论文总字数：24532字

摘 要

感应电机在工业领域中广泛被应用，得益于结构简单、成本低廉和运行稳定等优点。无速度传感器的矢量控制技术对异步电机的高性能控制起到了重要的作用，由于不需要额外装设速度传感器，在降低系统成本的同时，也提高了系统控制的可靠性与鲁棒性。

精确地观测磁链与转速辨识是无速度传感器技术的关键，准确的磁链观测对于实现快速转矩响应等高性能控制具有重要的意义，在电机交流调速系统中被广泛应用的是直接转矩控制和矢量控制。通过确定转子磁链的大小和位置来实现矢量控制。直接检测和间接计算是测量磁链的两种方法。但直接检测由于技术、成本等因素，没有广泛应用。间接计算磁链的优势凸显。磁链观测器通过易于测量的物理量来模拟出电机内部的磁链变换。

本文首先对感应电机磁链观测器的研究现状、转速辨识技术与矢量控制技术进行了理论介绍，建立起感应电机在不同坐标系下的数学模型，得到了按转子磁场定向的感应电机数学模型。接着分析传统电压型观测器纯积分环节存在的直流偏置与积分初值导致误差的原因，提出三种基于滤波的改进电压型磁链观测器。并设计出具有转矩内环的转速、磁链矢量控制，将两者结合就组成了感应电机的控制系统。然后在Matlab/Simulink中建立起滤波反电势的磁链观测器的模型与按转子磁场定向的双闭环矢量控制系统。然后分析了磁链观测器的反馈控制参数及滤波系数对电机控制系统运行的稳定性、收敛性与磁链观测、转速辨识精确度的影响。最后对该模型的正确性及稳定性进行仿真测试并且通过多组对比实验考查了滤波环节与反馈控制环节对于电机控制系统运行的影响，仿真结果验证了该方法的可行性。

关键词：感应电机 电压型磁链观测器 矢量控制 低通滤波

Analysis and Design of Induction Motor Flux Observer Based on Filtered Back EMF

Abstract

Induction motors are widely used in the industrial field, benefiting from the preponderance of plain structure, low cost and stable operation. The speed sensorless vector control technology acts a pivotal part in the high-performance control of asynchronous motors. Since no additional speed sensor is needed, it reduces the system cost and improves the reliability and robustness of the system control.

Accurate observation of flux linkage and speed identification are the key to speed sensorless technology. Accurate flux linkage observation is of great significance for achieving high-performance control with instant torque response. Direct torque control and vector control are widely used to control AC motor. Direct torque control also requires flux linkage information. Direct detection and indirect calculation are two methods of measuring flux information, but direct detection is not widely used in practice due to technology and cost. The flux linkage observer simulates the flux linkage inside the motor through easily measured physical quantities.

Firstly，the theoretical research status of the induction motor flux linkage observer, speed identification technology and vector control technology are introduced. Then establish the mathematical model of the asynchronous motor in different coordinate systems, thus obtaining the mathematical model of the asynchronous motor oriented by the rotor magnetic field. Then analyze the causes of the errors caused by the DC offset and the initial value of the integral of the pure integration. The thesis discusses three improved voltage-type flux observers based on filtering. And design the speed-flux vector control with torque inner loop. The two parts regulate the whole system. By using the Matlab / Simulink, the model of the flux linkage observer with filtered back EMF and the double closed-loop vector control system oriented by the rotor magnetic field are established. The influence of filter coefficient and parameters of feedbacks are analyzed in the experiment. The simulation results verify the feasibility of the method.

Keywords: Induction motor; vector control; low pass filter; voltage-type flux observer

目 录

摘 要 1

Abstract 2

第一章 绪论 5

1.1 课题背景与意义 5

1.2 磁链观测器技术简介 5

1.2.1 电压模型 5

1.2.2 电流模型 6

1.2.3 混合模型 6

1.2.4 其他模型 6

1.3 感应电机矢量控制及转速辨识技术的发展现状 7

1.4 本文的研究内容 8

第二章 感应电机的数学模型及矢量控制 10

2.1 感应电机的数学模型 10

2.1.1 磁链方程 10

2.1.2 电压方程 11

2.1.3 转矩方程 12

2.1.4 运动方程 12

2.2 感应电机在不同坐标系下的数学模型 12

2.2.1 动态数学模型在两相静止坐标系下 12

2.2.2 动态数学模型在两相旋转坐标系下 14

2.2.3 正交坐标系下感应电机状态方程 16

2.3 按转子磁场定向的矢量控制 17

2.3.1 矢量控制原理 17

2.3.2 按转子磁链定向矢量控制方程 17

2.4 感应电机的电压型磁链观测法 19

2.5 小结 20

第三章 滤波反电势磁链观测器的设计 21

3.1 电压模型中纯积分器的误差分析 21

3.2 含有一阶低通滤波器的磁链观测器 22

3.2.1 一阶低通滤波器原理 22

3.2.2 滤波反电势的电压型磁链观测器 23

3.2.3 具有饱和反馈的磁链观测器 24

3.2.4 具有幅值补偿的磁链观测器 25

3.3 截止频率的选择 26

3.4 小结 28

第四章 磁链观测器仿真模型的搭建与性能分析 29

4.1 Matlab/Simulink工具简介 29

4.2 感应电机磁链观测器及矢量控制仿真搭建 29

4.2.1 磁链观测器模型的搭建 29

4.2.2 带有转矩内环的转速、磁链矢量控制系统设计 31

4.3 仿真数据分析 33

4.3.1 对比试验一 34

4.3.2 对比试验二 36

4.3.3 对比试验三 39

4.4 小结 42

第五章 总结与展望 43

5.1 总结 43

5.2 展望 43

参考文献 45

致 谢 47

第一章 绪论

1.1 课题背景与意义

高速化与大容量化成为当下现代化生产的主流趋势，而传统直流电动机由于其结构设计复杂、制造成本高昂、机械配备零件易于磨损等缺陷，已不再能够满足现代化生产的需求。与直流电动机不同，感应电动机由于其结构设计简单、制造成本低廉、运行过程安全、易于进行维护等出众的优势，日益得到了国内外广泛的关注。

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