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异步电机定子磁链观测方法的改进研究
作者：刘刚， 林都， 任一峰， 赵敏， LIU Gang， LIN Du， REN Yi-feng， ZHAO Min
作者单位：刘刚,林都,任一峰,LIU Gang,LIN Du,REN Yi-feng(中北大学,信息与通信工程学院,山西,太原,030051)， 赵敏,ZHAO Min(北京茨浮测控技术研究所,北京,101101)
刊名：
电气传动
英文刊名：ELECTRIC DRIVE
年，卷(期)：2010,40(8)
参考文献(5条)
1.王宇;邓智泉;王晓琳一种新颖的电机磁链辨识算法[期刊论文]-中国电机工程学报 2007(06)
2.何志明;廖勇;向大为定子磁链观测器低通滤波器的改进[期刊论文]-中国电机工程学报 2008(18)
3.刘军锋;李叶松;万淑芸基于UI模型的感应电机定子磁链观测方法研究[期刊论文]-电气传动 2008(04)
4.P V ranka G G riva;F Profum O Practical Improvement of Simple U-I Flux Estimator for Sensorless
F.O.Controllers Operation in the Low Speed Region 2000
5.Colin S Adaptive Speed Identification for Vector Control of Induction Motor Without Rotational Transducers 1992(05)
本文链接：https://www.doczj.com/doc/7813345260.html,/Periodical_dqcd201008007.aspx
异步电动机转子磁链观测方法的比较与研究 转子磁链、观测方法、比较、矢量控制、直接转矩控制 1 引言 在异步电动机变频调速控制系统中，矢量控制技术和直接转矩控制技术得以有效实现的一个重要基础是在于异步电动机磁链信息的准确获取，这就需要知道磁链的幅值和相位。根据三相异步电动机在两相任意转速旋转坐标系下的数学模型可知，定子、转子和气隙磁链的方程式为： 定子磁链：（1） 转子磁链：（2） 气隙磁链：（3） 从以上方程式不难看出定子、转子和气隙磁链三者只要有一个获得，另外两个就可推导而出。因此异步电动机就有三种与之相对应的磁场定向方法，分别是按定子磁场定向、按转子磁场定向和按气隙磁场定向。不过按定子、气隙磁场定向方法未能实现iM和iT的完全解耦，因此按转子磁场定向是目前主要采用的方法，它可以实现磁通电流分量、转矩电流分量的完全解耦。下面就对转子磁链观测的方法进行一些比较研究，从而为实际应用时选择合适的观测器提供依据。 转子磁链的观测最初是采用直接检测气隙磁链的方法，就是在电机定子内表面装贴霍尔元件或其他磁敏元件，或者在电机槽内埋设探测线圈。利用被测量的气隙磁通，由式（2）、（3）就可得到转子磁通。从理论上讲，该方法应该比较准确，但实际上埋设探测线圈和装贴磁敏元件都会遇到不少工艺和技术上的问题，在一定程度上破坏了电机的机械鲁棒性。同时由于齿槽影响，使检测信号中含有较大的脉动分量，越到低速时越严重。因此在实用的系统中，多采用间接计算的办法，即利用容易测量的电压、电流或转速等信号，借助转子磁链观测模型，实时计算磁链的模值和空间位置。 2 转子磁链的间接获取方法 根据实测信号的不同组合，可以有多种转子磁链观测模型，总的说来可以分为两大类：开环观测模型和闭环观测模型。 2.1 开环观测模型 （1）电流模型法 根据描述磁链与电流关系的磁链方程来计算转子磁链，所得出的模型叫做电流模型，它可以在不同的坐标系下获得。 ● 在两相静止坐标系α-β下转子磁链的电流模型 由实测的三相定子电流经过Clarke变换很容易得到两相静止坐标系上的电流isα和isβ。在两相静止坐标系α-β下的磁链方程： 为：（4） 这里面转子电流是难以测量得到的，需要进一步替换。由式（4）可得
同步电动机磁链观测器研究 【摘要】详细分析了开环电流模型、电压模型进行磁链观测的方法，针对传统电压模型中存在的纯积分问题提出了改进方法，借助Matlab/Simulink仿真环境搭建仿真平台，仿真验证改善后电压模型引入校正环节k后观测器的稳定性、抗扰动性以及校正系数k的取值对速度阶跃响应的影响，此外对模型具有的抑制积分漂移功能以及改善后电压模型无需对积分器进行初始值设定进行仿真分析，仿真结果验证了改进电压模型的正确性和有效性。 【关键词】交-直-交变频同步电动机电流模型电压模型 1 引言 矿井提升机是矿井人员，物资设备上下井的咽喉设备。保障其安全、可靠、高效地运行是保证矿山安全生产的关键。通过变频器的调速控制，能够实现提升机平稳的恒加速和恒减速过程，并且消除了原来的转子串电阻所造成的能源损耗，具有非常显著的能源节约效应。同时，变频器调速控制系统的电路简单，避免了原来的电阻器、接触器和绕线电机碳刷等元件容易损坏的不足，减少了故障的发生。因此，电压变频器在提升设备速度控制系统中进行应用，具有非常广阔的前景。 作为一门新发展的技术，变频调速被应用于矿山提升机是电力拖动系统必然的发展方向。目前，大功率交流调速应用领域，交-直-交变频同步电动机调速技术已得到了广泛应用，其控制系统多采用矢量控制系统。矢量控制技术能够有效发挥作用的前提是，要能准确的捕获到电动机的磁链信息。因为无论是要进行磁场的定向控制，还是要进行磁链的闭环控制，都必须要时刻清楚的掌握磁链的位置与大小。因此，很有必要对磁链的检测方法进行研究。 磁链的检测方法在工程上主要分为直接检测法和间接检测法。要实现磁链的直接检测，在工艺与技术上都存在较多的问题，所以现在主要使用间接检测法。间接检测的方法具体为，首先测得电动机的定子电压、转速或电流等容易检测的信息，然后利用已建立的电机数学模型，通过计算得出磁通匝的幅值与空间位置角。间接检测法中又包括开环和闭环检测。虽然闭环检测具有更好的性能，但其结构较为复杂。而开环检测方法的结构比较简单，通过适当改进能够满足要求，所以更实用一些。 本文主要进行了开环观测模型的研究，详细分析了开环电流模型、电压模型以及改进的电压模型进行磁链观测的方法，并通过Matlab/Simulink仿真平台搭建仿真模型进行仿真研究，仿真结果验证了改进后的电压模型的正确性和有效性。 2 开环观测模型
永磁同步电机设计 1电机仿真模型 （a ）原型电机（b ）新型电机 图1PM-Y2-180-4电机整体有限元仿真模型 图2新型电机转子1/4模型 2静态有限元仿真结果比较 2.1永磁磁场分布 当永磁体单独作用时，两种电机的磁力线分布如图3所示。 （a ）原型电机（b ）新型电机 图3两种电机永磁磁场分布 2.2永磁气隙磁密波形 当永磁体单独作用时，两种电机一个周期范围（即一对永磁体范围）的永磁气隙磁密波形如图4所示。 （a ）原型电机 （b ）新型电机 （c ）两种电机比较 图4两种电机永磁气隙磁密分布 3空载稳态有限元仿真结果比较 3.1空载永磁磁链、空载永磁反电势波形 空载情况下，两种电机的三相绕组电流均设置为零，电机中磁场由永磁体单独产生。设置电机稳态运行转速为n =3000r/min ，可得到两种电机的空载永磁磁链、空载永磁反电势波形分别如图5、图6所示。由于三相绕组对称，在此仅给出A 相绕组仿真结果。 图5两种电机空载永磁磁链 图6两种电机空载永磁反电势 3.2空载永磁磁链、空载永磁反电势谐波分析 利用Matlab 对图5、图6的波形进行傅里叶分析，可得到两种电机磁链及反电势的各次谐波分量，如图7所示。 （a ）空载永磁磁链（b ）空载永磁反电势 图7磁链及反电势谐波分量分析 通过对两种电机的空载永磁磁链和空载永磁反电势进行谐波分析，得到以下结论：（1）3次谐波分量是主要谐波分量；（2）偶次谐波分量几乎为零，奇次谐波分量相对较大；（3）采用新型电机结构可在一定程度上削弱3次谐波分量，但同时会引起5、7次谐波分量增加，总体削弱谐波效果并不明显。 4负载稳态有限元仿真结果比较 4.1电枢绕组通入三相对称电压 两种电机具有相同的参数如下：电阻R =0.0410947?，电感L =5.87143?10?5H ，额定转速n =3000r/min 。给电枢绕组通入三相对称电压： A B C 310.269sin(20035.3581/180) 310.269sin(20035.3581/1802/3)310.269sin(20035.3581/1802/3) u t u t u t ππππππππ=+=+-=++（1） 并进行有限元仿真，得到两种电机的绕组电流及转矩波形，分别如图8、图9所示。 （a ）原型电机 （b ）新型电机 图8两种电机绕组电流波形
一、实验目的 1. 测量永磁同步电机定子电阻、交轴电感、直轴电感、转子磁链以及转动惯量。 二、实验内容 1. 掌握永磁同步电机dq 坐标系下的电气数学模型以及机械模型。 2. 了解三相永磁同步电机内部结构。 3. 确定永磁同步电机定子电阻、交轴电感、直轴电感、反电势系数以及转动惯量。 三、拟需实验器件 1. 待测永磁同步电机1台； 2. 示波器1台； 3. 西门子变频器一台； 4. 测功机一台及导线若干； 5. 电压表、电流表各一件； 四、实验原理 1. 定子电阻的测量 采用直流实验的方法检测定子电阻。通过逆变器向电机通入一个任意的空间电压矢量U i (例如U 1)和零矢量U 0,同时记录电机的定子相电流,缓慢增加电压矢量U i 的幅值,直到定子电流达到额定值。如图1所示为实验的等效图,A 、B 、C 为三相定子绕组,U d 为经过斩波后的等效低压直流电压。I d 为母线电流采样结果。当通入直流时，电机状态稳定以后，电机转子定位，记录此时的稳态相电流。因此，定子电阻值的计算公式为： 1 ,2a d b c d I I I I I ===- (1) 23d s d U R I = (2)
图1 电路等效模型 2． 直轴电感的测量 在做直流实验测量定子电阻时,定子相电流达到稳态后,永磁转子将旋转到和定子电压矢量重合的位置,也即此时的d 轴位置。测定定子电阻后,关断功率开关管,永磁同步电机处于自由状态。向永磁同步电机施加一个恒定幅值,矢量角度与直流实验相同的脉冲电压矢量(例如 U 1),此时电机轴不会旋转(ω=0),d 轴定子电流将建立起来，则d 轴电压方程可以简化为： d d d q q d di u Ri L i L dt ω=-+d d d d di u Ri L dt =+ (3) 对于d 轴电压输入时的电流响应为： ()(1)d R t L U i t e R -=- (4) 利用式(4)以及测量得到的定子电阻值和观测的电流响应曲线可以计算得到直轴电感值。 其中U /R 为稳态时的电流反应，R 为测得的电机定子电阻。由上式可知电流上升至稳态值的倍时，1d R t L - =-，电感与电阻的关系式可以写成： 0.632d L t R =? (5) 其中为电流上升至稳态值倍时所需的时间. 3． 交轴电感的测量 测出L d 之后,在q 轴方向(d 轴加90°)施加一脉冲电压矢量。电压矢量的作用时间一般选取的很短 ,小于电机的机械时间常数,保证电机轴在电压矢量作用期间不会转动。则q 轴电压方
文章编号:1009-3486(2002)05-0019-03 异步电机矢量控制中转子磁链的直接观测方法 Ξ 王铁军,单潮龙,赵镜红,张俊洪 (海军工程大学电气工程系,湖北武汉430033) 摘 要:以异步电机的等效电路为模型提出了在电机的外部构造转子磁链物理观测器的方法.理论上证明了在选取合适参数之后,用该物理观测器可以直接得到感应电机转子磁链的大小与相位,该方法用于异步电机的矢量控制系统,具有很好的实时性,且避免复杂的数字运算.关键词:感应电动机;矢量控制;转子磁链观测中图分类号: TM346.2 文献标识码: A 图1 U V W 、αβ、dq 坐标系与电流矢量 在异步电动机的调速技术中,转子磁链的定向矢量控制代表着该领域中新的技术理论.转子磁链定向的基本思想是:将U V W 坐标系变换到α β坐标系,再由αβ坐标系变换到d q 坐标系[1] ,当选择的d 轴与转子的全磁链Ψ? 2重合时,称该坐标系为 M T 坐标系.此时,代表定子磁动势的空间矢量电流i 1被分解为M 轴方向的励磁分量i m 1和T 轴方向的转矩分量i t 1,图1表示3种坐标系与矢量电流.可以证明[2],异步电动机的电磁转矩为: T =n p L m L r Ψ2i t 1 (1) 而转子磁链为: Ψ2= L m 1+T 2p i m 1 (2) 式中:n p 为电机磁极对数;L m 为定转子间互感;L r 为转子电感;T 2=L r /R 2为转子时间常数;p 为微分 算子.从(1)、 (2)式中不难看出,通过合适的坐标变换可以实现与直流电动机类似的速度控制过程.为了进行磁场定向和坐标变换,以及对控制系统中的指令电量和检测电量作运算处理,需要确定转子磁链的图2 磁链观测器原理框图 瞬时空间位置和大小.Ψ? 2的观测有多种方法[1～4].随着微处理器技术的发展,目前多采用间接观测的方法,即检测定子的电压、电流或转速等物理量,再利用转子磁链的数学模型,实时计算转子磁链的幅值和相位.图2为根据定子电流和定子电压的检测值估算转子磁链的原理框图,图中:u u ,v ,w 、i u ,v ,w 分别为来自电压检测器、电流检测器 的异步电动机定子三相电路的电压、电流信号.(3)、 (4)两式为磁链观测器的内部运算关系. Ψα2=L r L m [∫(u α1-R 1i α1)d t -L s σi α1](3)Ψβ2= L r L m [∫ (u β1 -R 1i β1)d t -L s σi β1] (4) 第14卷 第5期 2002年10月 海军工程大学学报 JOURNAL OF NAVAL UN IV ERSIT Y OF EN GIN EERIN G Vol.14 No.5 Oct.2002 Ξ收稿日期:2002203222;修订日期:2002204218 作者简介:王铁军(19652),男,讲师,硕士.
磁链计算模型分析详解 1引言 异步电机按转子磁场定向的矢量控制系统中，转子磁链的准确估计至关重要。如果转子磁链的估计不准确，转子磁场定向控制系统应有的优点，即实现转矩和磁通的解耦控制将无法实现。 由于直接检测转子磁链的方法受到工艺和技术方面的限制，在实际的控制系统中，多采用间接计算转子磁链的方法，即利用直接测得的电压、电流或转速等信号，借助于转子磁链计算模型，实时计算磁链的幅值和相位。转子磁链模型可以从电动机数学模型中推导出来，也可以利用状态观测器或状态估计理论得到闭环的观测模型。闭环方式的观测模型，因计算比较复杂，理论研究尚不十分成熟，实际使用较少，多用比较简单的计算模型。在计算模型中，由于主要实测信号的不同，又分为电流模型和电压模型两种[1]。 采用电压模型法，由于存在电压积分问题，结果在低速运行时，模型运算困难。采用电流模型法时，由于存在一阶滞后环节，在动态过程中难以保证控制精度。通常的组合模型法是考虑在不同的速度范围采用不同的计算模型，主要是解决好过渡问题[2]。该方法用到两个计算模型，计算复杂，且过渡处理造成成本增加。而本文却是直接通过对两个模型的计算方程进行组合处理，消除了电压模型中的积分环节和电流模型法中的一阶延时环节，得到一个新的磁链计算模型，并将其结合矢量控制系统进行仿真研究，结果表明该模型具有较好的动态性能。 2 常用转子磁链计算模型 2.1 两相静止坐标系下转子磁链的电压模型 根据定子电流和定子电压的检测值来估算转子磁链，所得出的模型叫做电压模型。在两相静止αβ坐标系下由定子电压方程可以得出[3][4]： (1) 转子磁链方程为： (2) 由上式得到转子电流αβ分量： (3) 用式(3)把式(1)中的i rα和i rβ置换掉，整理后得： (4)
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910141849.3 (22)申请日 2019.02.26 (71)申请人 深圳和而泰智能控制股份有限公司 地址 518000 广东省深圳市南山区高新南 区科技南十路6号深圳航天科技创新 研究院大厦D座10楼1010-1011 (72)发明人 张三艳 (74)专利代理机构 广州华进联合专利商标代理 有限公司 44224 代理人 李文渊 (51)Int.Cl. H02P 21/14(2016.01) (54)发明名称永磁同步电机磁链估测方法、装置和计算机设备(57)摘要本申请涉及一种永磁同步电机磁链估测方法、系统和计算机设备。所述方法包括：基于两相静止坐标系的α轴和β轴建立电机控制模型；基于所述电机控制模型建立以α轴定子侧电压和β轴定子侧电压为输入，以感应电动势在α轴的投影和感应电动势在β轴的投影为输出的基础状态观测方程；对所述基础状态观测器方程进行去耦简化，得到简化状态观测方程；根据所述简化状态观测方程，推导求解得到全阶状态观测器；利用所述全阶状态观测器估测感应电动势在α轴的投影和感应电动势在β轴的投影，得到α轴反电动势估测值和β轴反电动势估测值；根据所述α轴反电动势估测值和所述β轴反电动势估测值，估测转子永磁体的角度和转速。本申请 提供的方法能够简化算法。权利要求书3页 说明书17页 附图5页CN 109787525 A 2019.05.21 C N 109787525 A
1.一种永磁同步电机磁链估测方法，其特征在于，所述方法包括： 基于两相静止坐标系的α轴和β轴建立电机控制模型； 基于所述电机控制模型建立以α轴定子侧电压和β轴定子侧电压为输入，以感应电动势在α轴的投影和感应电动势在β轴的投影为输出的基础状态观测方程； 对所述基础状态观测器方程进行去耦简化，得到简化状态观测方程； 根据所述简化状态观测方程，推导求解得到全阶状态观测器； 利用所述全阶状态观测器估测感应电动势在α轴的投影和感应电动势在β轴的投影，得到α轴反电动势估测值和β轴反电动势估测值； 根据所述α轴反电动势估测值和所述β轴反电动势估测值，估测转子永磁体的角度和转速。 2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于， 所述基础状态观测方程为： 其中，i α为α轴定子侧电流，i β为β轴定子侧电流，R S 为定子侧电阻，T S 为状态观测器的计算周期，L S 为定子侧等效电感，e α为感应电动势在α轴的投影，e β为感应电动势在β轴的投影，u α为α轴定子侧电压，u β为β轴定子侧电压，ωe 为转子磁链的角速度，k为常数。 3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对所述基础状态观测方程进行去耦简化，得到简化状态观测方程，包括： 令所述简化状态观测方程中的ωe ＝0， 得到所述简化状态观测方程为： 4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述简化状态观测方程，推导求解得到全阶状态观测器包括： 对所述简化状态观测方程进行解耦，得到解耦状态观测方程； 推导求解所述解耦状态观测方程的反馈矩阵，得到所述全阶状态观测器。 5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述解耦状态观测方程为： 权 利 要 求 书1/3页2CN 109787525 A
异步电机矢量控制方案论证 一，概述 三相异步电机具有结构简单，牢固，维修方便，价格便宜等特点，目前在工业领域中得到广泛应用。早期的变频调速采用变压变频（VVVF）速度开环的方式，基频以下为恒压频比控制，在低速时，提高电压以补偿定子阻抗压降。这种调速方法的控制结构简单，成本低，适用于风机等对调速系统动态特性要求不高的场合，但是对于动态和静态性能要求高的场合，这种开环系统就无法提供足够的保障。 1971年德国西门子公司的F.Blashke等革命性地提出了“感应电机磁场定向控制原理(Fieldorientation)”，即矢量控制技术，使交流传动的转矩静动态特性取得质的改善，完全可与直流调速系统相媲美。矢量控制的实质是利用美国A.A.Clark提出的“感应电机定子电压的坐标变换控制”原理。经过不断的实践和改进，形成了现已得到普遍应用的矢量控制变频调速技术。矢量控制通过引入坐标变换，把复杂的异步电机等效为简单的模型，在保证磁场准确定向的情况下，可以实现励磁电流和转矩电流的解耦，使得交流电机的转矩控制性能可以与直流电机相比拟，这无疑是交流传动控制理论上的一个质的飞跃。 转子磁场的定向控制就是在将旋转坐标系放在同步旋转磁场上，将电机的转子磁通作为旋转坐标系的直轴。若忽略由反电动势引起的交叉耦合，检测出定子电流的直轴分量，就可以观测转子磁通幅值，但转子磁通恒定电磁转矩与定子电流的交轴分量成正比，通过控制定子电流的交轴分量就实现对电磁转矩的控制,此时称定子电流的直轴分量为励磁分量，定子电交轴分量为转矩分量。可由电压方程的直轴分量控制转子磁通，交轴分量控制转矩从而实现磁通和转矩的解耦控制。转子磁场定向的最大的优点是达到了完全解耦，无需增加解耦器，控制方式简单，具有良好的动态性能和控制精度。 在异步电机矢量控制中，要实现准确的解耦，必须要知道转子磁链准确的相位角。而在直接矢量控制中，为了实现磁链的反馈控制，还要知道转子磁链准确的幅值。通过异步电机定子侧电压、电流，以及转子转速等电机运行参数，通过实时计算得到转子磁链的准确位置和大小，这种技术就是磁链观测器，在矢量控制中，常用的转子磁链观测器有电压模型和电流模型两种。以及基于这两种模型的若干种改进的算法。本文将论述磁链观测器的实现方法以及优缺点比较。 同时在高性能的异步电机矢量控制系统中，转速信息的获取是必不可少的。电机速度信息的辨识方法，分为直接法和间接法。直接法就是通过电子式或机电式速度传感器，如霍尔效应器件(HALL)、光学编码器、旋转变压器等，以及处理电路、处理软件等来获取电机速度信息。间接法就是通过测量电机的定子电流、定子电压等信号，根据电机的模型间接估计辨识电机的转速信息。然而由于速度传感器的安装给系统带来了一些缺陷。同时在一些应用场合并不能安装测速原件，而在感应电机速度闭环控制中需要电机转速信息，一些矢量控制策略中也需要知道电机转速。在理论上通过感应电机的电压和电流可以实时计算出电机的转速的理论，从而可以不需要速度传感器实现磁场定向控制和速度闭环控制，即无速度传感器控制。从高精度及可实用化的角度出发，闭环的转速估算方法中的PI自适应控制器法和模型参考自适应系统法（MRAS）法较容易实现。本文将着重对各种MRAS方法的转速辨识进行比较。 电机的参数辨识主要包括电机起动前的离线辨识和在线辨识两个方面，前者是指在控制系统设计初期，通过一系列的实验得到需要得到异步电动机的定、转子电阻，定、转子之间的互感，定、转子漏感，转动惯量等参数。在异步电机矢量控制中，定子电阻和转子时间常数（主要是转子电阻）等电机参数是磁链观测和转速辨识的依据。而它们随电机温度和工况变化的变化量可以达到原值的0.75到1.5倍，因此电机参数的在线动态辨识尤为重要，如果不及时补偿，会带来估计误差并进而使得系统性能恶化。本文将论述，如何辨识转子电阻以
参数化扫描的有问题，但是趋势应该差不多 《永磁电机》 永磁同步电机分为表面式和内置式。 由于永磁体特别是稀土永磁体的磁导率近似等于真空磁导率，对于表面式，直轴磁阻和交轴磁阻相等，因此交直轴电感相等，即Ld=Lq，表现出隐极性质。对于内置式，直轴磁阻大于交轴磁阻（交轴通过路径的磁导率大于直轴），因此Ld 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 异步电机定子磁链观测方法的改进研究 作者：刘刚， 林都， 任一峰， 赵敏， LIU Gang， LIN Du， REN Yi-feng， ZHAO Min 作者单位：刘刚,林都,任一峰,LIU Gang,LIN Du,REN Yi-feng(中北大学,信息与通信工程学院,山西,太原,030051)， 赵敏,ZHAO Min(北京茨浮测控技术研究所,北京,101101) 刊名： 电气传动 英文刊名：ELECTRIC DRIVE 年，卷(期)：2010,40(8) 参考文献(5条) 1.王宇;邓智泉;王晓琳一种新颖的电机磁链辨识算法[期刊论文]-中国电机工程学报 2007(06) 2.何志明;廖勇;向大为定子磁链观测器低通滤波器的改进[期刊论文]-中国电机工程学报 2008(18) 3.刘军锋;李叶松;万淑芸基于UI模型的感应电机定子磁链观测方法研究[期刊论文]-电气传动 2008(04) 4.P V ranka G G riva;F Profum O Practical Improvement of Simple U-I Flux Estimator for Sensorless F.O.Controllers Operation in the Low Speed Region 2000 5.Colin S Adaptive Speed Identification for Vector Control of Induction Motor Without Rotational Transducers 1992(05) 本文链接：https://www.doczj.com/doc/7813345260.html,/Periodical_dqcd201008007.aspx 附录Ⅱ 同步电机电磁力矩计算公式 设有一个多绕组、线性的旋转电磁系统，则各绕组的电压方程为(按电动机惯性规定电量正方向) dt d ΨRi u + = (Ⅱ-1) 式中，T n u u u ),,,(21L =u 为n 个绕组之端电压；i Ψ,为同，为n 个绕组之磁链及电流， R =),,,(diag 21n R R R L 为n 个绕组之电阻矩阵。 对于线性旋转电磁系统 i L Ψ)(θ= (Ⅱ-2) L 为电感矩阵(n ×n )，且为对称阵，其各元素为旋转电磁系统空间位置(θ)的函数。 将式(Ⅱ-2)代入式(Ⅱ-1) dt d dt d i L i L Ri u )()(θθ++ = (Ⅱ-3) 若θ=const.（此时电磁系统转速为零），则0=dt d )(θL ，式(Ⅱ-3)右边第二项不起作用，故此项称为速度电势项，只有当电磁系统旋转时，才起作用。若i =const ，dt d i =0，式(Ⅱ-3)右边第三项不起作用，故此项称为变压器电势项，只有当电流变化时才起作用。据式(Ⅱ-3)，可写出外部向该多绕组线性旋转电磁系统输入的总电功率瞬时值表达式为 dt d dt d P T T T T e i L i i L i Ri i u i )()(θθ++== (Ⅱ-4) 我们知道，这个多绕组线性磁系统的磁场能量mag W 可表示为 mag W =i L i )(2 1θT (Ⅱ-5) 则磁场能量对时间之导数，或者说其对于时间之变化率为 dt d dt d dt d dt dW T T T i L i i L i i L i )(21)(21)(21mag θθθ++= 对上式右边第一项(是标量)取转置，值不变，且由于L (θ)为对称阵，故第一、三两项值相等，可合并，故上式即为： i L i i L i dt d dt d dt dW T T )(21)(mag θθ+= (Ⅱ-6) 将式(Ⅱ-6)代入式(Ⅱ-4)，可得 i L i Ri i dt d dW P T T e )(2 1dt mag θ++= (Ⅱ-7) 磁链计算模型分析详解 1 引言 异步电机按转子磁场定向的矢量控制系统中，转子磁链的准确估计至关重要。如果转子磁链的估计不准确，转子磁场定向控制系统应有的优点，即实现转矩和磁通的解耦控制将无法实现。 由于直接检测转子磁链的方法受到工艺和技术方面的限制，在实际的控制系统中，多采用间接计算转子磁链的方法，即利用直接测得的电压、电流或转速等信号，借助于转子磁链计算模型，实时计算磁链的幅值和相位。转子磁链模型可以从电动机数学模型中推导出来，也可以利用状态观测器或状态估计理论得到闭环的观测模型。闭环方式的观测模型，因计算比较复杂，理论研究尚不十分成熟，实际使用较少，多用比较简单的计算模型。在计算模型中，由于主要实测信号的不同，又分为电流模型和电压模型两种[1]。 采用电压模型法，由于存在电压积分问题，结果在低速运行时，模型运算困难。采用电流模型法时，由于存在一阶滞后环节，在动态过程中难以保证控制精度。通常的组合模型法是考虑在不同的速度范围采用不同的计算模型，主要是解决好过渡问题[2]。该方法用到两个计算模型，计算复杂，且过渡处理造成成本增加。而本文却是直接通过对两个模型的计算方程进行组合处理，消除了电压模型中的积分环节和电流模型法中的一阶延时环节，得到一个新的磁链计算模型，并将其结合矢量控制系统进行仿真研究，结果表明该模型具有较好的动态性能。 2 常用转子磁链计算模型 两相静止坐标系下转子磁链的电压模型 根据定子电流和定子电压的检测值来估算转子磁链，所得出的模型叫做电压模型。在两相静止αβ坐标系下由定子电压方程可以得出[3][4]： (1) 转子磁链方程为： (2) 由上式得到转子电流αβ分量： (3) ＥＬＥＣＴＲＩＣＤＲＩＶＥ２０１２Ｖ０１．４２Ｎｏ．１０电气传动２０１２年第４２卷第１０期 异步电机速度自适应磁链观测器的研究 欧阳羿１’２ （１．中国科学院电工研究所，北京１００１９０； ２．中国科学院研究生院，北京１０００４９） 摘要：针对异步电机速度自适应磁链观测器在高速弱磁运行下的特点提出了新的磁链观测器配置方法，克服了传统配置方法下磁链观测器离散后在高速下出现的振荡现象，解决了弱磁条件下速度估计环节增益下降的问题，保证了磁链观测器对转子速度的准确估计和对转子磁链位置的准确观测，验证了异步电机无速度传感器控制在电动汽车应用中高速运行下的可行性。 关键词：异步电机；速度自适应；弱磁；磁链观测 中图分类号：ＴＭ３４６文献标识码：Ａ ＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＳｐｅｅｄＡｄａｐｔｉＶｅＦｌｕｘｏｂｓｅｒＶｅｒｏｆＩｎｄｕｃｔｉｏｎ ＭｏｔｏｒＵｎｄｅｒＦｉｅｌｄＷｅａｋｅｎｉｎｇＣｏｎｄｉｔｉｏｎ ０ＵＹＡＮＧＹｉ…＋ （１．Ｊ咒ｓ￡ｉ￡“￡ｅｏ厂ＥＺｅｃｆｒｉｆｎ￡Ｅ竹ｇｉ珂Ｐｅｒｉ竹ｇ，Ｃ＾ｉｎＰｓｅＡｃｎｄ８ｍｙｏ，Ｓｃｉ８咒ｆＰ５，ＢｅｉＪｉ札ｇ１００１９０，Ｃ＾ｉ咒ｎ； ２．Ｇ，’ｎｄ“口￡ｅＵ咒ｉ钌已ｒｓｉ￡ｙ，Ｃ＾幻ｔｅ５ｅＡｃ吐ｄ已ｍｙｏ厂ＳｃｉＰｎｆＰｓ，ＢＰｉＪｉ，ｚｇ１０００４９，Ｃ＾ｉ挖ｎ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｓｏｆｓｐｅｅｄａｄａｐｔｉｖｅｆｌｕｘｏｂｓｅｒｖｅｒｏｆｉｎｄｕｃｔｉｏｎｍｏｔｏｒｕｎｄｅｒｔｈｅｈｉｇｈｓｐｅｅｄｆｉｅｌｄｗｅａｋｅｎｉｎｇｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ａｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｆｏｒｔｈｉｓｏｂｓｅｒｖｅｒｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｏｖｅｒ—ｃ。ｍｅｓｔｈｅｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｆｏｂｓｅｒｖｅｒｗｈｅｎｔｈｅｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｉｓａｄｏｐｔｅｄｉｎｔｈｅｈｉｇｈｓｐｅｅｄｏｐｅｒａｔｉｏｎ；ｉｔａｌｓｏｓ０１ｖｅｓｔｈｅｇａｉｎｄｅｃｒｅａｓｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍｏｆｓｐｅｅｄｅｓｔｉｍａｔｏｒｗｈｅｎｆｉｅｌｄｗｅａｋｅｎｉｎｇａｐｐｌｉｅｄ．Ｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｍｅｔｈｏｄｇｕａｒａｎｔｅｅｓｔｈｅｐｒｅｃｉｓｅｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｏｆｒｏｔｏｒｓｐｅｅｄａｎｄｅｘａｃｔｏｂｓｅｒｖｉｎｇｏｆｒｏｔｏｒｆｌｕｘ．Ｔｈｅｐｏｓｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓｃｏｎｔｒｏｌｏｆｉｎｄｕｃｔｉ。ｎｍｏｔｏｒａｐｐｌｉｅｄｉｎｔｈｅＨＥＶ／ＥＶｉｎｈｉｇｈｓｐｅｅｄｏｐｅｒａｔｉｏｎｗａｓｖｅｒｉｆｉｅｄｖｉａｔｈｅｔｅｓｔ． １（ｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｄｕｃｔｉｏｎｍｏｔｏｒ；ｓｐｅｅｄａｄａｐｔｉｖｅ；ｆｉｅｌｄｗｅａｋｅｎｉｎｇ；ｆｌｕｘｏｂｓｅｒｖｅｒ １引言 在无速度传感器电机控制过去的研究中，大部分的研究集中在电机低速运行时如何取得稳定精确的转矩或速度控制，而高速下电机运行很少有文献涉及ｎ＿７］。然而应用于电动汽车的异步电机在高速情况下的稳定运行对磁链观测器提出了更高的要求，也就意味着磁链观测器应具有快速的响应跟踪能力。通常将磁链观测器的特征值配置在被观测电机特征值相同的位置［６］，此时的磁链观测器综合了电流磁链模型和电压磁链模型的特点，对主要电机参数具有较好的鲁棒性，但是随着电机运行速度的提高，采用这种配置方式的磁链观测器不能及时跟踪实际磁链与转子速度信号的变化；另外，将磁链观测器的特征值配置为被观测电机特征值忌倍位置（是＞１），以提高观测器的响应速度［１＿２］，这种配置方式也不能满足电机高速运行的需要；将速度自适应磁链观测器配置为电压磁链模型，尽管能在高速下获得较好特性，但也存在着纯积分环节的物理实现或是低通滤波器截止频率的选择问题［８］。本文提出了一种新的观测器极点配置的方法，这种方法能够使得观测器在高速情况下保持收敛稳定的特性，并在此基础上通过增加弱磁调速时的速度估计环节中的比例积分值，克服了高速下磁通降低带来的速度估计环增益降低的问题，保证了速度观测器的精确性，最后通过仿真与试验对所提出算法进行了验证。 ２异步电机数学模型 选择定子电流和转子磁链为状态变量，异步 作者简介：欧阳羿（１９８２一），男，博士研究生，Ｅｍａｉｌ：ｏｕｙａｎｇｙｉ３３＠ｇｍａｉｌ．ｃｏｍ ９万方数据 永磁同步电机设计1电机仿真模型 N S N S N S N S （a）原型电机（b）新型电机 图1 PM-Y2-180-4电机整体有限元仿真模型 图2 新型电机转子1/4模型 2静态有限元仿真结果比较 2.1永磁磁场分布 当永磁体单独作用时，两种电机的磁力线分布如图3所示。 （a）原型电机（b）新型电机 图3 两种电机永磁磁场分布 2.2 永磁气隙磁密波形 当永磁体单独作用时，两种电机一个周期范围（即一对永磁体范围）的永磁气隙磁密波形如图4所示。 （a ）原型电机 （b ）新型电机 50100 150200250300 -1.25 -1-0.75-0.5-0.2500.250.50.7511.25Distance/mm B r /T 原型电机新型电机 （c ）两种电机比较 图4 两种电机永磁气隙磁密分布 3 空载稳态有限元仿真结果比较 3.1 空载永磁磁链、空载永磁反电势波形 空载情况下，两种电机的三相绕组电流均设置为零，电机中磁场由永磁体单独产生。设置电机稳态运行转速为n =3000r/min ，可得到两种电机的空载永磁磁链、空载永磁反电势波形分别如图5、图6所示。由于三相绕组对称，在此仅给出A 相绕组仿真结果。 48 121620 -0.6-0.4-0.200.20.4 0.6 时间/ms 空载永磁磁链/W b 原型电机 新型电机 图5 两种电机空载永磁磁链 48 121620 -400 -300-200-1000100200 300400时间/ms 空载反电势/V 原型电机新型电机 图6 两种电机空载永磁反电势 3.2 空载永磁磁链、空载永磁反电势谐波分析 利用Matlab 对图5、图6的波形进行傅里叶分析，可得到两种电机磁链及反电势的各次谐波分量，如图7所示。 23456789101112131415 1 2 3 4 谐波次数 相对于基波分量百分比/% 原型电机 新型电机 23456789101112131415 24681012 谐波次数 相对于基波分量百分比/% 原型电机新型电机 （a ）空载永磁磁链 （b ）空载永磁反电势 图7 磁链及反电势谐波分量分析 通过对两种电机的空载永磁磁链和空载永磁反电势进行谐波分析，得到以下结论：（1）3次谐波分量是主要谐波分量；（2）偶次谐波分量几乎为零，奇次谐波分量相对较大；（3）采用新型电机结构可在一定程度上削弱3次谐波分量，但同时会引起5、7次谐波分量增加，总体削弱谐波效果并不明显。 电气传动2015年第45卷第8期 基于全阶状态滑模观测器的异步电机 转子磁链观测 杨淑英，王伟，谢震，张兴 （合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽合肥230009） 摘要：矢量控制的关键在于转子磁链定向。针对异步电机矢量控制中磁链观测问题，设计了一种基于全阶状态滑模观测器的增强型转子磁链观测方案。该方案将全阶磁链观测器和滑模观测器结合起来对异步电机定子电流和转子磁链同时进行实时跟踪观测，从而获得较为准确的转子磁链观测，进而提高矢量控制时磁场定向的准确性以及矢量控制的性能。研究表明该方案不仅算法简单，而且具有较强的参数鲁棒性以及较好的稳定性。仿真结果证明了该方案的分析和设计。 关键词：全阶状态滑模观测器；转子磁链观测；矢量控制；异步电机中图分类号：TM921 文献标识码：A Induction Motor Rotor Flux Observation Based on Full Order State Observing Involved Sliding Mode Observer YANG Shu?ying ，WANG Wei ，XIE Zhen ，ZHANG Xing （School of Electrical Engineering and Automation ，Hefei University of Technology ， Hefei 230009，Anhui ，China ） Abstract:Rotor flux orientation is crucial to the strategy of vector control for induction motor.An enhanced rotor flux observation method based on full order state observing involved sliding mode observer （FOSOSMO ）for induction motor was designed to address the rotor flux observing issue of the vector control.The normal full?order flux observer was combined with the sliding mode observer to make the stator currents and rotor fluxes observed simultaneously.Therefore ，by the combination design ，an improved rotor flux observation was realized ，and the accuracy of the rotor?flux orientation and further the performance of the driving system were also advanced ，consequently.Studies show that the observing scheme not only is convenient to engineering implementation ，but also has strong parameter robustness and satisfactory stability.Simulation results validate the analysis and design.Key words:full order state observing involved sliding mode observer ；rotor flux observer ；vector control ； induction motor 作者简介：杨淑英（1980-），男，博士，副教授，Email ：yangsyhfah@https://www.doczj.com/doc/7813345260.html, ELECTRIC DRIVE 2015Vol.45No.8 异步电机的低成本、高可靠性，使其在新能源领域有着广泛的应用。随着新能源应用的迅速发展，对异步电机控制的要求也越来越高。矢量控制，尤其是转子磁场定向矢量控制是当前应用广泛且经典的一种异步电机驱动控制策略。而转子磁链获取的准确性直接影响到异步电机磁场定向的准确性，影响到异步电机矢量控制系统的动态性能［1-2］。 由于异步电机转子磁链的直接测量十分困 难，通常需要通过间接观测计算获得。根据所用电机模型的不同，有两种较为典型的转子磁链观测计算方法，即电流模型法和电压模型法［1］。其中，电流模型法受电机参数影响较大，一般仅用于低速阶段；而电压模型法，因其存在积分运算问题，一般用于中高速运行阶段［3］。为了克服直接电压或电流模型法存在不足以获得更好的转子磁链定向效果，基于全阶观测器的转子磁链观 测方案是近年来广为关注的研究热点问题。文 3 网络出版时间：2015-08-24 10:28:26 网络出版地址：https://www.doczj.com/doc/7813345260.html,/kcms/detail/12.1067.TP.20150824.1028.002.html异步电机定子磁链观测方法的改进研究
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