论文总字数：15389字

摘 要

提出了一种改进的全阶状态观测器对转速和定子电阻同时观测方案。采用小信号线性化方法来分析稳定条件,将两相静止坐标系中的观测器输出误差系统变换到转子磁场旋转坐标系中,通过推导出单输入、单输出误差系统来得到满足观测器稳定性的误差反馈矩阵条件。采用了一种改进的定子电阻自适应率以提高观测器的鲁棒性。通过对11kW感应电机无速度传感器转子磁场定向矢量控制实验,验证了方案的有效性。

关键词：感应电动机;转速估计;定子电阻;自适应;全阶观测器;实验

Flux observer design of induction motor based on stator resistance adaptive adjustment

Abstract

An improved full order observer was proposed to estimate speed and stator resistance synchronously.Stability of the speed estimator is analyzed adopting small sign all in earized mode.The observer error system was translated into synchronous reference frame.Then the error feedback gain matrix could be designed through the single in put and single out put error system to satisfy the stability conditions.An improved adaptive mechanism was presented to improved robustness of the observer. The feasibility of the proposed scheme is verified by the experimental results of speed sensorless field oriented vector controlled 11 k W induction motor.

Keywords：Induction motor ; Speed estmiation ; Stator resistance ; Adaptation ; Full order observer ; Expermien

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 引言 4

1.1 磁链观测器的国内外研究现状 4

1.2 课题来源 4

1.3 研究磁链观测器的目的和意义 6

1.4 研究思路和技术方法 6

第二章 磁链观测器概述 8

2.1磁链观测器的概念 8

2.2 磁链观测器分类 8

2.2.1 电流型观测器 8

2.2.2电压型观测器 10

2.2.3改进电压型观测器 11

2.2.4新型转子磁链观测器的设计 12

2.3 磁链观测器的设计原理 13

2.3.l.状态估计方程 13

2.3.2构建状态现测器 14

2.3.3转速自适应规律 16

2.3.4观测調框国及:増益矩阵 K的确定 16

第三章 磁链观测器设计 17

3.1转速自适应观测器设计 17

3.2定子电阻自适应观测器设计 19

3.3实验结果分析 20

3.4实验结论 21

参考文献 23

致 谢 25

第一章 引言

1.1 磁链观测器的国内外研究现状

目前，大功率交流调速应用领域，交-直-交变频同步电动机调速技术已得到了广泛应用，其控制系统多采用矢量控制系统。矢量控制技术能够有效发挥作用的前提是，要能准确的捕获到电动机的磁链信息。因为无论是要进行磁场的定向控制，还是要进行磁链的闭环控制，都必须要时刻清楚的掌握磁链的位置与大小。因此，很有必要对磁链的检测方法进行研究。

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。

1.2 课题来源

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。通过异步电机定子侧电压、电流，以及转子转速等电机运行参数，通过实时计算得到转子磁链的准确位置和大小，这种技术就是磁链观测器，在矢量控制中，常用的转子磁链观测器有电压模型和电流模型两种。以及基于这两种模型的若干种改进的算法。本文将论述磁链观测器的实现方法以及优缺点比较。 

同时在高性能的异步电机矢量控制系统中，转速信息的获取是必不可少的。电机速度信息的辨识方法，分为直接法和间接法。直接法就是通过电子式或机电式速度传感器，如霍尔效应器件 (HALL)、光学编码器、旋转变压器等，以及处理电路、处理软件等来获取电机速度信息。间接法就是通过测量电机的定子电流、定子电压等信号，根据电机的模型间接估计辨识电机的转速信息。然而由于速度传感器的安装给系统带来了一些缺陷。同时在一些应用场合并不能安装测速原件，而在感应电机速度闭环控制中需要电机转速信息，一些矢量控制策略中也需要知道电机转速。在理论上通过感应电机的电压和电流可以实时计算出电机的转速的理论，从而可以不需要速度传感器实现磁场定向控制和速度闭环控制，即无速度传感器控制。从高精度及可实用化的角度出发，闭环的转速估算方法中的PI自适应控制器法和模型参考自适应系统法（MRAS）法较容易实现。本文将着重对各种MRAS方法的转速辨识进行比较。 

电机的参数辨识主要包括电机起动前的离线辨识和在线辨识两个方面，前者是指在控制系统设计初期，通过一系列的实验得到需要得到异步电动机的定、转子电阻，定、转子之间的互感，定、转子漏感，转动惯量等参数。在异步电机矢量控制中，定子电阻和转子时间常数（主要是转子电阻）等电机参数是磁链观测和转速辨识的依据。而它们随电机温度和工况变化的变化量可以达到原值的0.75到1.5倍，因此电机参数的在线动态辨识尤为重要，如果不及时补偿，会带来估计误差并进而使得系统性能恶化。本文将论述，如何辨识转子电阻以提高磁链观测的精度。 

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