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永磁同步電機控制中,無論是有感FOC或無感FOC,獲取準確的電機參數(shù)可以提高控制器和觀測器的性能。在現(xiàn)代控制理論中,建立系統(tǒng)的數(shù)學模型是至關(guān)重要的一環(huán),特別是無感FOC中觀測器。理論上電壓方程、磁鏈方程和力矩方程中物理量能準確測量,建立模型的話,可以實現(xiàn)電機性能的極大優(yōu)化,具體包括電參數(shù)轉(zhuǎn)子極對數(shù)(p)、定子電阻(R)、DQ軸電感(L)、反電動勢系數(shù)(Kv)、永磁體磁鏈和機械參數(shù)轉(zhuǎn)動慣量(J)、轉(zhuǎn)矩常數(shù)、摩擦系數(shù)等。其中機械參數(shù)往往難以測量,通常在調(diào)試過程中確定,本文主要介紹電氣參數(shù)常用、簡單的測量方法。
永磁同步電機的電壓方程、磁鏈方程和力矩方程如圖1所示。
永磁同步電機的轉(zhuǎn)子極對數(shù)指轉(zhuǎn)子磁極的對數(shù),是電角度和機械角度的比值。如圖2所示的永磁同步電機a為三對極,b為四對極。
測量方法:
1.將電機的A相接電源的正極,B相接電源的負極,C相可懸空,注意電源限流點設(shè)置在0.2A左右即可,不要設(shè)置太高,不然可能損壞電機;
2.手動轉(zhuǎn)動電機轉(zhuǎn)子,在每個轉(zhuǎn)子穩(wěn)定位置做好標記;
3.轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周后,轉(zhuǎn)子極對數(shù)等于轉(zhuǎn)子穩(wěn)定位置的個數(shù);
永磁同步電機三相線圈可視為電阻R和電感L的串聯(lián)模型,電阻R通常在毫歐級別,電感L通常在微亨級別,萬用表的精度是遠遠不夠的,通常需要借助于電橋或逆變器進行測量。
測量方法1:使用電橋進行測量,使用電橋測試定子電阻時,設(shè)置測量頻率為100HZ為佳,測量DQ軸電感時,設(shè)置測量頻率為1kHZ或10kHZ為佳。
1.測量內(nèi)阻時,用電橋連接電機的任意兩相,定子電阻為測量值的一半。
2.測量電感時,同樣用電橋連接電機的任意兩相,同時緩慢轉(zhuǎn)動電機轉(zhuǎn)子,待轉(zhuǎn)子穩(wěn)定再后讀取電橋測量結(jié)果,D軸電感為數(shù)值較小者的一半,Q軸電感為數(shù)值較大者一半,大多數(shù)的表貼式永磁同步電機的DQ軸電感值近似相等。
測量方法2:在沒有電橋的情況下,還可以借助電機驅(qū)動器測量定子電阻(R)和DQ軸電感(L)。
1.向逆變器施加(d,q)坐標系下于兩相坐標系下alfa軸相重疊的電壓矢量ud=常數(shù),uq=0,穩(wěn)態(tài)時電機靜止,電壓方程中電角速度為0,同時電流微分也為0,測出此時的電流id,根據(jù)電壓方程可得定子相電阻。實際上,為了消除死區(qū)的影響和功率器件的導通壓降,經(jīng)常采用差分算法來辨識電阻,具體做法就是就是向逆變器施加兩組不同幅值的電壓矢量ud1=常數(shù),uq1=0、ud2=常數(shù),uq2=0,然后測得兩組電流id1、id2,最后可得相電阻的計算公式:
在差分辨識電阻的時候,給定電壓是要小心選擇的,最好是電流的線性關(guān)系和電壓的線性關(guān)系一致,比如給定電壓是呈2倍關(guān)系,那么電流也應該大致呈2倍關(guān)系,如果偏差太大,說明選取的給定電壓不太合適。
2.在向逆變器施加(d,q)坐標系下電壓矢量ud=常數(shù),uq=0時,電機轉(zhuǎn)子是不會轉(zhuǎn)動的,此時的電機d軸就是一個一階慣性環(huán)節(jié),時間常數(shù)為L/R。記錄下此時d軸電流i的上升曲線,根據(jù)一階慣性環(huán)節(jié)的性質(zhì),當d軸電流從0上升到穩(wěn)態(tài)值的63.2%時,所經(jīng)歷的時間t剛好等于時間常數(shù)L/R,在得到定子電阻(R)值,可根據(jù)時間常數(shù)t得到電感(L)值:
反電動勢系數(shù)和永磁體磁鏈其實表征同一個概念,指電機旋轉(zhuǎn)時,磁鏈產(chǎn)生電動勢相對于轉(zhuǎn)速的比例關(guān)系,反電動勢系數(shù)kv的單位為V.s/rad,而永磁體磁鏈單位為Wb,兩個單位可以互相轉(zhuǎn)化。
測量方法:測量反電動勢系數(shù)時,需要借助示波器。
1.用示波器探頭連接電機的任意兩相,測量反電動勢的線電壓;
2.因為反電動勢值一般較小,盡量以較快速度轉(zhuǎn)動電機,然后捕獲此時的反電動勢波形;
3.根據(jù)公式計算電機的反電動勢系數(shù);
正規(guī)電機廠家電機出廠時,都會配有詳細參數(shù)的規(guī)格書,但現(xiàn)在市面上大部分電機沒有相應規(guī)格書,為了得到更好的控制性能,有必要對電機參數(shù)進行測量。無論是電橋測得參數(shù)(受測量設(shè)備精度影響),還是逆變器測得參數(shù)(受逆變器非線性、采樣精度等影響),測量所得參數(shù)都可能具有一定誤差,在電機調(diào)試過程中,不要迷信測量所得參數(shù),有必要時需要進行不斷的修正。
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