感應電機轉子電阻估計方法及系統與流程
本發明涉及感應電機技術領域，更具體地說，涉及一種感應電機轉子電阻估計技術。
背景技術：
在感應電機的磁通量控制中，轉子電阻對最終的定向角度具有很大的影響。如果估算的磁通量角度與實際值失配或相差較大，感應電機就無法在轉矩控制模式下產生所期望的轉矩，并且在速度控制模式下工作時還需要更高的電流。
現有技術中存在一些轉子電阻確定或估計方法。
較傳統的方法是在鎖定轉子的情況下、采用50hz的注入頻率來確定轉子電阻。這顯然不準確，因為集膚效應，轉子電阻會在不同的注入頻率下改變；而實際中，轉子銅條的工作頻率往往小于額定滑動頻率，通常為不超過10hz。即使將注入頻率設置到例如5hz，也并不適用，因為過低頻率會導致過熱以致損傷電機，此外，過低頻率也將導致定子主電感無法被忽略，從而失去鎖定轉子辨識參數的意義。
更常用的轉子電阻估計方式是依賴于矢量控制系統理論，當電機工作于高速區時，這一方法能夠相對更準確地估計轉子電阻。然而，當工作于低轉速、高轉矩區時，轉子電阻無法被準確估計。
因此，本領域技術人員期望獲得一種能夠克服上述缺陷的感應電機轉子電阻估計方法。
技術實現要素：
本發明的一個目的在于提供一種簡單可靠的感應電機轉子電阻估計方法，其既適用于高速區也適用于低速區。
為實現上述目的，本發明提供一種技術方案如下：
一種感應電機轉子電阻估計方法，包括如下步驟：a)、基于模型參考自適應系統為感應電機分別建立磁通量電流模型以及磁通量電壓模型；b)、在多個不同時刻分別測定定子溫度；c)、基于使磁通量電流模型、磁通量電壓模型的輸出之間的相位差為0，確定與多個不同時刻一一對應的轉子電阻的估算值；d)、基于轉子電阻的估算值與定子溫度之間的對應關系，計算轉子溫度與定子溫度的溫度比例；以及e)、基于溫度比例、當前定子溫度、定子參考溫度、轉子參考電阻以及轉子的材質來在線計算轉子電阻。
優選地，在步驟c)中，采用pi控制器對磁通量電流模型、磁通量電壓模型的輸出之間的相位差進行調節，使得相位差為0，以獲得轉子電阻的估算值。
優選地，步驟d)具體包括：繪制轉子電阻對轉子參考電阻的比例與定子溫度之間的關系曲線；針對斜率進行統計運算；將統計運算的結果確定為溫度比例。
優選地，步驟a)、b)、c)、以及步驟d)為在實驗室環境中進行。
本發明還提供一種感應電機轉子電阻估計系統，包括：磁通量計算模型單元，其基于模型參考自適應系統為感應電機分別建立磁通量電流模型以及磁通量電壓模型；溫度測定單元，其在多個不同時刻分別測定定子溫度；以及中央處理單元，其與磁通量計算模型單元、溫度測定單元分別耦合，并至少執行下列操作：基于使磁通量電流模型、磁通量電壓模型的輸出之間的相位差為0，確定與多個不同時刻一一對應的轉子電阻的估算值；基于轉子電阻的估算值與定子溫度之間的對應關系，計算轉子溫度與定子溫度的溫度比例；以及基于溫度比例、當前定子溫度、定子參考溫度、轉子參考電阻以及轉子的材質來在線計算轉子電阻。
本發明各實施例提供的轉子電阻估計方法及系統，通過建立磁通量電流模型以及磁通量電壓模型，并基于使兩個模型的輸出之間的相位差為0的原則，在實驗室環境中確定轉子電阻的估算值與定子溫度之間的對應關系，從而計算出轉子溫度與定子溫度的溫度比例，并以這個溫度比例結合其他容易獲得的參數，來在線估計轉子電阻的值。相比于現有技術，該方法及系統不僅將電機運行的各種主要參數考慮在內，而且能夠在電機低速區估算轉子電阻，從而實現對轉子電阻的更為精確的估計，且適用范圍廣、實施簡單、執行效率高。
附圖說明
圖1示出本發明第一實施例提供的轉子電阻估計方法。
圖2示出依照本發明實施例的、磁通量電流模型以及磁通量電壓模型。
圖3示出依照本發明實施例的、轉子電阻對轉子參考電阻的比例與定子溫度之間的關系曲線。
具體實施方式
需要說明的是，一些傳統轉子電阻估計方案采用模型參考自適應系統，其可以在電機的高速區相對準確辨識轉子電阻，但是在低速區域則存在較大誤差，因此，本發明的主要貢獻即針對于提供既適用于高速區也適用于低速區的轉子電阻估計方法。
本發明第一實施例提供一種轉子電阻估計方法，其既適用于高速區也適用于低速區。具體地，其包括如下各步驟：
步驟s10、基于模型參考自適應系統為感應電機分別建立磁通量電流模型以及磁通量電壓模型。
步驟s11、在多個不同時刻分別測定定子溫度。
步驟s12、基于使磁通量電流模型、磁通量電壓模型的輸出之間的相位差為0，確定與多個不同時刻一一對應的轉子電阻的估算值。
步驟s13、基于轉子電阻的估算值與定子溫度之間的對應關系，計算轉子溫度與定子溫度的溫度比例。
步驟s14、基于溫度比例、當前定子溫度、定子參考溫度、轉子參考電阻以及轉子的材質來在線計算轉子電阻。
可以理解，有可能按照不同的次序來執行上述各步驟，例如，先執行步驟s11、再依次執行步驟s10、s12、s13以及s14。有可能對上述各步驟進行組合或拆分，而不影響本發明的技術效果。因此，對本發明實施例中各步驟的簡單變形、組合或置換，均應落入本發明的保護范圍。
為了更好地理解上述轉子電阻估計方法，以下介紹本發明的原理及運算思路，并展開對各步驟的詳細說明。
在下文中，定子溫度表示為tempstator，其能夠由相應的傳感器直接捕獲；轉子溫度表示為temprotor，其無法直接測量。先假定定子溫度與轉子溫度滿足如下關系：
temprotor＝η.tempstator(1)
其中，η定義為轉子溫度與定子溫度的溫度比例，其為待定數。
另一方面，假定某一溫度temprotor下的轉子電阻滿足如下公式：
rr＝[tempcof.(temprotor-temprotor1)+1].rr1(2)
其中tempcof表示溫度系數，由轉子銅條的材質決定，其為能夠確定的值。temprotor1為轉子參考溫度，rr1為轉子在轉子參考溫度temprotor1下的阻值，定義為轉子參考電阻。
將公式(1)代入公式(2)中得到：
rr＝[tempcof.η.(tempstator-tempstator1)+1].rr1(3)
其中，tempstator表示定子溫度，tempstator1為定子參考溫度。
從公式(3)可以確定，鑒于定子溫度tempstator是容易測量的、溫度系數tempcof取決于轉子的材質幾乎是不變的，而轉子參考溫度temprotor1及對應的轉子參考電阻rr1作為參考值也不難確定，因此，估計轉子電阻值的準確性事實上更大程度地取決于確定溫度比例η的值的準確性。
由以上公式也可理解，如果想確定轉子溫度與定子溫度之間的溫度比例η，有必要首先確定在定子處于相應溫度tempstator1、tempstator2時的轉子電阻值rr1、rr2。
根據本發明的實施例，為確定轉子電阻值，引入模型參考自適應系統(modelreferenceadaptivesystem，簡稱mras)來建立磁通量計算模型，這一過程對應于第一實施例中的步驟s10。該模型具體包括磁通量電流模型(作為自適應模型)和磁通量電壓模型(作為參考模型)，如圖2所示。以下根據在實驗室環境中進行的多次實驗的數據來建立mras，實驗數據至少包括轉子轉速ωr信息、定子電壓us、定子電流is、定子電阻rs以及定子的勵磁電感lm。
磁通量電壓模型可以表示如下：
磁通量電流模型表示如下：
其中，α、β對應于靜止兩相正交坐標系的直軸和交軸，在這里表示磁通量在這兩個坐標軸上的分量；p為微分算子，
根據公式(4)中的磁通量電壓模型，所確定的磁通量可以表示如下：
其中，
而根據公式(5)中的磁通量電流模型，所確定的磁通量可以表示如下：
其中，
磁通量電流模型、磁通量電壓模型的輸出之間的相位差ε可以利用上述兩個矢量
可以理解，在轉子電阻能夠準確地確定的情況下，上述相位差ε應該為零值。這里可以采用，例如，傳統的pi控制器對上述公式進行調節，使得ε趨向于0，以獲得轉子電阻
同樣可以理解，按上述公式(4)至公式(11)確定轉子電阻的估算值
在實驗室環境中，在多個不同時刻，測定定子溫度分別為tempstator1，tempstator2，tempstator3，…，這一過程對應于第一實施例中的步驟s11。隨后，依照使公式(7)中相位差ε為零值的原則，分別確定對應的轉子電阻的實驗室估算值rr1，rr2，rr3，…，并將它們直接視作轉子電阻，這一過程對應于第一實施例中的步驟s12。進而，根據多次實驗的結果，可以得出轉子電阻與定子溫度之間的關系(對應表)。為以下運算的方便起見，這里繪制出轉子電阻對轉子參考電阻的比例與定子溫度之間的關系曲線圖。可以理解，其他類型的溫度-電阻擬合曲線同樣適用；此外，不繪制任何曲線，而僅僅依據于數據計算，也能夠實現本發明的技術效果。
如上所述，現有技術中的轉子電阻估計方案，可以在電機的高速區準確辨識轉子電阻，但是不適用于低速區域。對此，本發明通過繪制一種溫度-電阻擬合曲線，避免現有技術的缺陷，以提供一種能夠適用于低速區域的轉子電阻估計方法。
關于轉子電阻對轉子參考電阻的比例與定子溫度之間的關系，一種可能的關系曲線如圖3所示，為了說明的簡單起見，圖3中僅示出三種不同的定子溫度以及一一對應的轉子電阻。可以理解，為了獲得更精確的結果，可以測定任意多組這樣的數據。
在圖3中，針對轉子電阻對轉子參考電阻的比例與定子溫度之間的關系曲線的斜率進行統計運算，以充分基于多組實驗數據，來確定更貼近實際情況的、轉子溫度與定子溫度的溫度比例η，這一過程對應于上述第一實施例中的步驟s13。
作為僅一個示例，曲線第一分段(對應于定子溫度從tempstator1變化到tempstator2)的斜率為η1，曲線第二分段(對應于定子溫度從tempstator1變化到tempstator3)的斜率為η2，考慮到tempcof為常數，可以將η1以及η2定義如下：
可以依照各種統計算法，對曲線各分段的斜率進行統計運算，并以統計運算結果作為轉子溫度與定子溫度的溫度比例η的估計。作為一種簡單示例，可以將η1與η2的平均值作為溫度比例η的估計值
在確定溫度比例η的估計值
從上述公式(11)可以得知，轉子電阻值rr可以基于溫度系數tempcof、當前定子溫度tempstator、定子參考溫度tempstator1、溫度比例的估計值
進一步地，定子參考溫度tempstator1、轉子參考電阻rr1作為參考值，可以在實驗室中事先確定，也可以將前一次估計的結果作為后一次估計的參考值，這種方式能夠產生更加準確的估計結果，因而，可以作為優選實施方式。
依照上述實施例的感應電機轉子電阻估計方法，能夠將電機運行的各種主要參數考慮在內，且適用于電機低速區域，從而在全轉速范圍內實現對轉子電阻的更為精確的估計。
此外，上述感應電機轉子電阻估計方法在采集定子溫度tempstator之后，即可根據已知的溫度系數tempcof、溫度比例的估計值
本發明又一實施例提供一種感應電機轉子電阻估計系統，其包括：磁通量計算模型單元、溫度測定單元以及中央處理單元，中央處理單元與磁通量計算模型單元、溫度測定單元分別耦合。
其中，磁通量計算模型單元基于模型參考自適應系統為感應電機分別建立磁通量電流模型以及磁通量電壓模型；溫度測定單元在多個不同時刻分別測定定子溫度；而中央處理單元至少執行下列操作：a、基于使磁通量電流模型、磁通量電壓模型的輸出之間的相位差為0，確定與多個不同時刻一一對應的轉子電阻的估算值；b、基于轉子電阻的估算值與定子溫度之間的對應關系，計算轉子溫度與定子溫度的溫度比例；以及c、基于溫度比例、當前定子溫度、定子參考溫度、轉子參考電阻以及轉子的材質來在線計算轉子電阻。
上述說明僅針對于本發明的優選實施例，并不在于限制本發明的保護范圍。本領域技術人員可作出各種變形設計，而不脫離本發明的思想及附隨的權利要求。
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