感应电动机磁链观测模型的应用
异步电动机转子磁链观测方法的比较与研究
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。
基于有效磁链观测器的内置式永磁同步电机的无差拍直接转矩控制
基于有效磁链观测器的内置式永磁同步电机的无差拍直接转矩控制文婷;张兴华【摘要】To improve the performance of permanent magnet synchronous motor drive system,a speed-sensorless deadbeat direct torque control (DB-DTC) of interior permanent magnet synchronous motor (IPMSM) was presented.Based on the discrete model of the motor,the deadbeat voltage control law of the torque and flux linkage was derived.By employing a graphical analysis method,the physical meanings of the voltage vector solution were explained clearly.The speed sensorless control of IPMSM was realized by combining the DB-DTC and the speed estimation method which based on the active flux observer.Simulation results verified the effectiveness of the proposed method.%为提高永磁同步电机驱动系统的性能,提出一种无速度传感器内置式永磁同步电机(IPMSM)无差拍直接转矩控制方法.在建立电机离散化模型的基础上,导出了转矩与磁链的无差拍电压控制律.采用图形化辅助解析的方法,直观地表达了无差拍直接转矩控制电压矢量解的物理含义.将无差拍直接转矩控制与基于有效磁链观测器的速度估算方法相结合,实现了IPMSM的无速度传感器控制.仿真结果验证了该方法的有效性.【期刊名称】《电机与控制应用》【年(卷),期】2017(044)005【总页数】5页(P27-31)【关键词】内置式永磁同步电机;无差拍直接转矩控制;空间矢量调制;有效磁链;无速度传感器【作者】文婷;张兴华【作者单位】南京工业大学电气工程与控制科学学院,江苏南京211816;南京工业大学电气工程与控制科学学院,江苏南京211816【正文语种】中文【中图分类】TM351永磁同步电机具有体积小、可控性好、调速范围广和功率因数高等一系列优点，在工业中获得了广泛应用。
电励磁同步电机两种综合磁链模型观测器
电励磁同步电机两种综合磁链模型观测器戴鹏;付凤超;符晓;伍小杰;周二磊【摘要】针对电流模型存在对电机参数较敏感,电压模型存在积分初始值偏差和直流偏置问题,结合二者各自优点,提出了两种综合磁链模型.切换模型综合基于锁相环的电压模型和电流模型的优点,磁链幅值和角度分别利用加权方法过渡;混合模型使纯积分环节处于反馈环内,并且电压模型输入结果经高通滤波器,电流模型输入结果经低通滤波器,二者自然过渡.使系统在低速度段使用电流模型,高中速度段使用电压模型,并使两种模型平滑过渡,使之形成适合于全速范围内的磁链观测模型.通过理论分析和仿真研究,两种综合磁链模型均能达到预期效果.%Current model is sensitive to the motor parameters, and there is initial value of the integral deviation and DC bias in voltage model. Two methods of complex flux mode were presented which with the advantages of current model and voltage model. Switching model takes good advantage of both the voltage PLL-based and current model, the flux amplitude and angle, respectively, change from one state to the other using the weighted method)the pure integrator is in the feedback loop in the hybrid model,its outcomes export through a high-pass filter,the results of the current model export through the low-pass filter. Current model works alone in low-speed, while the voltage model working in medium and high speed,and the transition between there two models is smooth. Making the flux observer is suitable for full-speed segment. Both of complex flux models can achieve the desired results through theoretical analysis and simulation.【期刊名称】《电气传动》【年(卷),期】2011(041)010【总页数】4页(P12-14,20)【关键词】电励磁同步电机;切换模型;混合模型;Matlab/Simulink【作者】戴鹏;付凤超;符晓;伍小杰;周二磊【作者单位】中国矿业大学信电学院,江苏,徐州,221008;中国矿业大学信电学院,江苏,徐州,221008;中国矿业大学信电学院,江苏,徐州,221008;中国矿业大学信电学院,江苏,徐州,221008;中国矿业大学信电学院,江苏,徐州,221008【正文语种】中文【中图分类】TM912.2如何准确获取电励磁同步电机气隙磁链是对其矢量控制及直接转矩控制的基础。
基于静态补偿电压模型的改进转子磁链观测器
基于静态补偿电压模型的改进转子磁链观测器宋文祥;阮智勇;尹赟【摘要】为解决纯电压模型磁链观测器存在的积分漂移和饱和问题,常采用低通滤波器代替纯积分器.针对传统低通滤波器磁链观测方案的不足,本文提出一种改进的转子磁链观测方案,采用串联低通滤波器提取直流偏置得到理想的转子反电势,然后用可编程低通滤波器代替纯积分器,并在反电势低通滤波前补偿磁链误差.所提出的观测器可以有效消除直流偏置的影响,提高磁链观测的动态精度并改善系统的动态性能.在一台2.2kW感应电机无速度传感器矢量控制系统上对本文提出的改进转子磁链观测器方案进行了仿真和实验研究,结果验证了其正确性和有效性.%In the pure voltage model based flux observer, a LPF is normally used to replace the pure integrator to a-void integration drift and saturation problems. In order to eliminate the DC offset efficiently and compensate the error brought about by LPF as well as improve the dynamic performance, a modified rotor flux observer is proposed in this paper. In the proposed scheme, series LPF is used to remove the DC drift firstly, then a programmable LPF is used instead of the pure integrator, and the amplitude and phase error is compensated before the back EMF filtered for the flux estimation. Simulation and experiment based on induction motor speed sensor-less vector control systems verified its correctness and effectiveness.【期刊名称】《电工电能新技术》【年(卷),期】2012(031)004【总页数】5页(P19-23)【关键词】磁链观测器;电压模型;低通滤波器;直流偏置;矢量控制【作者】宋文祥;阮智勇;尹赟【作者单位】上海大学机电工程与自动化学院,上海200072;上海大学机电工程与自动化学院,上海200072;上海大学机电工程与自动化学院,上海200072【正文语种】中文【中图分类】TM343感应电机矢量控制和直接转矩控制系统中，准确观测磁链是获得高性能控制的关键。
混合永磁记忆电机磁链观测器设计与协调控制研究
混合永磁记忆电机磁链观测器设计与协调控制研究混合永磁记忆电机磁链观测器设计与协调控制研究摘要：混合永磁记忆电机是一种新型的永磁电机，具有高效率、高转矩密度和高温度适应性等特点，因此在各种工业应用中具有广泛的应用前景。
本文针对混合永磁记忆电机的磁链观测和协调控制问题进行了研究。
引言：混合永磁记忆电机是将传统的永磁电机和磁阻电机相结合的一种电机结构。
混合永磁记忆电机通过改变磁阻转子的磁导率来改变磁链的分布，从而实现电机的调速调扭矩等运行模式的切换。
然而，由于混合永磁记忆电机的结构复杂，磁链观测和协调控制成为实现其性能优化的关键问题。
1. 混合永磁记忆电机磁链观测器设计磁链观测是实现混合永磁记忆电机控制的基础，通过观测磁链，可以实时了解电机的状态和运行情况。
本文设计了一种基于滑模观测器的混合永磁记忆电机磁链观测器。
通过构建动态系统磁链模型和采用滑模控制策略，实现了对电机磁链的准确观测和估计。
2. 混合永磁记忆电机协调控制研究混合永磁记忆电机的协调控制包括速度控制和转矩控制两个主要方面。
在速度控制方面，本文采用了模型参考自适应控制算法，通过建立速度控制器和混合永磁记忆电机转子磁链的数学模型，以提高电机的调速性能。
在转矩控制方面，采用了基于磁链观测器的滑模控制策略，实现对电机输出转矩的精确控制。
3. 实验验证与性能分析通过搭建混合永磁记忆电机实验平台，进行了磁链观测和协调控制的实验验证。
实验结果表明，设计的磁链观测器能够准确观测和估计电机磁链的变化，实现对电机状态的实时监测。
同时，在协调控制方面，模型参考自适应控制算法和滑模控制策略能够有效地提高电机的调速性能和转矩控制精度。
结论：本文研究了混合永磁记忆电机磁链观测和协调控制问题，设计了一种基于滑模观测器的磁链观测器，并采用模型参考自适应控制算法和滑模控制策略实现了对电机的控制。
实验结果验证了所提出方法的有效性和性能优势，为混合永磁记忆电机的实际应用提供了理论和方法支持。
基于电压电流混合模型的新型磁链观测器
基于电压电流混合模型的新型磁链观测器时维国; 桑尧尧【期刊名称】《《电机与控制应用》》【年(卷),期】2019(046)007【总页数】6页(P14-19)【关键词】永磁同步电机; 磁链观测器; 混合模型; 直接转矩控制【作者】时维国; 桑尧尧【作者单位】大连交通大学电气信息工程学院辽宁大连116028【正文语种】中文【中图分类】TM3510 引言永磁同步电机(PMSM)具有多变量非线性强耦合等特点。
为了应用于生活中，需要更加快速且稳定地控制电机。
直接转矩控制(DTC)是利用逆变器输出电压矢量直接控制电机定子磁链和电磁转矩的控制方法。
在DTC中，直接控制定子磁链和电磁转矩，定子磁链和电磁转矩的估计精度影响整个控制系统的性能；同时，电磁转矩的计算需要PMSM定子磁链，即PMSM电磁转矩的控制精度取决于对电机定子磁链观测的准确度[1-2]。
因此，对定子磁链的观测是直接转矩系统中非常重要的一环。
文献[3]采用低通滤波器来代替传统电压模型观测方法，导致了观测定子磁链的幅值和相位出现误差。
文献[4]提出对定子磁链进行限幅，然后加入高通滤波器来对磁链幅值进行补偿，但无法解决相位偏移问题。
文献[5]采用新型纯积分方法在线辨识磁链，方法简单，易于实现，但在低速区性能较差。
文献[6]提出采用锁相环的改进电压模型磁链观测器，基本上解决了直流偏置和积分初始值偏差问题，但在低速阶段，电机定子电动势受电阻压降影响大，测量误差较大，改进电压模型不能准确测量定子磁链。
基于精确的电机数学模型、采用降阶状态观测器取代传统电压模型观测定子磁链[7]，或用于异步电机的基于扩展卡尔曼滤波的定子磁链观测器观测定子磁链[8]，或采用模型参考自适应方法辨识定子磁链[9]，均取得了较好的观测效果，但是上述方法中的观测器结构复杂。
文献[10]引入一阶低通滤波器与一阶高通滤波器的串联结构，来消除电压模型磁链观测器的直流偏置和积分初值设置问题，并通过补偿环节补偿滤波器引入的幅值和相位误差。
永磁同步电机永磁磁链自适应观测器设计方法
永磁同步电机永磁磁链自适应观测器设计方
法
永磁同步电机是一种新型的高效率驱动器，在工业生产和交通运
输领域发挥着越来越重要的作用。
永磁磁链自适应观测器是永磁同步
电机矢量控制系统中的重要部分，其作用是实时地测量电机转子位置、速度和加速度等关键参数，以便实现精准控制。
永磁磁链自适应观测器的设计方法主要包括以下几个方面：首先，通过对永磁同步电机的控制系统结构和工作原理进行深入研究，建立
数学模型，推导出永磁磁链动态方程和观测器动态方程，从而建立起
永磁磁链自适应观测器数学模型；其次，根据已建立的数学模型，采
用自适应滤波器算法进行观测器状态估计，实时地测量永磁磁链的变
化情况，并将观测结果反馈给系统控制器，以保证永磁同步电机的稳
定运行；最后，通过实验验证和仿真分析等手段，对所设计的永磁磁
链自适应观测器进行性能评估和优化，进一步提高永磁同步电机的工
作效率和精度。
总之，永磁磁链自适应观测器是永磁同步电机控制系统中的重要
环节，其设计方法和优化策略对于提高永磁同步电机的性能具有重要
的意义和价值。
PMSM DTC控制系统中定子磁链观测器的研究
的磁链矢量ϕ 的值就会减小并向逆时针旋转，直到重新与反电势正交。当 γ 角小于 90°时分
析方法相似。因此自适应积分器可以自动调整补偿磁链的幅值来达到消除直流偏移量的目 的。
-3-
β emf α
γ
ϕ2 ϕ2'
γ
PMSM DTC 控制系统中定子磁链观测器的研究
李钊，杨贵杰，李铁才，徐振刚
哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，黑龙江哈尔滨 (150001)
E-mail：stephenlz@
摘 要：针对直接转矩控制系统定子磁链观测器中积分环节对直流偏移量的积累误差问题， 以及在低速情况下观测结果受定子电阻变化影响较大的问题，提出了一种新型的基于改进型 积分器法并对定子电阻进行补偿的定子磁链观测器，该方法结构简单，易于工程实现。 Matlab/Simulink 仿真和实验表明，采用此方法的直接转矩系统能够在较宽的速度内运行，对 直流偏移量有很好的抑制效果，并且对定子电阻的变化具有较强的鲁棒性。 关键词：直接转矩控制；定子磁链观测；改进型积分器；定子电阻补偿 中图分类号：TM351
-2-
由于电机的机电时间常数远大于电磁时间常数，使得定子磁链瞬时转速变得比转子磁链 转速大，造成定转子磁链之间夹角瞬时增加，转矩迅速增大，反之亦然。这说明了磁链运行 状态是时进时退的，这样在磁链基波信号上必然会叠加上高频信号。另外，直接转矩控制中 反电势是通过定子绕组外加电压减去电阻压降求得的，定子绕组外加电压为六个电压矢量组 成的跳变信号，而电机中由于电感的作用电流为连续值，所以它们的差反电势为非连续的跳 变信号。
ϕ1
ϕ
ϕ'
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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
模型参考自适应（Model Reference Adapt System，MRAS）是由不含未知参数的方程作为参考模型和含有待估计参数的方程作为可调模型之差，构成自适应律，使得参考模型和可调模型输出误差接近零[4]。
根据参考模型和可调模型的不同选择，有多种MRAS方法，包括反电动势模型MRAS法、无功功率模型MRAS法以及转子磁链模型MRAS法[5]。
由于反电动势模型MRAS法在低速时反电动势很小，并且在转速过零时变化缓慢，对定子电阻的变化敏感，导致估计不准确甚至不收敛。
为了消除定子电阻等电机参数变化的影响，人们提出了无功功率模型MRAS法，虽然它的参考模型和可调模型都不含有定子电阻，但是它是以发电模型下的稳定性为代价，所以应用最多的是以电压模型作为参考模型，将含有转速信息的电流模型作为可调模型的经典MRAS法[6]，即转子磁链模型MRAS法。
式中，ωs为电动机转差速度，isM、isT为M-T轴定子电流，Tr为转子电磁时间常数，Tr=Lr/Rr，Rs、Rr为定转子电阻，usα、usβ为定子电压在α-β轴上的分量，ψrα、ψrβ为转子磁链在α-β轴上的分量，ψr为转子磁链，p为积分算子。
1.3 全阶磁链观测模型
虽然MRAS模型的实用性较强，但是还是存在一些积分初值和零点漂移的问题，这些问题在电机运行于低速环境时变得异常严重，所以采用低通滤波器来替代积分器，消除积分器的直流偏移问题，但同时又引入了转子磁链幅值和相位的计算误差，为此一些学者又提出了全阶磁链闭环观测器[7]。
全阶磁链观测器提高了磁链的观测精度，不存在弱磁的局限，能够很好地实现带速的平稳启动，且具有对参数变化的自适应能力和对参数误差的鲁棒性[8]。
在实际应用中，存在两种全阶磁链观测器[9]：一种以定子磁链和转子磁链为状态变量的观测器，此种观测器在直接转矩控制中應用比较多。
在矢量控制中以定子电流和转子磁链为状态变量的全阶磁链观测器。
在两相静止坐标α-β下中，以定子电流和转子磁链为状态变量建立模型方程。
观测定子电流和转子磁链的全阶磁链状态观测器，描述
式中，“*”表示估计值，ωr*为转子转速观测值。
G为误差反馈增益矩阵，观测器最后一项是包含电机输出电流和观测器输出电流的纠正项，增益矩阵G起到加权矩阵的作用，用于校正观测所得的转子磁链状态变量，G具有普遍性，适合于任何型号的异步电机。
其简化矩阵为
G的选取非常关键，为了加快观测器的收敛速度，其值应取大，但不能太大，不然会使系统对于干扰信号过于敏感，降低系统的稳定性。
2 实验结果
本试验交流传动控制系统的控制器由定点32位DSP TMS320F2812组成。
驱动部分采用三菱IPM PM25RLA120作为功率输出模块，外带温度传感器，能够对欠压、过流、过压、过温保护信号做出快速响应，两个电流传感器采用霍尔传感器HY15检测A、B相电流，齿盘型1024脉冲/转的光电脉冲编码器测量实际速度。
负载采用1.9kW的发电机带大功率单项可调电阻作为模拟负载方式。
实验三相感应电机参数：pN=2.2kW，uN=380V，IN=5A，nN=1420r/min，p=2，Rs=2.9Ω，Ls=0.245H，Lr=0.253H，Rr=2.1Ω，Lm=0.238H。
电机实验测量转子磁链大小约为0.75 Wb，实验结果曲线横轴单位是14毫秒/格，纵轴为0.225Wb/格。
采用改进电压模型的转子磁链模型观测出转子磁链大概为0.7Wb，如图1所示。
采用模型参考自适应法（MRAS）的转子磁链模型观测出磁链大概为0.855Wb，比基准值大13%，如图2所示。
采用全阶磁链观测器观测出转子磁链为0.78Wb，如图3所示。
图1的准确性比较高，全阶磁链观测方法图3精度更高。
3 结论
本文对改进电压模型、MRAS模型、全阶磁链观测模型进行了理论分析与实验。
虽然磁链观测方法有很多种，但是仍然有许多问题需要解决，如参数估计的精度、对参数变动的鲁棒性以及系统的稳定性等，在具体的应用中权衡其利弊，选择合适的方案。
参考文献
[1] 陈伯时.交流电机变频调速讲座第七讲按转子磁链定向的异步电动机矢量控制系统[J].电力电子，2008（1）：42-47.
[2] 王高林，陈伟，杨荣峰，等.无速度传感器感应电机改进转子磁链观测器[J].电机与控制学报，2009，13（5）：638-05.
[3] 周二磊，符晓，王珂，等.基于混合磁链模型的电励磁同步电动机矢量控制研究[J].变频器世界，2011（1）：56-04.
[4] 张爱民.无速度传感器感应电机控制系统转速辨识方法研究[J].现代电子技术，2011，34（6）：208-03.
[5] 陈世军，高军礼.基于TMS320F2812的无速度传感器变频调速系统的设计与实现[J].机床与液压，2012，40（13）：59-03.
[6] 尹忠刚，刘静，钟彦儒，等.基于双参数模型参考自适应的感应电机无速
度传感器矢量控制低速性能[J].电工技术学报，2012，27（7）：124-07.
[7] 张继勇，袁如明，蒋步军.基于全阶闭环磁链观测器的感应电动机直接转矩控制[J].电气自动化，2007，29（4）：14-04.
[8] 李立明，刘忠举.基于全阶磁链观测器的异步电机无速度传感器矢量控制系统[J].船电技术，2011，31（3）：42-03.
[9] 李祥飞，邹莉华.基于全阶磁链观测器的间接转矩控制研究[J].电力电子技术，2007，41（9）：33-35.。