异步电机磁链观测器设计及收敛性分析

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。

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。

异步电机定子磁链的间接观测方法
谢鸿鸣;陈伯时
【期刊名称】《电气传动》
【年(卷),期】1999(029)001
【摘要】磁场控制是实现高性能交流调速方法（矢量控制、直接转矩控制等）的基础。

目前，为了尽可能地减少调速系统对电机参数特别是转子参数的依赖，提高控制系统的鲁棒性，按定子磁场控制的磁场控制法已越来越得到重视。

磁场控制的关键是磁链的正确计算，本文仔细分析了目前常用的几种异步电机定子磁链的观测方法，讨论了各自的实质及其优缺点，通过数值仿真对其误差收敛性及由参数变化造成的观测误差进行了定量分析。

【总页数】5页(P11-15)
【作者】谢鸿鸣;陈伯时
【作者单位】上海大学;上海大学
【正文语种】中文
【中图分类】TM343.033
【相关文献】
1.异步电动机定子磁链观测方法研究 [J], 姬宣德;魏红彬;辛伊波
2.异步电机定子磁链观测方法的改进研究 [J], 刘刚;林都;任一峰;赵敏
3.直接转矩控制中一种改进的定子磁链观测方法的研究 [J], 杨惠;钟彦儒;徐艳平;牛剑博
4.一种基于二阶广义积分器的永磁同步电机定子磁链观测方法 [J], 杨朋朋;王若飞
5.异步电机直接转矩控制系统中定子磁链的观测方法 [J], 杜静;韩如成
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异步电机反馈线性化二阶滑模定子磁链观测器设计潘月斗;陈涛;郭映维【期刊名称】《控制理论与应用》【年(卷),期】2016(33)11【摘要】In order to improve the observation accuracy of stator flux of induction motors, a second-order sliding mode flux estimation method based on feedback linearization is proposed. A stator flux observer is designed and applied for direct torque control (DTC) of induction motors. The rotor flux is selected as the system’s output to estimate the flux more accurately, the induction motor system is input-output linearized by using the differential geometry theory, and the feedback linearization model with rotor flux as output is obtained. On this basis, a rotor flux second-order sliding mode observer is designed based on Super-twisting algorithm to estimate rotor flux, and this paper analysis the stability of the designed observer. By using the relationship between the stator flux and the rotor flux to estimate the stator flux. The observer is applied to DTC of induction motors and achieves a good control performance. Simulation and experiment results verify the feasibility and effectiveness of the proposed method.%为了提高异步电机定子磁链的观测精度，提出了基于反馈线性化的二阶滑模磁链观测方法，设计了定子磁链观测器，并应用到异步电机直接转矩控制中。

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。

异步电机磁链观测器原理在现代工业中，异步电机可谓是个“中流砥柱”，可劲儿地带动着各种设备运转。

你想啊，像是工厂里的传送带，电梯，甚至是咱们的洗衣机，背后都是它们默默奉献的身影。

不过，电机在运转的时候，磁链的变化可是个“高深莫测”的问题。

今天咱们就来聊聊这神秘的异步电机磁链观测器。

说到磁链，大家可以想象成电机里的“气氛”，它就像是电机工作的灵魂。

没有了它，电机就失去了动力，浑身无力。

它的变化，直接关系到电机的性能，像是咱们的心情，一会儿高兴一会儿失落。

为了让电机高效运转，咱们得时刻关注磁链的变化。

这时候，磁链观测器就派上用场了，它就像是个细心的小助手，随时为电机的“情绪”把脉。

那磁链观测器到底是怎么工作的呢？它通过一些传感器，实时监测电机的电流和电压，把这些信息“传达”给控制系统。

就好比你在家里装了个智能家居，随时可以了解家里的动静。

通过这些数据，观测器可以算出电机里的磁链状态，保证电机能在最佳状态下运行。

这简直就像是为电机打了一针“强心剂”，让它充满活力。

说白了，磁链观测器的目的，就是为了“减负”，让电机在运行时不至于过载。

你想，电机就像人一样，如果压力太大，迟早会出问题。

磁链观测器通过监测，及时调整电机的工作参数，避免出现过热、过载等现象。

这样一来，电机的寿命就能延长，真是“省心又省力”。

可见，这小小的观测器在电机中扮演的角色可不简单。

异步电机的工作原理就像是一场“舞蹈”，电流与磁场的互动，使得电机可以旋转。

磁链就像是舞蹈的节奏，必须时刻保持在一个合适的范围内。

要是节奏乱了，整个舞蹈就会变得四不像。

磁链观测器就像是舞台上的指挥，随时调整节奏，确保电机的旋转流畅自然。

磁链观测器还可以帮助我们“预见”未来。

通过对电机运行数据的分析，它能判断电机是否有故障的风险。

这简直是“未雨绸缪”的典范，提前处理问题，绝对是个聪明的选择。

这样一来，工厂的生产效率就不会因为电机故障而受影响，简直就是给企业“保驾护航”。