论
坛
中矿传动技术交流
理论研究
2022年第10期
总第45期
2022年04月18日发布
直流电机静止参数辨识原理
变频技术研发部 李凯
摘要:直流电机静止参数辨识是一个较为专业的名词,它多用在控制系统在匹配新电机平台需要进行控制器参数调节时,需要有经验的电气工程师进行必要的人工调试。而本文着重介绍了通过辨识出电机参数后结合电流环控制器参数整定方法可以实现控制器参数的自动整定。
理论与实践相结合将更有助于很多现场问题的解决,希望变频研发部的这篇文章能对在实践中探索的各位读者带来收获。
引言
一般情况下,控制系统在匹配新的电机平台时需要进行控制器参数的调节,使电机平台能够顺利启动并初步达到稳定运行的能力,在此基础上再进行后续功能的开发及优化。此过程可以称之为控制系统的初始化过程,通常情况下该项工作需要有经验的工程师进行人工调节,尤其是当电机参数未知时,该过程可能要工程师花费更多的时间和精力。
由于电流环控制器的控制参数主要依赖于电机参数,辨识出电机参数后结合电流环控制器参数整定方法可以实现控制器参数的自动整定。由此不仅可以节省控制系统的初始化时间,还能使控制系统在匹配不同电机平台时都能具有良好的控制性能。因此对电机进行初始参数辨识显得尤为重要。
电流环设计用到的主要电机参数包括电阻和电感。电阻的传统测量方法包括交流静态法、直流暂态法、直接负载法等,这些方法通常需要借助电桥等外部仪器或电路进行人工电阻测量,同时对实验人员也有一定要求,不利于提高系统的通用性及辨识效率。与此相比采用伏安法辨识电阻的实现过程较为简单方便,只需向电枢注入一定幅值的电压,等待电流稳定后即可计算出定子电阻值。但由于注入的电压值较小,受死区影响较大,因此采用两点式伏安法辨识。
电感辨识常用的方法是电压阶跃响应法,电压阶跃响应法需要分别向电枢注入恒定的电压,检测电流上升过程。
图1 电控系统调试现场
直流电机静止参数辨识
1、直流电机电阻辨识。
对直流电机电枢电阻辨识采用的是两点式伏安法。电机的电压方程为
采用伏安法辨识电阻时,是对直流电机的电枢绕组施加一个较低的直流脉冲电压,因为励磁绕组不供电,电机的转子不会发生转动。
受系统中电感的作用电枢电流会经过一段时间后达到一个稳定值,当响应电流稳定后,根据指令电压值和响应电流值可以得到电阻的辨识值。
实验中给定一个恒定的直流电压UDC,令U=UDC,等待电流稳定后记录响应电流稳态值If,由此电枢电阻可以表示为:
由于变流器无法提供恒定的直流电压,实际是通过给定恒定占空比对母线电压进行高频斩波获得的等效直流电压。直流电机电枢电阻一般较小,为了避免产生过大电流,通常所需的直流电压值较小,而直流母线电压较高,脉冲宽度调制(PWM)信号的占空比很小,此时由于死区时间带来的影响较为明显。
受死区影响,变流器实际输出电压与期望输出电压之间存在一个误差Δu,由于输出电压是直流且稳定情况下系统模型是线性的,误差电压Δu可以认为是一个恒定值,因此采用两点式伏安法辨识电阻值为:
式中:UCD1、UCD2分别为电枢注入的两次直流电压指令值;If1、If2分别为两次电枢响应的电流值;Ud1、Ud2分别为两次电枢注入的实际直流电压幅值。
通过注入两个幅值不等的直流电压,根据电压差值和响应电流的差值来辨识电阻,可以消除死区对辨识结果的影响。
伏安法辨识电阻时系统是开环状态且注入的电压为脉冲电压,考虑到不同的电机电阻值不同,注入同一个电压值得到的响应电流值也不同,过大的电流值可能对控制器及电机造成伤害,而过小的电流值可能影响辨识精度。
图2 矿井提升机调试现场
2、直流电机电感辨识。
在辨识电枢电感参数时,主要利用如下原理,向电机电枢施加电压,电枢电流将随之变化,因为电机的电枢电阻很小,方程可以写为:
对电枢电压步阶输入时的电流响应为:
其中U/R为稳态时的电流反应,R为电机电阻,当-R/Lt=-1,即可得到电感L。
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