本文是一篇电气自动化论文，本文研究了一种改进模型，它结合了两种经典模型 A、B 的优点。首先在改进模型和经典模型 A 下，使用 ACO 对比辨识了电机参数，发现改进模型的辨识精度要高于经典模型 A，从而证明改进模型的建立是必要的。然后在改进模型下，使用 ACO、PSO 和 GA 对比辨识了电机参数，发现 ACO 的辨识精度要高于PSO 和 GA。
1 绪论
1.1 引言
高能耗的工业所造成的环境污染问题日渐严峻，如何解决好能源、环境二者间的矛盾问题，势必将成为全球经济可持续发展的重中之重[1]。电力类能源为达成“提高单位能耗下的生产总值”这一目标，电力传动是一个非常有利的途径。在电力传动领域中，作为最常用的一种设备，电动机拖动生产而消耗的电量约占全国总用电量的 60%[2][3]。
选择电动机时，一方面综合考量其类型和额定容量，从而确保设备的功率因数[4]和长期运行的经济性[5]；另一方面采用合理高效的控制策略和方法，从而明显地提升电机运行效率和稳定性。在种类繁多的交直流电机中，感应电机因其制造容易，成本低廉，结构简单，质量轻巧，使用方便，可靠性高，维护快捷等优点，成为了电机领域中应用范围最广、需求量和交易量最大的一种[6]。
在电力拖动领域中，交流变频调速占据着举足轻重的地位，其能够明显地提高控制性能，也达到理想的节能效果，因此被广泛地应用于各种工业生产领域。现如今，为了获得更理想的控制性能与节能效果，全面研究变频调速技术是非常具有现实意义的。
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1.2 参数辨识的背景和意义
感应电机虽然大规模地应用于现代工业中。但有些问题尚未很好地解决，例如起动时的电流大、电磁转矩小、数学模型繁杂等，因此在电力电子技术尚未成熟时，电机的调速控制效果并不太理想，转速控制也相对难以实现。由于直流电机操控简便，过负载能力强，具备优良的调速特性。因此在传动系统中始终占据一席之地。然而电机结构复杂，维护工作变得繁琐，在恶劣的条件下不宜使用；同时它必须安装换向器，从而提高了使用成本[7]。交流电机的不足之处一直激发学者们完善控制方法。
1971 年，Blaschke F 提出了一种全新方法——矢量控制（Vector Control, VC）[8]。此法对感应电机的控制造成了深远影响，使其在很多应用领域逐步替代直流电机成为现实。通过空间矢量变换改善了感应电机的动态和静态特性。1985 年，Depenbrock M 研究出一种新方法——直接转矩控制（Direct Torque Control, DTC）[9]。此法直接控制定子磁链与电磁转矩，进行定子磁链定向，将转矩当作被控量。DTC 无需繁琐的旋转变换，计算量少，模型简洁，成功率高，优势较为突出，但它在低速段时的性能不是很理想。
通用变频器没有针对性，难以精确获得电机参数。然而在 VC 中，定子解耦计算和转子磁链估算，均需用到电机参数，磁链估算是 VC 的核心，精度往往会受到电机参数波动的影响。电机的转子参数经常发生大幅变化，和转子电阻相关联的转子时间常数变化幅度甚至可以达到-25%~50%。此时，若控制器仍然按照固定的参数调控，数学模型就不能正确反映电机的工作状态。由此必须要求高精度的转子参数。
电机参数调节不当会降低单位电流形成的电磁转矩，使转矩失去线性，造成磁链定向不准确，还会影响交直轴电流的解耦效果，导致控制系统性能大为降低，这样即使采取 VC 也收效甚微。如果采用无速度传感器的 VC 技术，那么必须利用某些数学算法来估算转速，这些算法无一例外地会用到电机参数值[10]，并且电机的控制效果也完全依赖于参数的精确性。此外，参数辨识最大程度优化了电机的工作性能，增强了电机的使用效率，无论在电机的故障分析还是节能方面，都具有深入探索的价值。
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2 感应电机模型及矢量控制原理
2.1 感应电机数学模型
感应电机的三相绕组联结方式分为 Y 型联结和 型联结，无特殊说明，全文都按照 Y 型联结讨论。若三相绕组为 型联结，可先通过 -Y 型变换，等效成Y 型联结，再以此形式完成分析与计算。三相感应电机的物理模型如图 2-1 所示：
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图 2-1 中，三相转子绕组 a-b-c 的机械角速度为m ，转子电角位移e 描述了轴线 A、a 间的角度。电压、电流、磁链的正方向都与惯例相同，且均符合右手螺旋法则。
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2.2 矢量控制原理
2.2.1 转子磁链观测
磁链观测方法包括直接测量法和间接测量法。直接测量法可将霍尔元件贴附在定子内表面上，也可将探测线圈埋伏在电机槽中。此方法在多数情况下比较精确，但也存在着工艺技术复杂、机械鲁棒性较低的缺点，还会因为齿槽效应而导致检测的信号波形产生明显脉动。因此在 VC 领域，更多地使用间接测量法进行磁链观测。所谓的间接测量，即使用易于测量的信号估算磁链[49]。按照使用的测量信号不同，通常划分出两类模型法——电压模型法、电流模型法。
电流模型法的优点：测量出的转速、电流，在低速和高速时均可使用，但极易受到电机参数变化的影响，譬如频率变化、电机温升对转子电阻产生的影响，磁饱和度对电感产生的影响。电流模型法的缺点：电机参数的变化会造成转子磁链矢量估测的失真，从而使系统对磁链的控制效果变差。
使用感应电机的数学模型设计控制系统时，必须获得一些电机参数。这些参数大多没有出现在电机铭牌上，只能通过测定实验来获取。传统的参数测定实验包括空载实验和短路实验。研究者提出了众多方法辨识感应电机参数，总体包括离线辨识、在线辨识和以离线辨识结果为依据的在线自调整[51][52][53]。较常用的方法是：先在离线状态下测取电机的全部参数，确保调速系统可以稳定地起动并运行，在电机运行过程中，应用在线智能辨识算法，在线调整转子时间常数rT[54]。本章仅研究了电机的离线参数辨识方法。
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3 感应电机参数的离线辨识...............................21
3.1 引言.......................................21
3.2 离线辨识的传统方法.......................................21
3.3 离线辨识的改进方法.................................24
4 感应电机参数的在线智能辨识................................36
4.1 引言..........................................36
4.2 感应电机的改进模型.....................................36
4.3 蚁群算法...................................38
5 参数辨识在变频调速系统的应用...............................58
5.1 系统设计方案.............................58
5.2 系统硬件设计.........................................59
5.3 系统软件设计........................................63
5 参数辨识在变频调速系统的应用
5.1 系统设计方案
设计变频调速系统时，须经历如下步骤：（1）设计系统的整体控制方案：从系统功能的角度出发，确立一套控制方案；（2）设计主电路：选择电力电子变流装置、电阻器、电容器、断路器等器件的型号，确定电路的拓扑结构图；（3）选择信号检测元件、信号采集元件、传感器的型号；（4）以电机数学模型为依据，设计一套控制算法；（5）设计系统控制电路和辅助电路：选择处理器的型号，使之与外围设备接口相匹配，设计电平转换电路、驱动电路和保护电路；（6）设计系统软件：编写系统初始化程序、主程序、中断服务子程序，并进行调试；（7）先进行单个系统的软、硬件调试工作，再进行多个系统的联调联试工作[75]。系统设计流程如图 5-1 所示：
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变频调速实验平台主要包括：
1.主电路：由含有智能功率模块（Intelligent Power Module, IPM）的逆变电路、泵升电压控制电路、三相桥式整流器等组成。2.控制电路和驱动电路：由以 DSPIC33FJ256MC710 芯片为控制核心的 DSP系统、控制电源、驱动电路等组成。3.检测电路：可检测直流母线电压、电机转速等。4.计算机：基于 Microchip MPLAB C30 工具栏组件编写源程序，调试程序后通过数据线载入 DSP 芯片中，实现和下位机间的通信，完成采集数据、显示状态等操作。
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6 总结与展望
6.1 总结
本文研究对象是感应电机运行中变化的参数，将参数辨识问题与其在变频调速系统中的应用相结合而展开研究，研究工作的完成情况总结如下：
（1）分析了影响电机参数变化的主要原因，由此说明了高性能的变频调速系统离不开参数辨识模块。对比了已有的多种参数辨识方法，回顾了变频调速系统的发展历程，总结了其研究现状。
（2）分析了空载实验和短路实验的测试方法，论述了传统方法存在严苛的实验条件、严格的设备要求以及繁琐的数据采集过程等问题。为了降低变频器参数的自学习难度同时改善起动转矩，本文运用了一种改进的离线参数辨识方法。
（3）利用直流实验、单相实验和空载实验获得了定子电阻sR 、转子电阻rR 、定子漏感lsL （转子漏感lrL ）及互感mL 。直流实验还可辨识出逆变器的等效死区时间~dT ，为增强死区补偿的效果提供了数据支撑。
（4）研究了一种改进模型，它结合了两种经典模型 A、B 的优点。首先在改进模型和经典模型 A 下，使用 ACO 对比辨识了电机参数，发现改进模型的辨识精度要高于经典模型 A，从而证明改进模型的建立是必要的。然后在改进模型下，使用 ACO、PSO 和 GA 对比辨识了电机参数，发现 ACO 的辨识精度要高于PSO 和 GA。
（5）在改进模型的基础上进一步研究了变换模型Ⅰ和变换模型Ⅱ。在改进模型、变换模型 I、变换模型 II 下使用 ACO 对比辨识了电机参数。
（6）在变频调速系统中，介绍了主电路、外围控制电路的功能以及硬件电路各部分的器件选型，描述了主程序、中断服务子程序在 DSP 环境下的开发过程。在不同的工况及扰动下，进行了系统性能验证实验，对比了嵌入 ACO 辨识模块前后的磁链、转矩和转速变化情况，证明了精确的参数辨识对于提高变频调速系统性能具有重要意义。
参考文献（略）