异步电动机转子磁链观测器的设计与仿真—任务书

高速异步主轴电机磁链观测器的设计汪亮亮;蔡豪;曾祥彩;许小龙【摘要】实现宽速度范围内磁链的准确观测是高速异步主轴电机控制中需要解决的一大难题,针对传统电流模型和电压模型磁链观测器在不同速度都存在其各自的缺陷,受电机参数变化的影响较大,设计了一种采用开环电流模型和闭环电压模型相结合的闭环磁链观测器.为提升磁场控制的快速响应性,采用转子磁场定向,定子磁通调节的方式进行控制.同时采用此方法设计磁链观测器电压模型中没有漏感项,高速运行时,对参数变化不敏感.还从各观测器的数学模型对其参数的敏感性进行了分析,仿真和实验结果证实了该方法的有效性.【期刊名称】《机电工程技术》【年(卷),期】2017(046)007【总页数】5页(P32-35,113)【关键词】高速异步主轴电机;磁链观测器;矢量控制;电机参数【作者】汪亮亮;蔡豪;曾祥彩;许小龙【作者单位】广东工业大学自动化学院,广东广州 510006;广东工业大学自动化学院,广东广州 510006;广东工业大学自动化学院,广东广州 510006;广东工业大学自动化学院,广东广州 510006【正文语种】中文【中图分类】TM355高速异步主轴作为数控机床最核心的关键部件之一，其性能的好坏直接影响机床的整体性能水平。

磁链观测的准确性是影响高速异步主轴控制的重要因素之一，由于加工刀具、被加工工件材质以及对零件加工要求的不同，为保证在任何情况下都能得到最佳切削效果，就要求传动系统必须具有足够宽的调速范围，实现宽速度范围内磁链的准确观测是高速异步主轴电机控制中需要解决的一大难题。

磁链观测的有两种：直接测量法和观测法。

直接测量法是在电机上安装物理感应器件来直接测量电机磁链，但是安装起来比较复杂，而且增加了硬件的成本，所以应用范围较小。

观测法则是通过检测电流、电压、转速等一些较容易获取的信号，通过一种算法对电机磁链进行实时估算。

传统的两种磁链观测模型分别为电流模型和电压模型，但其各自在不同速度段都存在一定的缺陷，不能在全速段实现电机磁链的准确观测。

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 01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。

第29卷第5期水下无人系统学报 Vol. 29No.5 2021年10月 JOURNAL OF UNMANNED UNDERSEA SYSTEMS Oct. 2021收稿日期: 2020-11-02; 修回日期: 2021-01-27.作者简介: 张炜权(1981-), 男, 硕士, 高工, 主要研究方向为流体转动与控制.[引用格式] 贾国涛, 张炜权, 刘国庆. 一种异步电机全阶磁链观测器设计方法[J]. 水下无人系统学报, 2021, 29(5): 596-600.一种异步电机全阶磁链观测器设计方法贾国涛, 张炜权, 刘国庆(中国船舶集团有限公司 第705研究所昆明分部, 云南 昆明, 650101)摘 要: 随着新型水下电动混流泵发射动力技术的不断发展, 对高速电机驱动提出了新的要求。

但传统全阶磁链观测器设计会引发系统极点产生正实部, 造成无速度传感器控制系统不能在低转速区域保持稳定, 促使装置启动失败。

针对此, 文中提出一种新的异步电机全阶磁链观测器设计方法, 设计了一种基于全阶磁链观测器的误差反馈矩阵, 可同时保证观测器极点实部和估计转速传递函数的零点实部都小于零, 从而保证了观测器以及估计转速的稳定。

实验验证了该方法的有效性。

关键词: 异步电机; 全阶磁链观测器; 无速度传感器; 矢量控制; 转速估计中图分类号: TJ630; TM343 文献标识码: A 文章编号: 2096-3920(2021)05-0596-05DOI: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.05.012New Design Method for an Asynchronous Motor Full-Order Flux ObserverJIAGuo-tao , ZHANG Wei-quan , LIU Guo-qing(The 705 Research Institute, China State Shipbuilding Corporation Limited, Kunming 650101, China)Abstract: New technologies for electric underwater mixed-flow pump launch power are increasingly becoming an active research topic in the underwater attack and defense field, in which the reliability design of equipment is the key feature. However, the traditional design method of an asynchronous motor full-order flux observer leads to a positive real part of the poles of the system, resulting in a speed sensorless control system that is not stable in low-speed regions, and, thereby, in the failure of the start-up of the device. This study, therefore, proposes a new design method for an asyn-chronous motor full-order flux observer, which is designed based on a full-order flux observer while ensuring that the real part of the pole of the observer and the real part of the zero point of the estimated speed transfer function are less than zero. As a result, the stability of the observer is ensured while the speed is estimated. Finally, the effectiveness of the method is verified experimentally.Keywords: asynchronous motor; full-order flux observer; speed sensorless; vector control; speed estimation0 引言 为满足水下新型预置式武器平台、深海试验平台、新型潜艇及攻击型无人水下航行器(unman- ned undersea vehicle, UUV)等低噪声、小型化发射的需求, 新型水下电动混流泵发射动力技术越来越成为水下攻防的研究热点, 发射动力装备对高速电机驱动提出了新的要求, 其可靠性设计成为关键技术。

异步电动机转子磁场定向控制系统仿真研究毕业设计.d异步电动机转子磁场定向控制系统仿真研究毕业设计摘要本设计通过把异步电动机模型解耦成有磁链和转速分别控制的简单模型，模拟直流电动机的控制模型来达到控制交流电动机的目的。

以电子电流的幅值、相位和频率为控制量，保持电机的旋转磁场大小不变，而改变旋转磁场的旋转速度，达到无延时的转矩响应。

在分析三电平逆变器的拓扑结构及工作原理和三相异步电机的数学模型、坐标变换的基础上，深入研究了转子磁场定向矢量控制系统的基本原理，设计了磁链和转速双闭环系统并给出了框图，通过计算机仿真方法分别建立矩阵变换仿真模型以及基于矩阵变换的异步电动机矢量控制系统仿真模型。

对矩阵变换的控制原理、输入、输出性能以及矢量控制系统的优质的抗扰能力及四象限运行特性进行分析验证。

针对基于矩阵变换的异步电动机矢量控制系统的特点，着重对矢量控制单元进行了软件设计。

直接矢量控制是一种优越的交流电机控制方式，模拟直流电机的控制方式可以使交流电机也能达到与直流电机相媲美的控制效果。

本文研究了矢量控制系统中磁链调节器的设计方法。

并采用MATLAB进行仿真设计。

关键词：三电平逆变器；异步电机；转子磁场定向控制；MATLAB仿真The Simulation Research on Asynchronous Motor Control System Based on Rotor Field-OrientedAbstractThree-level inverter because it can achieve higher voltage grade, output less harmonic content of advantages in high pressure high-power inverter occasions a wide range of applications, and rotor field-oriented control is the most widely used control method. Therefore, this article chooses three-level inverter induction motor rotor field-oriented control for research.Based on the analysis of the three-level inverter topology structure and working principle and mathematical model of three-phase asynchronous motor, on the basis of the coordinate transformation, the in-depth study of the rotor field-oriented vector control system design, the basic principle of the rotor flux observer, flux and speed double closed loop system. Finally, has completed the design of control system and gives the diagram. MATLAB/Simulink on the system modeling and simulation.Key words：Three-Level Inverter; Asynchronous Motor; rotor field oriented control; MATLAB simulation目录摘要 ................................................................................................ 错误!未定义书签。

电机控制系统的计算机仿真课程设计题目：感应电机磁链观测器仿真分析年级：电机与电器（10级硕）姓名：学号：成绩：1. 概述异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，通过坐标变换，可以使之降阶并化简，但并没有改变其非线性、多变量的本质。

需要高动态性能的异步电机调速系统必须在其动态模型的基础上进行分析和设计，但要完成这一任务并非易事。

经过多年的潜心研究和实践，有几种控制方案已经获得了成功的应用，目前应用最广的就是按转子磁链定向的矢量控制系统。

要实现按转子磁链定向的矢量控制系统，很关键的因素是要获得转子磁链信号，以供磁链反馈和除法环节的需要。

开始提出矢量控制系统时，曾尝试直接检测磁链的方法，一种是在电机槽内埋设探测线圈，另一种是利用贴在定子内表面的霍尔元件或其它磁敏元件。

从理论上说，直接检测应该比较准确，但实际上这样做都会遇到不少工艺和技术问题，而且由于齿槽影响，使检测信号中含有较大的脉动分量，越到低速时影响越严重。

因此，现在实用的系统中，多采用间接计算的方法，即利用容易测得的电压、电流或转速等信号，利用转子磁链模型，实时计算磁链的幅值与相位。

利用能够实测的物理量的不同组合，可以获得多种转子磁链模型。

本文在此基础上给出了转子磁链的电流模型和电压模型，并利用MATLAB 软件进行了建模和仿真分析。

2. 原理分析2.1计算转子磁链的电流模型根据描述磁链与电流的关系的磁链方程来计算转子磁链，所得出的模型叫作电流模型。

电流模型可以在不同的坐标系上获得。

1．在两相静止坐标系上的转子磁链模型在二相同步旋转坐标系上的电压方程为sd sd s s 1s m 1m sq sq 1s s s 1m m rd rd m 1m r r s r rq rq s m m s r r r u i R L p L L p L u i L R L p L L p u i L p L R L p L u i L L p L R L p ωωωωωωωω+--⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥+⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥-+-⎢⎥⎢⎥⎢⎥+⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦（1） 由实测的三相定子电流通过3/2变换很容易得到两相静止坐标系上的电流 i s α和i s β，又有转子磁链在α，β轴上的分量为r αm s αr r αL i L i ψ=+ （2）r βm s βr r βL i L i ψ=+ （3）可得r αr αm s αr1()i L i L ψ=- （4） r βr βm s βr 1()i L i L ψ=- （5）又由式（1）的α β坐标系电压矩阵方程第3，4行，并令 u αr = u βr = 0 得m s αr r αm s βr r βr r α()0L pi L pi L i L i R i ω++++= （6）m s βr r βm s αr r αr r β()0L pi L pi L i L i R i ω+-++= （7）或r αr βr αm s αr1()0p L i T ψωψψ++-= （8） r βr αr βm s βr 1()0p L i T ψωψψ-+-= （9） 整理后得转子磁链模型()r αm s αr r βr 11L i T T p ψωψ=-+ （10） ()r βm s βr r αr 11L i T T p ψωψ=++ （11） 按式（10）、式（11）构成转子磁链分量的运算框图如下图所示。

一种机器人用新型异步电机定子磁链观测器曾欣（宜宾职业技术学院，四川宜宾644003）来稿日期：2020-01-19基金项目：四川省教育厅科研项目（16ZB0550）作者简介：曾欣，（1979-），男，四川宜宾人，本科，讲师，主要研究方向：材料成型与控制、模具设计和机械设计的研究1引言随着工业的发展，机器人广泛应用于各个领域。

在机器人构件上，各转动部分多采用电机作为动力驱动。

由于机器人在执行某些特定工作的过程中，会经常使得电机反复启停或者正反转，因此，在实际工业应用上会出现电机位置精度不准、执行动作误差大甚至失效等现象。

为此，以某一工业机器人转动臂中的异步电机为研究对象，对其定子磁链观测器算法展开研究，以获得更好的控制效果。

定子磁链观测器是实现异步电机直接转矩控制、高精度无位置传感器矢量控制的重要基础，因此，实现定子磁链的高精度观测具有重要意义。

常用的异步电机定子磁链观测方法主要包括电压模型法和电流模型法两种。

传统的电压模型定子磁链观测器实现简单，对电机参数的依赖性较小，但是其所使用的纯积分运算易受积分初始值和积分漂移的影响。

传统的电流模型定子磁链观测器虽然克服了电压模型法的缺点，但是却需要已知电机的励磁电感等电气参数，从而对参数的依赖性较强。

当电机分别在基速以下的恒转矩区和基速以上的恒功率区运行时，由于磁路饱和程度不一致，励磁电感将会发生非线性变化，从而影响定子磁链的观测精度。

文献[1-5]分别研究了不同的改进型电压模型定子磁链观测方法。

文献[1]提出了三种递进的改进型定子磁链观测方法，相比前两种方法，所提的第三种方法可实现较准确的定子磁链观测。

文献[2-3]研究了采用低通滤波器代替积分的改进型电压模型定子磁链观测方法，但是该方法对直流偏量的抑制能力有限。

文献[4]研究了采用高通滤波器代替积分的改进型电压模型定子磁链观测方法，但是该方法受电机3次、5次、7次等低次谐波的影响。

文献[5]研究了采用带通滤波器代替积分的改进型电压模型定子磁链摘要：异步电机因其成本低、可靠性高、维护方便等优点而在伺服系统、机器人驱动等领域得到广泛应用。