感、定子漏感和转子漏感。图1所示为电压型逆变器与三相异步机的典型连接方式。逆变器的3个桥臂A，B，C分别与异步机的三相绕组a，b，c对应相连。

图1变频器与电机主电路结构

Fig.1 Main circuit structure of inverter and motor

图2 所示为异步电机的单相T形等效电路。

图2 异步电机的单相T形等效电路

Fig.2 The T equivalent circuit of induction motor

2.1 定子电阻辨识

通过直流实验(即伏安法)来辨识，需要通过逆变器向电机定子绕组注入直流电流。实现方法是，使图1中B、C相桥臂控制信号相同，即电机b，c相短接，向电机施加直流脉冲电压，每个开关周期内，电感充放电的能量相等，因此采样电流的平均值即实验中的直流电流，此时等效电路简化如图3所示。

图3直流实验等效电路

Fig.3TheTequivalentcircuitofDCexperiment

根据图3，假设施加到电机上的实际电压平均值为，a相电流的实际平均值为，则可以得到定子电阻的计算如式(1)所示：

(1)

实际应用中，在保持电流合适的情况下（不过流的较大值），使用采样电流作为实际电流误差较小，但此时实际输出直流电压的占空比极小，实际作用电压检测误差很大，而使用变频器发送电压值进行计算，又存在死区和开关管压降的影响，误差同样存在；这里采用斜率计算法消除死区和开关管压降的影响2，具体实现方式如下所述：

先后分别给定目标电流、，采样A相电流平均值作为反馈，两者差值经PI调节器输出直流脉冲电压的占空比,等待该闭环输出稳定后分别记录电流的平均值、，和电压占空比、。设两次记录数据时实际电压平均值分别为，，则：

(2)

两式相减，得到定子电阻计算如式(3)所示

(3)

2.2 定转子漏感和转子电阻辨识

采用单相实验代替传统的三相堵转实验来辨识定转子漏感和转子电阻。在电机绕组施加单相正弦电压时，不会产生电磁转矩，其电磁现象与三相堵转基本相似。

产生单相正弦电压的具体实现方法与2.1绍的直流电压生成方法类似，使B、C桥臂的控制信号相同，A相电流幅值作为反馈信号，与电流控制目标差值经PI调节器输出所需电压幅值，按照该幅值向电机施加电机额定频率的正弦电压。此时等效电路如图4(a)。在额定频率正弦交流电压下，异步机定转子漏抗和电阻相对于互感的感抗值很小，因此图4(a)可以进一步简化为图4(b)。为降低辨识的复杂性，通常认为定子漏感和转子漏感近似相等。

图4单相实验等效电路图

Fig.4Theequivalentcircuitofsinglephaseexperiment

由图4(b)可知，电路中等效电阻为：

(4)

等效电抗为：

(5)

转子电阻为：

(6)

定转子漏感为：

(7)

其中为电压、电流的相角差，为电压电流的同步角频率，、均为相应电压电流幅值。

对于单相正弦信号，可以将该信号作为，对该信号采样值进行微分构造正交信号，由可以求得单相正弦信号的幅值和相角3,如式（8）（9）所示。该方式相对于FFT方式减小了计算量，节省程序运行时间。

(8)

(9)

2.3 定转子互感辨识

通过空载实验来辨识电机定转子互感。当电机空载时，电机转速基本上接近同步转速，转差率，电机转子回路相当于开路，此时电机单相等效电路如图5所示。

图5空转实验等效电路图

Fig.5 The equivalent circuit of no-load experiment

由图5可知等效电抗为：

(10)

互感为：

(11)

其中为电压、电流的相角差，为电压电流的同步角频率，分别为电压电流的三相有效值。这里的电压电流的角度和有效值均可通过三相坐标变换得到。

3 仿真验证

本文在Psim仿真平台上对以上提出的方法进行仿真验证，仿真中电机模型相关参数设定如表1所示：

表1电机参数设定

Tab.1The set value of motor parameters

仿真中所有计算采用标幺值系统，电压基值，电流基值，额定频率50Hz。

为方便对比，仿真和实验统一采用SVPWM方式发送脉冲，当保持计算脉冲的角度时，直流实验得到的脉冲电压和电流波形如6所示，其中为A相实际电流，为计算的平均电流，为计算脉冲所需的调制度，其与输出的电压占空比的关系为

两次电流目标设定值分别为0.6和0.9，电压电流稳定后分别记录电压脉冲占空比和实际电流；按照式(3)计算得到定子电阻标幺值并转换为实际值。

图6直流实验电压和电流波形

Fig.6 The wave of DC simulation

单相实验向电机施加50Hz单相电流，得到电压和电流波形如图7所示，采用平均值采样法可滤除高频谐波，按照上述的构造正交信号的方法求得其幅值和相角，按式(4)、(5)、(6)、(7)求得转子电阻和漏感,并将标幺值转换为实际值。

图7单相堵转实验电压和电流波形

Fig.7 The wave of single phase simulation

三相空载实验得到的电压电流波形如图8所示，同样采用平均值采样方式滤除高频谐波，按照三相坐标变换和三相交流信号的有效值计算方法得到所需变量，按式(10)、(11)计算得到定转子互感。

图8空载实验电压和电流波形

Fig.4 The wave of single phase simulation

参数计算结果与电机参数设置值比较如表2所示：

表2电机参数辨识精度

Tab.2 Motor parameter identification precision

4 实验验证

按照文中所述方法在实际变频器和电机上进行实验，变频器采用电压型两电平变频器，电流采样精度为12位，电压由发送电压推算。测试过程波形通过上位机显示，如图9、10所示，两图中输出调制度modulate和检测电流Ia均为标幺值。波形畸变为上位机采样周期波动所致。

图9直流实验调制度和电流波形

Fig.9 The wave of DC experiment

图10单相堵转实验调制度和电流波形

Fig.10 The wave of single phase experiment

传统方式按照电机学测试方法测试计算。得到的参数辨识结果如表3所示。

表3参数辨识方法与传统测量方法对比

Tab.3 Parameter identification method with inverter compared with traditional measurement method

5 结论

仿真及实验结果证明，仿真结果接近于电机设定参数．实验结果与传统测量结果接近。其中定转子电阻值因测量的时期、环境温度等条件不同，因此存在较大的误差，符合实际电机特性。参数误差在3%以内，满足高性能调速要求。该辨识方法简单，易于实现，对于定转子电阻、漏感、互感均具有较高的辨识精度，能够广泛应用于通用变频器中。