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/b016725710.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/b016725710.html,/kcms/detail/12.1067.TP.20150824.1028.002.html
电气传动2015年第45卷第8期杨淑英，等：基于全阶状态滑模观测器的异步电机转子磁链观测
献［4］通过对全阶状态磁链观测器反馈矩阵的设
计，使其在稳态情况下能够依据运行转速的不同可分别等效为电压模型磁链观测器与电流模型磁链观测器，并通过控制器参数的选取使其在两种模型之间平滑切换。文献［5］依据鲁棒控制理论和线性矩阵不等式综合求取观测器的增益矩阵，力图在全速范围内都能保证系统的稳定性。但文献［4-5］的算法复杂，工程调试困难，难以实际应用。扩展卡尔曼滤波等先进控制理论近年来也逐渐被应用于转子磁链观测器的设计之中：如文献［6］提出了一种扩展卡尔曼观测器的形式，这种观测器通过设置两个分别辨识定子电阻和转子电阻的子扩展卡尔曼模型作为输入，以期提高磁链观测的准确性，但需要3个观测器构建，较为复杂；文献［7］则在扩展卡尔曼观测器中加入转子电阻辨识来提高转子磁链观测的精度，但这种观测器是一种全阶随机观测器，较全阶观测器更为复杂，工程实现更为困难。滑模观测器具有实现简单、鲁棒性强的优点，近年来被用于转子磁链的观测之中［8-10］。但滑模观测器存在其固有的抖震问题，难以在频率变化较大的场合中应用。
本文在综合分析全阶磁链观测器和滑模观测器的基础上设计了一种全阶状态滑模观测器（FOSOSMO ），从而使电机的磁链观测具有更好的稳态和动态性能，提高了异步电机的控制性能，同时通过设计过程的简化，使其实现较为简洁。仿真验证了本方法的正确性和优越性。
1异步电机数学模型
由磁链方程和电压方程得静止坐标系下电
机状态方程如下［1］：
{
x =Ax +Bu
i s =Cx
（1）其中
x =[i s αi s βΨr αΨr β]T
u =[u s αu s β]T
i s =[i s αi s β]T
A =é?
êêêêêêêê
êù?úúúúú
úúúú-R s L 2r +R r L 2
m
σL s L r 0L m σL s L r T r L m σL s L r ω0-R s L 2r +R r L 2m σL s L r -L m σL s L r ωL m σL s L r T r L m T r 0-1T r
-ω0L m
T r ω-1T r B =é?êêêêêù
?ú
úúúú1σL s 00
1σL s 000
0C =[1100]σ=1-L 2
m /(L r L s )T r =L r /R r
式中：u s α，u s β为静止坐标系αβ轴的定子电压；i s α，
i s β为静止坐标系αβ轴的定子电流；
Ψr α，Ψr β为静止坐标系αβ轴的转子磁链；
L m ，L r ，L s 分别为电机的定子与转子等效互感、等效转子电感、等效定子
电感；
ω为转速对应的电角度；R s ，R r 分别为定子电阻和转子电阻。
2异步电机常规全阶磁链观测器
依据观测器设计的相关理论和式（1），由定
子电流的观测误差构成校正项，可得全阶状态观
测器为如下形式：
ìí?x =A x +Bu +K (i s -i s )i s =C x （2）
式中：K 为反馈增益矩阵。
K 矩阵的选取一方面要使观测器具有期望的收敛速度，另一方面，要便于系统实现。本文设置K 为以下形式：
K =é?êêêêêêù
?
úúúú
úúk 100k 1k 200k 2式中：
k 1，k 2为全阶状态反馈系数。为确保观测器的稳定性，反馈增益矩阵系数选取应满足如下不等式：
（A -KC ）T
+(A -KC )<0
（3）
计算可得：
ìí
?
??
??k 1>
R s L 2r +R r L 2
m σL s L r k 2
>L m +σL s L r L m σL s L r T r （4）
3全阶状态滑模观测器的设计
为了进一步提高观测器对参数变化的鲁棒
性，本文通过在全阶状态观测器的基础上增加一滑模反馈的部分，进而构造成全阶状态滑模观测器，以期提高观测器的参数鲁棒性。
所构建的全阶状态滑模观测器可描述如下：
4
电气传动2015年第45卷第8期
ìí???x =Ax +Bu +K (i s -i s )+M sgn(i s -i s )
i s
=C x （5）式中：M 为滑模部分的系数反馈矩阵。
M =é?êêêêêêù?úúúúúú
m 100m 1m 200m 2sgn(x )=ìí?1x >00x =0-1x <0式中：
m 1，m 2为滑模反馈系统。根据电机状态方程式（1）和观测器方程式（5）
可得相应的误差方程：
ìí?
???????
?????????????d i s αd t =L m
σL s L r T r Ψr α+L m σL s L r
ωΨr β
-R s L 2r +R r L 2m σL s L 2
r i s α-k 1i s α-m 1sgn(i s α)d i s βd t
=L m σL s L r T r Ψr β-L m σL s L r ωΨr α
-R s L 2r +R r L 2
m σL s L 2r
i s β-k 1i s β-m 1sgn(i s β)d Ψr αd t
=-1T r Ψr α-ωΨr β+L m T r i s α-k 3i s α-m 2sgn(i s α)d Ψr βd t =-1T r Ψr β+ωΨr α
+L m T r i s β
-k 3i s α-m 2sgn(i s β)（6）根据广义滑模可达条件，可定义李雅普诺夫函数为
V 1=12(i 2s α+i 2s β)
（7）由式（6）和式（7）得：
V 1=-R s L 2r +R r L 2m σL s L 2
r (i 2s α+i 2s β)+L m
σL s L r T r (i s αΨ
r α+i s βΨr β)+L m
σL s L r
ω(i s αΨr β-i s βΨr α)-k 1(i 2s α+i 2s β)-m 1(|i s α|+|i s β|)
（8）
当V 1的导数为负定函数时，滑模观测器将进入滑模状态，从而可以保证电流观测值收敛于其真实值，进而获得转子磁链的准确观测。由此增益选择应满足下式：
m 1>SUP {1(||i s α+|
|i s β)
[L m σL s L r T r (i s αΨr α+i s βΨr β)+L m
σL s L r
ω(i s αΨr β-i s βΨr α)-k 1(i 2s α+i 2s β)]}（9）式中：SUP （）为上确界。
同理，设置转子磁链观测器系数m 2。当电流滑模观测器进入滑模状态时，满足
ìí???i s α=i s α=0
i s β=i s β
=0
（10）将式（10）代入式（6）中则
ìí?????m 1sgn(i s α)=L m σL s L r T r Ψr α+L m σL s L r
ωΨr β
m 1sgn(i s β)=L m σL s L r T r Ψr β-L m σL s L r ωΨr α
（11）选取李雅普诺夫函数为
V 2=12(Ψ2r α+Ψ2r β
)（12）
对其求导得：
V 2=-1T r
(Ψ2r α+Ψ2r β)-2ωΨr βΨr α-m 2[Ψs αsgn(i s α)+Ψs αsgn(i s α
)]（13）
将式（11）带入式（13）中，得：V 2=-1T r
(Ψ2r α+Ψ2r β)-2ωΨr βΨr α-m 2
m 1[L m σL s L r T r
(Ψ2r α+Ψ2r β
)]（14）显然，要使V 2的导数小于0，其参数m 2需满足：
m 2m 1>
-2ωΨr βΨr α
L m
σL s L r T r (Ψ2r α+Ψ2r β
)（15）只要选择滑模增益满足式（9）和式（15），便可保证观测器收敛。
综上所述，全阶状态滑模观测器可描述为图1所示。
4仿真研究
为对本文设计的增强型磁链观测方法进行
验证，在Matlab/Simulink 环境下建立了系统模型，并进行了仿真研究。
所用感应电机参数为：
U N =380V ，P N =5kW ，L m =0.05H ；L r =0.0547H ；L s =0.0547H ；T r =0.2735s ；
R s =1.26Ω；R r =0.2Ω；ωr =188.5rad/s 。
图1全阶状态滑模观测器简图Fig.1
Block diagram of the FOSOSMO
杨淑英，等：基于全阶状态滑模观测器的异步电机转子磁链观测5
电气传动2015年第45卷第8期
根据电机参数和稳定性条件式（4）综合优化后，本文选取全阶状态反馈矩阵的系数k1=29000，k2=435；依据稳定性条件式（9）和式（15）选择滑模反馈矩阵系数m1=28500，m2=250。
仿真采用的控制如图2所示。
4.1
观测器启动过程
由于本设计主要应用于风力发电等场合，电机需要稳定运行于某一速度点，故设计电机稳定运行于900r/min。
在电机稳定运行时，在0.8s时使观测器开始工作。观测器所观测到的电流观测效果如图3所示，转子磁链观测效果如图4、图5所示。
由图3可知定子α轴观测电流较短时间内收敛于实际电流，说明全阶滑模状态观测器的电流观测效果良好。
由图4、图5可知转子磁链观测器在0.2s收敛于磁链实际值，误差较小且稳定，达到了磁链观测器的预期目标。
4.2观测器动态仿真结果
为了检验此观测器动态响应性能，在1s时让电机转矩电流给定发生阶跃变化，验证观测器的动态响应过程，如图6所示，该动态过程的磁链观测误差示于图7。同时，为了与常规全阶状态观测器的动态响应进行对比，图8中给出该动态过程中全阶状态观测器的磁链观测效果。
图2异步电机矢量控制简图Fig.2Block diagram of Induction motor vector control
图3定子α轴观测电流与实际电流比较Fig.3Comparison between the actual current
and the observed one inα?axis
图4转子磁链α轴观测值与真实值比较Fig.4Comparison between the actual rotor flux
and the observed one inα?axis
图5转子磁链α轴观测误差
Fig.5Observing error in theα?axis rotor flux
图6转矩发生突变时实际磁链与观测磁链的比较
Fig.6Comparison between the actual flux and the
observed one upon the torque step change
图7转矩阶跃响应过程中全阶状态滑模观测器的磁链误差
Fig.7Observing error in rotor flux during the torque
dynamic response with the FOSOSMO
图8转矩阶跃响应过程中常规全阶状态观测器的磁链误差
Fig.8Observing error in rotor flux during the torque dynamic
response with the general full order state observer
杨淑英，等：基于全阶状态滑模观测器的异步电机转子磁链观测
6
电气传动2015年第45卷第8期
由图6表明本文设计的转子磁链观测器能在
较短的时间内完成动态响应，其动态响应时间约
为0.2s，反应出观测器较好的抗扰动能力。
由图7、图8可知，全阶状态滑模观测器的磁
链观测较常规全阶磁链观测器具有更小的动态
误差、更快的动态响应过程。
4.3观测器参数鲁棒性仿真分析
为了验证本观测器的参数鲁棒性，本文分别
验证了转子电阻变化±50%，互感变化±50%以及
定子电阻变化±50%时观测器的观测结果。
图9、图10所示分别为转子电阻增加50%和
互感增加50%时所对应的观测器观测效果。
由图9可知转子电阻增大时，观测器的磁链
观测仍能收敛，且观测误差最终稳定在6.5%以
内。由图10可知互感增大后，磁链误差最后稳定
在5%左右。
综上全阶状态滑模观测器在参数变化时仍
能收敛，且由此所引起的观测误差较小，表1给出
了定、转子电阻和互感等参数不匹配时产生的观
测误差。
由表1可知全阶状态滑模观测器对转子电阻
和互感的参数鲁棒性较好，对定子电阻的参数鲁
棒性稍差。不过，实际定子电阻通常较易根据电
机温度进行在线补偿，从而弥补这一不足。
图11、图12所示分别为转子电阻增加50%和
互感50%时所对应的常规全阶状态磁链观测器
观测效果。
为了更好地对比两种观测器的参数鲁棒性，
将普通观测器的观测误差情况展示如表2所示。
通过比较可知本文设计的增强型观测器由
于滑模部分的引入，使得观测器具有较强的参数
鲁棒性。
图9转子电阻增大50%时全阶状态滑模
观测器的转子磁链观测效果
Fig.9Rotor flux observation for the FOSOSMO
with the rotor resistance increasing50%
图10互感增大50%时全阶状态滑模观测器的转子磁链观测效果
Fig.10Rotor flux observation for the FOSOSMO with
the mutual inductance increasing50%
表1参数变化时转子磁链观测误差
Tab.1Observing error for parameters changing
参数
转子电阻
转子电阻
互感
互感
定子电阻
定子电阻
变化量/%
增大50
减小50
增大50
减小50
增加50
减小50
转子磁链误差/%
6.5
10
5
10
15
15
图11转子电阻增大50%时常规全阶状态
观测器的转子磁链观测效果
Fig.11Rotor flux observation for the general observer
with the rotor resistance increasing50%
杨淑英，等：基于全阶状态滑模观测器的异步电机转子磁链观测
7
电气传动2015年第45卷第8期5
结论
本文设计了一种增强型转子磁链观测器，将
常规全阶磁链观测器和滑模观测器结合起来，构成了全阶状态滑模观测器，并通过稳定性分析来完成反馈矩阵和滑模矩阵的设计。通过仿真结果可知本观测器较常规全阶状态观测器有更好的控制稳定性，更好的参数鲁棒性和抗扰能力。并通过仿真简要分析了本观测器和常规全阶磁链观测器的参数鲁棒性，验证了本观测器参数鲁棒性的提升。
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图12互感增大50%时常规全阶状态观测器的转子磁链观测效果
Fig.12
Rotor flux observation for the general observer with the mutual inductance increasing 50%表2
常规观测器在参数变化时观测误差Tab.2Observing error for parameters changing with the general observer
收稿日期：2014-09-29修改稿日期：2015-02-24
杨淑英，等：基于全阶状态滑模观测器的异步电机转子磁链观测
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邮发代号：6-85
邮局全年订价：120元零售价：10.00元
参数转子电阻转子电阻互感互感定子电阻定子电阻
变化量/%增大50减小50增大50减小50增加50减小50
转子磁链误差/%
102010102020
8
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
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!伺服技术"#$%&’($)*+,-.$ 异步电机矢量控制系统转子磁链间接检测方法 刘 燕/0 邵晓强12/3西南交通大学0四川成都4/556/7 13西安微电机研究所0陕西西安8/55889 摘 要:转子磁场定向控制是实现高性能交流调速方法;;矢量控制的基础<这种控制的关键是对转子磁链的正 确计算0根据矢量控制的理论和异步电动机的运行原理0仔细分析和介绍了目前常用的几种异步电动机转子磁链间接检测的方法0 仿真并讨论了各自的实质及其优缺点<关键词:矢量控制0转子磁场定向7磁通检测中图分类号:=>6?67=>6 5/@1文献标识码:A 文章编号:/55/B4C ?C 2155/951B5518B56 #D E D F G H IG J K L MN D L D O L %M L M F P H Q RS T&D O L M F )M T L F M H H D UV ),T U Q O L S M TWM L M F X Y Z [\]/0^_A ‘a b \c B d b \]e 1 2/@^c f g h i j k g l b \]g c ]eZ ]b m j n k b g o 0p h j ]e q f 4/556/0p h b ]\71@a b r \]s j k j \n t hY ]k g b g f g j c u >b t n c v c g c n 0a b r \]8/55880p h b ]\ 9V w K L F G O L :s c g c n u b j x qc n b j ]g \g b c ]t c ]g n c x b k g h j y \k j c u h b e h B z j n u c n v \]t j t c ]g n c x k g n \g j e o c u A pv c g c n m j t g c n t c ]{g n c x @=h j |j oc u n c g c n g b j x qt c ]g n c x b k h c i g cg n f x ot \x t f x \g j g h j n c g c n u x f }x b ]|\e @A t t c n q b ]eg cg h j g h j c n oc u m j t g c n t c ]g n c x \]qc z j n \g b c ]c u A pb ]q f t g b c ]v c g c n 0g h b k z \z j n \]\x o ~j k k j m j n \x v j g h c q k g c b ]q b n j t g x o q j g j t g n c g c n u x f }\]q \x k cq b k t f k k j k g h j b n j k k j ]t j \]qg h j b n \q m \]g \e j !q b k \q m \]g \e j n j k z j t g b m j x o @"D J #M F U K :m j t g c n t c ]g n c x 7n c g c n u b j x qc n b j ]g \g b c ]7u x f }q j g j t g b c ] 收稿日期:1555B//B5$ %引 言 交流异步电动机是一个多变量&非线性&强耦合的系统<它的电流&电压&磁通和电磁转矩各量是处在相当复杂的耦合状态之中0一般的交流电动机传动控制方式都不能使异步电动机得到和直流它激电机一样的解耦控制及良好的动静态性能0欲使异步电动机控制系统解耦0关键是找出两个分别决定磁通和电磁转矩的独立控制量
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.
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基于滑模观测器的PMSM模糊滑模控制 作者：王巍， 汪玉凤， 郭凤仪， WANG Wei， WANG Yu-feng， GUO Feng-yi 作者单位：辽宁工程技术大学,辽宁葫芦岛,125105 刊名： 微特电机 英文刊名：SMALL & SPECIAL ELECTRICAL MACHINES 年，卷(期)：2010，38(8) 被引用次数：0次 参考文献(11条) 1.Elmas https://www.doczj.com/doc/b016725710.html,tun O A hybrid controller for the speed control of a permanent magnet synchronous motor drive 2008(1) 2.沈艳霞.纪志成基于无源性永磁同步电机模糊滑模控制系统研究 2007(17) 3.Ilioudis V C.Margaris N I PMSM Sensorless Speed Estimation Based on Sliding Mode Observers 2008 4.赵德宗.张承进.郝兰英一种无速度传感器感应电机鲁棒滑模控制策略 2006(22) 5.Han Y S.Choi J S.Kim Y S Sensorless PMSM Drive with a Sliding Mode Control Based Adaptive Speed and Stator Resistance Estimator 2000(5) 6.王巍.郭凤仪.侯利民滑模控制的PMSM无速度传感器最优转矩控制 2009(3) 7.Cárdenas R.Pe(n~)a R MRAS Observer for Sensorless Control of Standalone Doubly Fed Induction Generators 2005(4) 8.王庆龙.张崇巍.张兴基于变结构模型参考自适应系统的永磁同步电机转速辨识 2008(9) 9.Bianchi N.Bolognani S Advantages of Inset PM Machines for Zero-Speed Sensorless Position Detection 2008(4) 10.秦峰.贺益康.贾洪平基于转子位置自检测复合方法的永磁同步电机无传感器运行研究 2007(3) 11.Jeong Y Initial rotor position estimation of an interior permanent magnet synchronous machine using carrier frequency injection methods 2005(1) 相似文献(10条) 1.期刊论文骆再飞.蒋静坪.曹芳祥.LUO Zai-fei.JIANG Jing-ping.CAO Fan-xiang交流伺服系统的动态模糊滑模 控制策略研究-机电工程2008,25(11) 为提高永磁同步电机(PMSM)交流伺服系统的动静态性能,提出了一种动态模糊滑模控制方法.采用"距离"减少了模糊输入维数和模糊规则,减少控制器的计算量从而加快了响应速度;并利用自适应算法改善了系统性能.仿真试验表明,该方法能明显削弱抖振,提高稳态精度,并具有动态响应速度快的特点以及较强的鲁棒性. 2.期刊论文王洪斌.穆太青.高殿荣基于模糊滑模控制的永磁同步液压电机泵变速控制的研究-武汉理工大学学报 （交通科学与工程版）2010,34(1) 提出一种永磁同步液压电机泵模型,即把永磁同步电机转子作为液压泵缸体,以进一步提高液压传动的整机效率.通过控制电机转速直接调节泵的输出流量,使电机泵提供的功率与负载匹配,从根本上提高液压调速系统的效率.同时建立了该液压电机泵变速控制系统的数学模型.针对永磁同步电机非线性、多变量、强耦合的特点,将模糊和滑模控制理论运用到永磁同步电机直接转矩控制中,以提高系统的鲁棒性和快速性.对转速阶跃变化进行仿真研究,仿真结果表明该策略具有良好的鲁棒性和快速性. 3.期刊论文黄石维.周国荣.HUANG Shi-wei.ZHOU Guo-rong永磁同步电机的模糊滑模控制-机械工程与自动化 2010(1) 为了实现高性能永磁同步电动机伺服系统快速而精确的位置跟踪控制,在滑模控制策略中引入模糊控制算法,设计了基于模糊规则的滑模控制器;并通过理论分析和控制仿真,证实了模糊滑模控制很好地解决了抖振问题,对参数变化和负载扰动具有很好的鲁棒性,永磁同步电机可获得很好的位置跟踪效果. 4.学位论文刘梦溪交流伺服系统的滑模控制研究2008 随着现代化工业的不断发展，交流伺服系统在许多领域的应用日益广泛，对其性能要求也越来越高。由于交流伺服系统本质上具有非线性、多变量、参数时变的性质，因此要实现高品质的控制，对控制策略就提出了很高的要求。本文针对在交流伺服驱动系统中一些尚待解决的的控制问题将一些新的控制方法引入交流伺服系统，力求以新的控制方式和策略提高整个系统的鲁棒性。 滑模控制对系统模型不精确和外部扰动具有较强的鲁棒性，因此获得了广泛应用。但滑模控制的高频抖振现象却成为限制其应用的主要障碍。模糊控制作为利用专家知识和经验的有效方法，特别适用于复杂、非线性、时变的系统，但大多数模糊控制系统缺少保证系统性能的分析方法。将模糊控制
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/b016725710.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/b016725710.html,/kcms/detail/12.1067.TP.20150824.1028.002.html
摘要 本文对三相异步电动机按转子磁链定向的矢量控制系统进行了计算机仿真研究，运用Matlab/Simulink和SimPowerSystem工具箱及面向系统电气原理结构图的仿真方法，实现了带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统的建模与仿真；重点介绍了调速系统的建模和调节器参数的设置，给出了矢量交流调速系统的仿真模型和仿真结果非常接近实际情况，说明了仿真模型的正确性。 关键词：异步电动机；交流调速；矢量控制
目录 摘要.......................................................................................................... I 1概述 (1) 2总系统设计 (2) 3子系统设计 (6) 3.1 转速控制器 (6) 3.2 定向控制器 (6) 4三相异步电动机磁场定向矢量控制系统仿真 (8) 4.1参数给定 (8) 4.2系统仿真 (10) 总结 (12) 参考文献 (13) 附录 (14)
1概述 交流调速技术在工业领域的各个方面应用很广，对于提高电力传动系统的性能有着重要的意义，由于电力传动系统的复杂性和被控对象的特殊性，使得对它的建模与仿真一直是研究的热点。对其仿真研究不能像控制系统那样可用各环节简化传递函数来表示，这样会有很多重要环节被忽略，完全体现不了交流调速系统的整体结构和各个环节点上的信号状态。对电气传动系统的建模仿真力求达到与实际系统相一致，Matlab提供的Simulink中的电力系统工具箱（SimPowerSystems）能很好地满足这一要求。以往对电气传动系统的仿真研究主要集中在电机的建模和仿真，最近，许多对复杂电力传动系统的建模仿真方法已提出，主要有运用仿真工具箱对电力传动系统建模仿真和将电力传动系统的功能单元模块化的仿真建模。 由于三相异步电动机是一个多变量、强耦合非线性系统，存在着高性能上难以控制的问题。矢量控制技术有按转子磁链定向和按定子磁链定向的控制等策略。按转子磁链定向矢量控制给出了交流电动机的基本解耦控制方法。在设计调速系统过程中，利用Matlab按转子磁链定向矢量控制的交流调速系统仿真，正确的应用坐标变换模块是建立转子磁链模型的基础。同时，转子磁链、转矩解耦环节的模型也是仿真的关键因素。
// 建立电流滑模观测器 EpreIaf = _IQmpy(Fsmo,EpreIaf) + _IQmpy(Gsmo,(Vaf-Eaf-Zaf)); EpreIbt= _IQmpy(Fsmo,EpreIbt) + _IQmpy(Gsmo,(Vbt-Ebt-Zbt)); //计算电流观测误差 IafError = EpreIaf - Iaf; IbtError = EpreIbt - Ibt; // 滑动控制计算 if (_IQabs(IafError) < E0) Zaf = _IQmpy(Kslide,_IQdiv(IafError,E0)); else if (IalphaError>= E0) Zaf = Kslide; else if (IafError<= -E0) Zaf = -Kslide; if (_IQabs(IbtError) < E0) Zbt = _IQmpy(Kslide,_IQdiv(IbtError,E0)); else if (IbtError>= E0) Zbt = Kslide; else if (IbtError<= -E0) Zbt = -Kslide; // 计算滤波后的反电动势值 Eaf = Eaf + _IQmpy(Kslf,(Zaf-Eaf)); Ebt = Ebt + _IQmpy(Kslf,(Zbt-Ebt)); // 计算转子位置电角度 smoTheta = _IQatan2PU(_IQ(-Eaf),_IQ(Ebt)); 上述程序实现了转子电角度的估算，需要注意的是，TI公司IQmath库使用虽然解决了DSP2812无法直接进行浮点运算的问题，但是也存在一些问题。例如，在在上述程序中使用反正切函数时，IQmath库中的输出范围为0,1，对应实际弧度中的0,2π。但是正切函数的周期为π，也就是对于同一个反正切值而言，
一种永磁同步电机滑模观测器的设计 周雒维，杨柳，彭国秀，杜雄 （高电压与电工新技术教育部重点实验室(重庆大学) 重庆市沙坪坝区400044） A Design of Sliding Mode Observer for Permanent Magnet Synchronous Motor Zhou Luowei,Yang Liu, Peng Guoxiu, Du Xiong （Key Laboratory of High V oltage Engineering and Electrical New Technology of Education Ministry(Chongqing University), Shapingba District，Chongqing 400044，China） ABSTRACT:To solve the problem of the chattering phenomena in the conventional SMO(Sliding Mode Observer), a new novel SMO is proposed in this paper based on the good properties of Kalman filter, where the sat function is adopted to substitute the sign function and the low pass filter is deleted . This new SMO not only can decrease the high frequency ripple of the back EMF(Induced Electromotive Force)、has the advantage of no phase delay but can simplify the structure of the SMO. Then the method of the gain l in the Kalman filter is proposed in this paper. The simulation results show that the dynamic and static performances are good. KEY WORDS：PMSM SMO Sat function Chattering 摘要：针对传统开关切换函数滑模观测器存在高频抖振的问题，本文在仔细研究卡尔曼滤波器优点的基础之上，将饱和函数引入到滑模观测中，取消了一阶低通滤波器，构造了一种新型的滑模观测器。该滑模观测器能够减小估算反电势中的纹波，且不产生信号相位差，并较传统的滑模观测器结构简单。本文还分析 了卡尔曼滤波器参数l的变化规律。仿真结果证明，由该滑模观测器构成的控制系统具有良好的动态性能和稳态品质。 关键词：永磁同步电机滑模观测器饱和函数抖动 0引言 滑模变结构控制理论出现在20世纪50年代，近年来基于滑模变结构理论的滑模观测器被广泛的应用于永磁同步电机的无速度传感器控制中[1][2]。滑模观测器在很宽的速度范围内具有良好的动态性能，对电机的参数也有着很好的鲁棒性。 由于滑模观测器估计的反电动势中含有大量的纹波，为了准确获得永磁电机的位置和速度信息，就必须对获得的反电动势进行滤波。现行的滑模观测器中滤波器的设计主要有一下三种：①一阶低通滤波器[3]。由于低通滤波器会造成信号的相位延迟，有文献就提出采用补偿的方式来消除上述误差。这种方法不仅很难能得到准确的反电动势，而且需要大量的数据寄存器来存储补偿曲线。②自适应滤波器[4]。文献[4]提出的自适应滤波器对输出反电动势的幅值进行了补偿，由于滤波器的截至频率过大，反电动势中仍包含一定的谐波；而且运用这种滤波器需要对相电流、相电压进行滤波，增加了滑模观测器的复杂程度，对系统硬件要求变高。③卡尔曼滤波器[5]。基于李雅普稳定理论的卡尔曼滤波器不仅可以滤除反电动势纹波分量，而且对于由于电机参数误差而造成的估计误差有很好的消除作用，具有较强的鲁棒性。 文献[6]的滑模观测器采用一阶低通滤波器加卡尔曼滤波器获得基波反电动势。由于卡尔曼滤波器只能消除高频纹波，因此对于PWM形式的反电动势就必须先用一阶低通滤波器 基金项目：重庆市科委自然科学重点基金资助项目(2005BA6017)
基于转子磁链定向的异步电机调速系统 摘要: 根据矢量变换控制原理,利用MATLAB/SIMULINK 软件构造了基于转子磁链定向的异步电机矢量控制系统的仿真模型。介绍了电机模型和转子磁链模型的建立以及矢量控制原理,仿真结果证明了基于转子磁链定向的异步电机矢量方法是有效的。 关键词: 异步电机; 矢量控制; 转子磁链；仿真; MATLAB/SIMULINK 1、引言： 现代交流调速系统是电机学、电力电子学、微电子学、计算机科学、自动控制理论等多种学科德有机结合和交叉应用。但是同其他任何自动控制系统一样，其根本的理论基础是自动控制理论，也就是说交流调速控制系统是根据某种控制方式、控制方法建立起来的。本文重点论述了交流调速系统与MATLAB 仿真分析。 2.1 网侧电压型PWM 整流器控制原理 三相电压型PWM 整流器(VSR)的主电路由交流侧、整流器及直流侧三部分组成，如图2-1中所示。其中交流侧包括电网三相交流电压,,a b c u u u 、电感L 和等效电阻R ；功率开关管均为全控型，每一个均并联一个续流二极管；直流侧包括直流电容C ，负载电阻d R 和负载侧电压d E 等。在工作状态时，三相VSR 交流侧输入三相电压，功率开关管在PWM 波的控制下开通或者关断，使三相VSR 输出稳定的直流电压，电能消耗在负载电阻上。 图2-1三相桥式电压型PWM 整流器 工作状态下的单位功率因数是指：当PWM 整流器运行于整流状态时，网侧输入电压、电流同相位(正阻特性，见图2-2中的b 图)；运行于逆变状态时，其网侧输入电压、电流反相位(负阻特性，见图2-2中的c 图)。下面从电路交流侧开始，来分析PWM 整流器稳态运行状态时的电压电流矢量关系。矢量关系如图2-2所示。图2-2里定义：E ?是电网电压；L V ?是电感电压；V ?是总电压；I ? 是总电流。 下面将电压矢量V ?在四个象限的运动详细分析如下：
唐山学院 自动控制系统课程设计 题目基于MATLAB的按转子磁链定向的异步电动机仿真系 (部) 智能与信息工程学院 班级 12电本1班 姓名 学号 指导教师吕宏丽吴铮 2016 年 1 月 18 日至 1 月 22 日共 1 周 2016年 1 月 22 日
《自动控制系统》课程设计任务书
目录 1引言 (1) 2异步电动机的三相数学模型 (2) 2.1异步电动机动态数学模型的性质 (2) 2.2异步电机三相数学模型的建立过程 (2) 2.2.1磁链方程 (3) 2.2.2电压方程 (5) 2.2.3转矩方程 (7) 2.2.4运动方程 (8) 3坐标变换和状态方程 (9) 3.1坐标变换的基本思路 (9) 3.2三相--两相变换（3/2变换和2/3变换） (10) 3.3静止两相坐标系状态方程的建立 (12) 4系统模型生成及仿真 (14) 4.1各模型实现 (14) 4.1.1 3/2变换模型 (14) 4.1.2异步电动机模型 (15) 4.2整体模型 (17) 4.3仿真参数设置 (17) 4.4仿真结果 (17) 5总结 (20) 参考文献 (21)
1引言 异步电动机具有非线性、强耦合性、多变量的性质，要获得高动态调速性能，必须从动态模型出发，分析异步电动机的转矩和磁链控制规律，研究高性能异步电动机的调速方案。矢量控制系统和直接转矩控制系统是已经获得成熟应用的两种基于动态模型的高性能交流电动机调速系统，矢量控制系统通过矢量变换和按转子磁链定向，得到等效直流电机模型，然后模仿直流电机控制策略设计控制系统；直接转矩控制系统利用转矩偏差和定子磁链幅值偏差的正、负符号，根据当前定子磁链矢量所在位置，直接选取合适的定子电压矢量，实施电磁转矩和定子磁链的控制。两种交流电动机调速系统都能实现优良的静、动态性能，各有所长，也各有不足。但是无论是哪种控制方法都必须经过仿真设计后才可以进一步搭建电路实现异步电动机的调速。 本设计是基于MATLAB的按定子磁链定向的异步电动机控制仿真，通过模型的搭建，使得异步电动机能够以图形数据的方式经行仿真，模拟将要实施的转子磁链设计，查看设计后的转矩、磁链、电流、电压波形，对比观察空载起动和加载过程的转速仿真波形，观察异步电动机稳态电流波形，观察转子磁链波形。
感应电动机磁链观测模型的应用 在感应电动机矢量控制系统中，电动机转子磁链的准确估计是改善系统性能的关键因素，分析了3种不同的转子磁链观测方法，同时给出了它们的磁链观测器模型并在DSP2812微处理器控制系统中进行了实验验证，实验结果表明不同磁链观测模型有不同特点。 标签：感应电机；改进电压模型；全阶磁链观测器；矢量控制 0 引言 从理论上讲，直接检测是比较准确的，但在实际应用上这些方法都会遇到不少工艺问题，而且受齿槽影响，使检测到的信号中含有较大的脉动分量，特别是在低速区时，它的成分就越大。因此，现今多采用间接计算的方法。即利用容易测得的物理量电压、电流或者转速等信号，借助转子磁链模型，实时计算磁链的幅值与相位[1]。 本文分析了电压型转子磁链模型、参考自适应转子磁链模型与全阶磁链观测器模型的不同特点，在基于定点DSP 微处理器TMS320F2812的感应电机控制系统进行了实验，实验结果验证了不同模型的不同特点。 1 感应电机转子磁链不同数学模型 建立合适的数学模型和状态方程是研究矢量控制系统的基础。对感应电机转子磁链观测模型的选取主要是取决于具体的应用环境，根据需要权衡其利弊来选择适当的方案。 1.1 改进电压模型的转子磁链模型 采用电流模型计算转子磁链时需要电流和转速信号，但是电机参数的变化会影响它的精确度。而电压模型受电机参数的影响较小，但是定子绕组反电动势积分项累积误差影响计算结果，容易产生直流偏移和积分饱和等问题[2]；并且在低速区时，定子电阻压降变化大，使电压模型计算出的转子磁链不够准确。因此传统的电压模型转子磁链轨迹将不再是以圆心为中心，当电机运行频率很低时这种现象尤其明显[3]。为此结合电流模型和电压模型优点，建立改进电压模型的转子磁链观测器，在低速区时，使用电流模型对电压模型进行修正，引入经PI 作用得到的补偿电压来消除纯积分环节和定子电阻参数误差带来的影响。PI调节器如式（1）所示。 定子磁链学模型如式（3）所示 1.2 基于模型参考自适应法（MRAS）的转子磁链模型