本發(fā)明涉及一種異步電機參數(shù)在線辨識方法，具體地說是異步電機轉子電阻在線辨識方法。

背景技術：

異步電機是一個多變量、非線性、強耦合的高階系統(tǒng)。磁場定向矢量控制技術將其解耦成轉矩和磁鏈兩個子系統(tǒng)，進而使其獲得與直流電機調(diào)速相媲美的調(diào)速性能。間接磁場定向控制(ifoc)因其簡單、易實現(xiàn)以及良好的穩(wěn)定性而得到廣泛的應用。在ifoc中，轉差頻率的計算需要轉子時間常數(shù)，間接磁場定向的準確性對轉子時間常數(shù)有著較強的依賴性。轉子時間常數(shù)任何偏差都將導致磁場定向出現(xiàn)偏差，進而影響到電機控制的動、穩(wěn)態(tài)性能。轉子時間常數(shù)為轉子電感和電阻的比值，轉子電感參數(shù)受電機磁飽和影響，而轉子電阻受電機溫度、集膚效應影響。針對電感參數(shù)變化問題，工程應用中一般采用離線辨識制表的形式進行補償校正，而轉子電阻參數(shù)卻無法直接補償。因此，轉子時間常數(shù)在線辨識的關鍵在于轉子電阻的在線辨識，這是提高異步電機矢量控制性能的關鍵。

為提升矢量控制性能，國內(nèi)外學者做了大量研究，涌現(xiàn)出許多參數(shù)辨識方法。有擴展卡爾曼濾波法、模型參考自適應法、滑膜觀測器法等。

題為“estimationofinductionmotorstatesandparametersbasedonextendedkalmanfilterconsideringparameterconstraints”(jirasaklaowanitwattana,sermsakuatrongjit，2016internationalsymposiumonpowerelectronics,electricaldrives,automationandmotion(speedam))(“考慮參數(shù)約束的基于擴展卡爾曼濾波的感應電動機狀態(tài)和參數(shù)估計”(jirasaklaowanitwattana,sermsakuatrongjit，2016國際電力電子學研討會，電力驅動，自動化與運動))的文章。該文將電機的參數(shù)約束并入擴展卡爾曼濾波算法，對電機狀態(tài)和參數(shù)進行估計。此方法在一定程度上克服了最小二乘法的噪聲敏感性問題，并且可以對異步電機的狀態(tài)和參數(shù)進行聯(lián)合估計。然而，此方法計算量相當大，在矢量控制中實時性很難保證。

題為“一種感應電機轉子時間常數(shù)mras的在線辨識方法”(王高林等，電工技術學報，2012年第27卷第4期49-53頁)的文章。該文采用基于無功功率模型的模型參考自適應方法辨識轉子時間常數(shù)，該方法簡單易實現(xiàn)。但其辨識結果嚴重依賴于參考模型的準確性且收斂速度一般，參數(shù)魯棒性差。

題為“sliding-modefluxobserverwithonlinerotorparameterestimationforinductionmotors”(abproca,akeyhani，ieeetransindelectron，2007,54(2):716-723.)(“采用滑模磁鏈觀測器在線估計異步電機轉子參數(shù)”(abproca,akeyhani，電氣和電子工程師協(xié)會工業(yè)電子學報，2007第54卷第2期716-723頁))的文章。該文設計了滑模磁鏈觀測器，對異步電機轉子電阻進行在線辨識，但沒能從理論上證明觀測的收斂性，缺少必要的理論支撐且其其收斂速度不夠快。

綜上所述，現(xiàn)有技術均未能較好地實現(xiàn)轉子電阻的在線辨識。

技術實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術的不足，在異步電機電感參數(shù)已知的前提下，本發(fā)明提出一種結構簡單、收斂速度快以及參數(shù)魯棒性好的基于雙滑模面滑膜觀測器的異步電機轉子電阻辨識方法。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出一種基于雙滑模面滑膜觀測器的異步電機轉子電阻辨識方法。該方法根據(jù)由異步電機反γ型等效電路得到的靜止坐標系αβ下異步電機的數(shù)學模型，通過將待辨識的轉子電阻用滑?？刂祈棿?，并增加另一個滑?？刂祈?。相應的滑膜面選取復合滑膜面，構成了雙復合滑膜面滑膜觀測器，保證了轉子電阻得到快速而準確的辨識。

本發(fā)明的技術方案如下。

一種基于雙滑模面滑膜觀測器的異步電機轉子電阻辨識方法，包括如下步驟：

步驟1，采集異步電機在靜止坐標系αβ下的定子電壓分量uα、uβ，定子電流分量iα、iβ，和轉子電角速度ωr；

步驟2，建立在靜止坐標系αβ下的雙復合滑模面滑膜觀測器，對異步電機轉子電阻進行辨識，包括如下步驟：

步驟2.1，由異步電機反γ型等效電路將靜止坐標系αβ下異步電機的數(shù)學模型表示成如下形式：

在公式(1)中，表示微分，λα為α軸的轉子磁鏈，λβ為β軸的轉子磁鏈，rs為定子電阻，rr為轉子電阻，ls為定子自感，lr為轉子自感，lm為互感，變量其中定子瞬態(tài)電感l(wèi)l＝σls，漏磁系數(shù)

步驟2.2，將公式(1)中的實際量即α軸的轉子磁鏈λα、β軸的轉子磁鏈λβ、α軸的定子電流分量iα、β軸的定子電流分量iβ以及轉子電阻rr分別用其對應的觀測值表示，并增加一個滑?？刂祈棧蓸嫿o止坐標系αβ下的雙復合滑模面滑膜觀測器如下：

在公式(2)中，表示微分，為α軸的轉子磁鏈λα的觀測值，為β軸的轉子磁鏈λβ的觀測值，為α軸的定子電流分量iα的觀測值，為β軸的定子電流分量iβ的觀測值，為第一個滑?？刂祈?，u1為第二個滑?？刂祈棧?/p>

步驟2.3，將公式(2)中的滑?？刂祈?imgfile="bda0001343335180000053.gif"wi="73"he="63"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>u1設計成如下形式：

在公式(3)中，k1滑模控制項增益一，k2為滑?？刂祈椩鲆娑瑂ign()為符號函數(shù)，iqref為轉子磁場定向同步旋轉dq坐標系下的q軸給定電流，第一個復合滑模面第二個復合滑模面為其中為α軸的定子電流誤差，為β軸的定子電流誤差，s1和s2構成雙復合滑模面；

步驟2.4，當滿足k1>150、k2>150時，雙復合滑模面滑膜觀測器收斂，收斂后通過第一個低通濾波器獲取第一個滑?？刂祈?imgfile="bda0001343335180000059.gif"wi="41"he="62"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>的等效控制量通過第二個低通濾波器獲取第二個滑?？刂祈梪1的等效控制量u1eq，其中即為辨識的轉子電阻值，其低通濾波器的表達式如下：

在公式(4)中，t1為第一個低通濾波器濾波系數(shù)，t2為第二個低通濾波器濾波系數(shù)，s為拉普拉斯變量。

優(yōu)選地，步驟1中所述的異步電機在靜止坐標系αβ下的定子電壓分量uα、uβ采集方式包括以下兩種：

第一種，采樣得到實時異步電機線電壓uab、ubc，經(jīng)過公式(5)的坐標變換獲得定子電壓分量uα、uβ；

第二種，直接采用電機控制器運算單元計算出逆變器調(diào)制信號代替定子電壓向量uα、uβ。

優(yōu)選地，步驟1中所述的異步電機在靜止坐標系αβ下的定子電流分量iα、iβ的采集步驟如下：

1)采樣得到實時異步電機三相定子電流ia、ib、ic；

2)利用公式(6)的坐標變換獲得異步電機在靜止坐標系αβ下的定子電流分量iα、iβ；

優(yōu)選地，步驟1中所述的異步電機在靜止坐標系αβ下的轉子電角速度ωr的采集步驟如下：

1)在一個預設采樣周期t內(nèi)采樣安裝在電機軸上的光電式旋轉編碼器發(fā)出的脈沖數(shù)n；

2)根據(jù)光電式旋轉編碼器發(fā)出的脈沖數(shù)n以及預設采樣周期t之間的關系計算出轉子電角速度ωr，其計算公式為：

在公式(7)中，m為光電式旋轉編碼器旋轉一周所產(chǎn)生的脈沖數(shù)，p為異步電機極對數(shù)，t為預設采樣周期。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：

1、與采用擴展卡爾曼濾波方案相比，本發(fā)明計算量小且簡單易實現(xiàn)。

2、與采用模型參考自適應方案相比，本發(fā)明對負載擾動和參數(shù)變化具有較強的魯棒性。

3、與現(xiàn)有的滑膜觀測器辨識電機參數(shù)方案相比，本發(fā)明通過雙復合滑膜面的設計加快了參數(shù)辨識的校正過程。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中異步電機反γ型等效電路。

圖2為本發(fā)明中轉子電阻辨識原理圖。

圖3為本發(fā)明中轉子電阻的辨識效果實驗波形。

圖4為本發(fā)明中定子電阻增加50％時的辨識效果實驗波形。

圖5為本發(fā)明中漏感增加50％時的辨識效果實驗波形。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步闡述。

信號采集部分，定子電壓分量uα、uβ和定子電流分量iα、iβ是通過采樣定子線電壓uab、定子線電壓ubc、定子a相電流ia、定子b相電流ib、定子c相電流ic，并經(jīng)過三相靜止坐標系到兩相靜止坐標系變換獲得，實際轉子電角速度ωr是利用光電式旋轉編碼器獲得。

圖1為本發(fā)明中異步電機反γ型等效電路，由定子側回路和轉子側回路組成，其中為定子電壓相量，為定子電流相量，為轉子電流相量，為定子磁鏈相量，為轉子磁鏈相量，ωs為定子角頻率，rs為定子電阻，rr為轉子電阻，ll為定子瞬態(tài)電感，lm為互感，s’為轉差頻率，j為虛部單位。

圖2為本發(fā)明中轉子電阻辨識原理圖，其中uα為α軸的定子電壓分量，uβ為β軸的定子電壓分量，iα為α軸的定子電流分量，iβ為β軸的定子電流分量，為α軸的轉子磁鏈的觀測值，為β軸的轉子磁鏈的觀測值，為α軸的定子電流分量的觀測值，為β軸的定子電流分量的觀測值，k1為滑?？刂祈椩鲆嬉唬琸2為滑?？刂祈椩鲆娑瑂ign()為符號函數(shù)，第一個復合滑膜面第二個復合滑膜面為其中為α軸的定子電流誤差，為β軸的定子電流誤差，s1和s2構成雙復合滑模面,iqref為轉子磁場定向同步旋轉dq坐標系下的q軸給定電流，u1eq為滑?？刂祈梪1的等效控制量，為滑?？刂祈?imgfile="bda00013433351800000815.gif"wi="45"he="63"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>的等效控制量也就是辨識的轉子電阻值。

參見圖1和圖2，本實施例按如下步驟進行：

步驟1，采集異步電機在靜止坐標系αβ下的定子電壓分量uα、uβ，定子電流分量iα、iβ，和轉子電角速度ωr。

具體的采集過程如下。

1)異步電機在靜止坐標系αβ下的定子電壓分量uα、uβ

異步電機在靜止坐標系αβ下的定子電壓分量uα、uβ采集方式包括以下兩種：

第一種，采樣得到實時異步電機線電壓uab、ubc，經(jīng)過公式(5)的坐標變換獲得定子電壓分量uα、uβ；

第二種，直接采用電機控制器運算單元計算出逆變器調(diào)制信號代替定子電壓向量uα、uβ。

2)異步電機在靜止坐標系αβ下的定子電流分量iα、iβ

異步電機在靜止坐標系αβ下的定子電流分量iα、iβ的采集步驟如下：

1)采樣得到實時異步電機三相定子電流ia、ib、ic；

2)利用公式(6)的坐標變換獲得異步電機在靜止坐標系αβ下的定子電流分量iα、iβ；

3)異步電機在靜止坐標系αβ下的轉子電角速度ωr

異步電機在靜止坐標系αβ下的轉子電角速度ωr的采集步驟如下：

1)在一個預設采樣周期t內(nèi)采樣安裝在電機軸上的光電式旋轉編碼器發(fā)出的脈沖數(shù)n；

2)根據(jù)光電式旋轉編碼器發(fā)出的脈沖數(shù)n以及預設采樣周期t之間的關系計算出轉子電角速度ωr，其計算公式為：

在公式(7)中，m為光電式旋轉編碼器旋轉一周所產(chǎn)生的脈沖數(shù)，p為異步電機極對數(shù)，t為預設采樣周期。

步驟2，建立在靜止坐標系αβ下的雙復合滑模面滑膜觀測器，對異步電機轉子電阻進行辨識，包括如下步驟：

步驟2.1，由異步電機反γ型等效電路將靜止坐標系αβ下異步電機的數(shù)學模型表示成如下形式：

在公式(1)中，表示微分，λα為α軸的轉子磁鏈，λβ為β軸的轉子磁鏈，rs為定子電阻，rr為轉子電阻，ls為定子自感，lr為轉子自感，lm為互感，變量其中定子瞬態(tài)電感l(wèi)l＝σls，漏磁系數(shù)

步驟2.2，將公式(1)中的實際量即α軸的轉子磁鏈λα、β軸的轉子磁鏈λβ、α軸的定子電流分量iα、β軸的定子電流分量iβ以及轉子電阻rr分別用其對應的觀測值表示，并增加一個滑?？刂祈棧蓸嫿o止坐標系αβ下的雙復合滑模面滑膜觀測器如下：

在公式(2)中，表示微分，為α軸的轉子磁鏈λα的觀測值，為β軸的轉子磁鏈λβ的觀測值，為α軸的定子電流分量iα的觀測值，為β軸的定子電流分量iβ的觀測值，為第一個滑?？刂祈?，u1為第二個滑模控制項。

步驟2.3，將公式(2)中的滑?？刂祈?imgfile="bda0001343335180000118.gif"wi="75"he="63"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>u1設計成如下形式：

在公式(3)中，k1滑?？刂祈椩鲆嬉弧2為滑?？刂祈椩鲆娑?，sign()為符號函數(shù)，iqref為轉子磁場定向同步旋轉dq坐標系下的q軸給定電流，第一個復合滑模面第二個復合滑模面為其中為α軸的定子電流誤差，為β軸的定子電流誤差，s1和s2構成雙復合滑模面。在本實施例中，k1＝1000,k2＝1000。

步驟2.4，當滿足k1>150、k2>150時，雙復合滑模面滑膜觀測器收斂，收斂后通過第一個低通濾波器獲取第一個滑?？刂祈?imgfile="bda00013433351800001114.gif"wi="41"he="63"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>的等效控制量通過第二個低通濾波器獲取第二個滑模控制項u1的等效控制量u1eq，其中即為辨識的轉子電阻值，其低通濾波器的表達式如下：

在公式(4)中，t1為第一個低通濾波器濾波系數(shù)、t2為第二個低通濾波器濾波系數(shù)，s為拉普拉斯變量。在本實施例中，t1＝20000，t2＝5。

圖3、圖4和圖5給出了本發(fā)明在轉子電阻辨識過程中的性能表現(xiàn)。

實驗電機參數(shù)：額定功率pn＝10kw,額定電壓un＝220v,轉子電阻rr＝0.055ω，定子電阻rs＝0.076ω，勵磁電感l(wèi)m＝13.6mh，轉子電感l(wèi)r＝14.1mh，定子電感l(wèi)s＝14.1mh，極對數(shù)p＝2,額定頻率fn＝100hz。實驗中觀測器參數(shù)的給定值為：k1＝1000,k2＝1000,t1＝20000，t2＝5。

在實驗中，為了使性能得到更全面的展示，電機運行在1200rpm，轉矩電流為額定值40.8a。并且，觀測器中轉子電阻的初始值為50％實際值，從1s開始辨識。從圖3可以發(fā)現(xiàn)開始辨識后，轉子電阻辨識值能較快地收斂到實際值；電機運行時，參數(shù)是會發(fā)生變化的。圖4和5展示了本發(fā)明觀測器的參數(shù)魯棒性。從圖4可以發(fā)現(xiàn)，即使觀測器中定子電阻增加50％，轉子電阻的辨識受到的影響很??；從圖5可以看出，即使觀測器中的漏感增加50％，對辨識結果的負面影響也是有限的。