【毕业学位论文】感应电机无速度传感器矢量控制系统的研究-控制工程

分 类 号 密级 U D C 编号 中 南 大 学 士学位论文 论文题目 感应电机无速度传感器矢量控制系统的研究 学科、专业 控制工程 研究生姓名 李建军 导师姓名及 桂卫华 教授 专业技术职称 彭文仙 教授级高级工程师 y 006 工程硕士学位论文 摘要 I 摘 要 目前广泛应用的感应电机高性能控制方法主要是磁场定向矢量控制和直接转矩控制。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，但是速度传感器的采用提高了成本并且带来了一些不便。 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， 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。因此，近年来感应电机的无速度传感器控制成了电气传 动领域的一个重要研究方向。 矢量控制系统的性能很大程度上依赖于电机参数的准确测量， 利用空载、堵转实验只能得到电机定转 子参数的初值，而电机的一些参数会随着温升和磁路饱和发生变化，需进行在线实时辨识。本文提出仅用电机的定子电流、电压和转速进行电机参数的辨识方法，它利用递推最小二乘法进行在线参数辨识， 该方法不需要观测得到的磁链信号，消除了磁链观测和参数辨识的耦合。 本文对参考值补偿的磁链观测器进行了改进， 使之既可以用于磁链幅值恒定的系统，又可以适用于磁链幅值变化的系统。分析了电机控制中零漂的来源， 根据转子反电势的积分有限的特性提出了一种基于反电势的零漂在线校正方法。 关键词 异步电机，无速度传感器矢量控制，转速估计，参数辨识，最小二乘法 基金项目：湖南省衡阳市2005年科技发展计划项目（2005 工程硕士学位论文 to C In C s be of of an we a in in To of on of of be by be in of on t of of is To of a to of A M is of on of is 程硕士学位论文 005s 005工程硕士学位论文 目录 录 摘要 符号说明 第一章 绪论 1 应电机无速度传感器控制的发 展及文献综述1 应电机控制的发展 1 通观测和速度辨识方法分类 2 速度传感器控制的特殊性和各 种方法之间的联系10 前研究方向 11 文研究的主要内容 14 第二章 无速度传感器矢量控制原理 16 速度传感器矢量控制 基本原理 16 链幅值变化时的磁通 观测 21 链观测中的反电势零 漂在线校正 22 流调节器的设计 26 结 30 第三章 异步电机的实时参数辨识和状态估计 31 小二乘法基本原理及其递推 算法31 机定转子参数的递推 辨识算法 33 结 400 第四章 无速度传感器控制系统实现 41 统硬件结构 41 桥多电平逆变器的死 区补偿 42 出电压检测抗混叠滤 波及滤波校正 42 桥多电平逆变器 (自动电压调整)的实现44 验结果 45 结 47 第五章 结论及展望 48 参考文献 50 附录 仿真和实验用的电机参数 54 致谢 55 作者在读书期间所取得的科研成果 56 工程硕士学位论文 符号说明 V 符号说明 约定： 1、黑体表示空间矢量。 2、空间矢量采取复数表示形式，虚数单位用 j 表示。例:静止坐标系中的定电流空间矢量表示为 = 。 3、 空间矢量的幅的表示字符和空间矢量相同， 只是字体不是黑体。 例:际上 4、无下标的空间矢量默认为是在静止坐标系中。 上标、下标及前缀、后缀: * 参考值 估计或观测的值 , 静止两相坐标系中的分量 转子磁场定向坐标系中的量 子磁场定向坐标系中的分量 g 任意旋转坐标系中的量( 任意旋转坐标系中的正交的分量 r 转子侧的量 m 励磁直路的量 前缀，表示真实感应电机中的量( 参考值 采样时间 T 矩阵的转置 工程硕士学位论文 符号说明 号量 t 时间 电压 i 电流 磁链 电磁转矩 负载转矩 角频率，角速度 转子磁链矢量角速度(电角速度表示) 滑差频率(电角频率表示) 转子转折频率(电角频率表示)，在静止坐标下= 在静止坐标下任意旋转坐标系的角速度(电角频率表示) 角度) 角度) 观测转子磁链矢量和定子电流矢量的夹角 观测转子磁链角度和真实转子磁链角度的差 k 采样时间序列 工程硕士学位论文 符号说明 机参数 定子漏电感 转子漏电感 激磁电感 转子电感 定子电感 极对数 电机以及负载的转动惯量 机械系统模型中的粘滞阻尼系数 漏磁系数 L 总漏感 = += 运算符 p 对时间求导的算子， 增量 矢量叉积 矢量点积 工程硕士学位论文 第一章 绪论 1 第一章 绪论 应电机无速度传感器控制的发展及文献综述 应电机控制的发展简述 感应电机是电气传动领域的主要角色，感应电机具有以下优点：机械坚固，制造简单，成本低，转动惯量较小，可靠性高，容易做到高转速、大容量。随着电机控制理论、电力电子技术和微电子技术的发展，在很多场合感应电机逐步由工频电源驱动转向变频器控制，并逐步取代直流调速系统。感应电机的变频控制早期采用的是开环控制方式：额定频率以下采用变压变频控制，电压和频率近似成正比变化以保持磁通恒定；额定频率以上采用恒压变频的弱磁控制。这种控制方式的动态和静态性能都较差，但是由于实现简单，现在仍广泛应用于风机和泵类等对控制性能要求不高的场合1。 随后发展起来的转速闭环滑差频率控制结构较简单， 而且性能可满足许多工业应用，但是需要转速传感器，而且由于采取基于电机稳态模型的控制方法，动态控制性能尚无法与直流电机调速系统相比。 随着电力电子技术和微处理器、数字集成电路的发展，以及 术和交流传动控制技术的理论突破，无速度传感器交流调速系统的研究成为可能2。早在 1975 年， 等人推导出基于稳态方程的转差频率估计方法，在无速度传感器控制领域作出了首次尝试， 调速比可达 10:1， 但其出发点是稳态方程，故调速范围比较小，动态性能和调速精度难以保证。其后，虽有学者在此基础上作了一些改进，但始终没有脱开稳态方程，性能总不理想。 1984 年， 于检测技术和控制芯片的实时处理能力，仅在大于 300转速范围内取得了较为令人满意的效果，但这种思想令人耳目一新。本世纪 70 年代初期， 等发明了感应电机磁场定向（ 矢量控制。在矢量控制技术的推动下，越来越多的学者将无速度传感器应用于矢量控制，这使得交流传动技术的发展又上了一新的台阶。磁场定向的矢量控制通过引入坐标变换，实现了感应电机磁通与转矩的解耦控制，使感应电机的动态性能可以与直流电机相媲美，获得了感应电机调速领域里的较广应用。但是磁场定向矢量控制对电机的参数准确性要求较高， 导致电机参数辨识和自适应控制仍是目前重要的研究方向。 本世纪 80 年代又出现了感应电机 接转矩控制）5。 制思想新颖，算法简化，直接转矩控制技术，用中间矢量的分析方法，直接在定子坐标工程硕士学位论文 第一章 绪论 2 系下计算与控制交流电机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节(制)产生 号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，瞬时控制电动力矩和定子磁通幅值。控制系统的动态响应快。 实现了产品化，如 出的 列直接转矩控制的通用变频器。 目前广泛应用的感应电机高性能控制方法主要是磁场定向矢量控制和直接转矩控制。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，但是速度传感器的采用提高了成本，并且速度传感器的安装需要改造电机的定子绕组等，从而带来了一些不便。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， 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。因此，近年来感应电机的无速度传感器控制成了电气传动领域的一个重要研究方向6。 无速度传感器控制带来了以下优点6：由于速度或位置传感器及其连线的消除；降低了系统成本；增强了控制系统的抗干扰性和可靠性；减少了电机的轴向尺寸，使感应电机的结构简单，机械坚固的优点得以充分发挥。 随着感应电机无速度传感器控制理论研究和电机控制专用 发展，感应电机高性能的无速度传感器控制的实现有了很好的硬件和软件条件， 可以以更低成本实现电机更全面的建模及更先进更复杂的观测和控制算法。 通观测和速度辨识方法分类 在无速度传感器交流调速系统的研究过程中， 人们提出了很多方法来估计转子磁场以及转子转速。在作者选取的参考文献7，这些工作可以被分为两大类。一类是使用霍尔传感器件(磁场感应线圈)或改造电机的定子绕组,这种方法要么需要附加的硬件结构，要么需要特殊改造过的电机，因此我们通常所使用的感应电机无法直接采用这种方案。第二类是利用电机方程来估计磁场和转速，这种方法显然比第一种方法容易在实际系统中使用。 基于电机方程估测磁场以及转速的方案又分为两大类。一类称为“开环方式观测器”，这种方式完全根据电机方程，而不利用任何反馈信息；另一类则为 “闭环方式观测器”，在这种方式中，反馈信息用来校正被估计量的准确性。常用的开环观测器一般包括电压模型和电流模型这两种方法。而常用的闭环观测器一般包括模型参考自适应、扩展卡尔曼滤波器、滑模变结构以及神经网络观测器等。开环观测器一般由感应电机不同形式的微分方程构造而成。 电流模型是利用可以测量的定子电流以及电机转速作为输入量。而电压模型则将测量出的定子电压和定子电流作为观测模型的输入，因为这种估算方法要用到纯积分环节，这就不可避免地在低速情况下，由于漂移及初始条件不确定性带来观测不准的情况。 在文献 11中， 作者 第一章 绪论 3 又提出了一种采用零极点对消法构造的开环观测器，这种方法也是将定子电压、定子电流以及转子转速作为输入量，而采用微分方法来替代积分方式。然而这种方法也有两个缺点，其中一个缺点是由于引入了微分环节，所以这种方式更容易受到噪声的影响。而另一个缺点是同电流模型一样都需要转速作为输入量。这两种开环观测器均需利用感应电机模型，都没有任何反馈信息来加以校正，因此这些方法对电机参数的变化都很敏感， 所以需要在无速度传感器交流调速系统中对电机自身的参数进行估测，然而这不可避免地导致整个系统的复杂性。引入反馈环节有助于对参数的变化具有更好的鲁棒性。正是基于这点考虑，闭环观测器也越来越多地引起了人们的广泛兴趣。许多学者在这方面作了许多研究工作。 在感应电机的无速度传感器控制中，磁链的观测很重要，磁链观测影响磁链的控制和转速计算。磁链观测误差会通过控制使电机的磁通偏大或偏小，从而导致电机效率降低或者过流；磁链观测的误差还影响滑差频率的计算，从而影响转速的计算精度。 本节中,作者按电机模型的理想化程度,将感应电机高性能无速度传感器控制的策略分类为基于电机理想模型的方案和基 于电机非理想特性的方案加以介绍，文中讨论的算法不包括滑差计算及补偿等基于稳态的方法；对于磁通的观测也只侧重于无速度传感器控制特有的方法。 可以从很多角度对感应电机无速度传感器控制进行分类，每一类中的方法或不同类的方法在应用中还可以组合。 电机的理想模型是指具有一些理想化假设的电机的动态方程（ 程） ，程有以下假定12：三相绕组对称，绕组产生的磁动势沿气隙圆周按正弦规律分布；只考虑电机气隙基波磁场的作用；忽略磁路饱和、磁滞和涡流；忽略绕组的集肤效应。 基于理想模型的无速度传感器控制方法在低速范围尤其在同步频率为零附近具有难以解决的稳定性问题， 于是一些学者从被忽略的电机非理想特性上寻求方法。这里所说的电机非理想特性指通常被忽略的电机的一些特性，比如磁饱和、集肤效应、齿槽效应、人造转子凸极、转子偏心等。基于这些非理想特性的方法检测电机转子位置和速度或者转子磁链的位置， 具有对电机参数变化的鲁棒性，除齿谐波方法外几种方案理论上都可以用于低速范围。本节介绍的基于电机非理想特性的方法都会不同程度地受负载或工作点影响， 对采样有较高的精度要求。 1基于理想模型的方法 (1) 开环及带补偿的磁链估计和基于此类方法的转速计算 基于电机动态方程的磁链估计方法有：开环近似积分方法13，参考值补偿方法14，观测值补偿方法15，转子反电势定向方法16，间接磁场定向和电压模型工程硕士学位论文 第一章 绪论 4 结合的方法17等。 开环近似积分磁链估计方法：转子磁通的电压模型不包含转速信息，可以用于无速度传感器控制，但它包含纯积分环节，存在初值和漂移问题：对初值误差不能收敛到零，对零漂有无限的稳态增益。解决方案之一是将输出的结果再通过一个高通滤波器将低频成份衰减。估计器的传递函数如下： =中：x 为系统的输入， y 为系统的输出， 1/s 表示纯积分环节，截止频率。 由上式可知，纯积分和一阶高通滤波的组合可以等效为一阶低通滤波环节。这种方法也称为一阶低通近似积分方法。但是，高通滤波器的引入带来了磁通检测的幅值和相位的误差。 参考值补偿的方法： 为了补偿磁通的幅值和相位变化， 而且还要是积分稳定,一些学者提出了参考值补偿（如图 1示）的方法。 =+1r考值补偿的电压模型 在参考值补偿的电压模型中， 用电压模型观测值和磁通参考值矢量通过一阶的高通滤波器和低通滤波器平滑结合起来，解决了纯积分的漂移问题，而且补偿了观测磁通的幅值和相位。如果滤波时间常数选为转子时间常数，可以使观测磁通的相位在零速附近对定子电阻变化具有鲁棒性。 观测值补偿的方法：还可以利用观测值进行补偿，如图 1示，此方法和参考值补偿的区别是用观测磁链的幅值经过坐 标变换和限幅环节来补偿低通滤波近似积分带来的观测磁链幅值和相位的误差。 +图 1测值补偿的电压模型 工程硕士学位论文 第一章 绪论 5 转子反电势定向的方法：在矢量控制中，如果转子磁通幅值保持不变,那么由0 可知 0，因此转子反电势矢量和转子磁场矢量是正交的，检测转子反电势的矢量的方向也可以实现转子磁场定向，文献 18的电势定向方法是通过估计的 d 轴转子反电势和计算的 d 轴转子反电势之间的误差来调节磁场定向，实现了无速度传感器矢量控制。但是这种 方法的前提要保证转子磁通的幅值不变，在这种条件下，才有转子磁链矢量和转子反电势矢量正交。 两种磁场计算用高低通滤波器结合的方法19： 用磁场定向坐标系中计算的同步频率构成一种新型的 接矢量控制） ，把 算的转子磁通和电压模型计算出的转子磁通用高通滤波器和低通滤波器结合起来， 解决了电压模型的积分稳定性问题， 并且用 算的磁链补偿了电压模型计算的磁链经过高通滤波器引起的幅值和相位的变化。 开环磁通估计及带补偿的方案中转速的计算20： 转速可以直接用同步频率减去滑差求出，也可以在闭环跟踪磁场的角度的过程中通过调节器得到。磁场角度有几种跟踪方法：文献 21中的磁链角度闭环跟踪的方法是在假定坐标系中计算电压模型得出的磁通的 q 轴分量，通过 节器调节同步频率使观测的 q 轴的磁链为零，调节器输出为同步频率，同步频率经过积分跟踪磁链的角度，转速通过同步频率减去滑差得到。文献 22的方法中用 q 轴电流的偏差调节同步频率或转速，同步频率经过积分跟踪磁场角度。 （2）模型参考自适应法（ ： 3（ 法辨识参数的主要思想是将含有待估计参数的方程作为可调模型，将不含未知参数的方程作为参考模型，两个模型具有相同物理意义的输出量。 利用两个模型输出量的偏差根据一定自适应率来实时调节可调模型的参数。用 法可以辨识电机的转速，实现无速度传感器控制。参考模型和可调模型的选择不同可以有多种 法： 1) 文献 24提出的基于电压模型和电流模型的 法，以电压模型为参考模型， 电流模型为可调模型。 为了在电压模型中避免纯积分， 加了高通环节，相应地，在可调模型支路也串接了同样的环节。如图 1示： 2) 文献 25中为了避免纯积分，采用了基于 反电势的参考模型和可调模型的 法，用电压模型计算的转子反电势作为参考模型，用电流模型计算的转子反电势作为可调模型，用两个反电势的叉积作为误差项，用 节器辨识转速。如图 1示。 3) 文献 25中还提出了基于电机无功功率的 法，如图 1示。这一方法在参考模型和可调模型中均不包含电机定子电阻， 因此对定子电阻具有完全的鲁棒性。 工程硕士学位论文 第一章 绪论 6 *图 1压模型和电流模型构成的 =图 1于反电势的 ）基于观测器的 6。选择实际电机为参考模型，龙贝格观测器为可调模型构成 图 1示。 观测器的状态变量 ，输入 ,输出为偏差信号为 ,其中，自适应率为 节器。 （3）闭环观测器的方法： 无速度传感器控制中使用的几种闭环观测器27有：全阶自适应状态观测器、扩展 波器（ 、扩展的 测器（ 、滑模观测器等。 工程硕士学位论文 第一章 绪论 7 全阶自适应状态观测器：也称为 测器（ 。采用静止坐标系中的电机模型并加以电流误差反馈补偿，把转速当作参数进行辨识。从状态误差的动态方程和 定性理论可以推导出稳定的自适应机制，也可以用 图 1于无功功率的 ()()图 1于观测器的 程硕士学位论文 第一章 绪论 8 稳定性理论推出同样的结果。采用自适应观测器来辨识转速的方法实际就是上述以电机为参考模型，以观测器为可调模型的 法（图 1。 扩展卡尔曼滤波（ ：卡尔曼滤波是由 六十年代初提出的一种最小方差意义上的最优预测估计的方法， 它的突出特点是可以有效地削弱随机干扰和测量噪声的影响。 扩展卡尔曼滤波算法则是线性卡尔曼滤波器在非线性系统中的推广应用。将电机转速也看作一个状态变量，而考虑电机的五阶非线性模型，在每一步估计时都重新将模型在该运行点线性化，再沿用线性卡尔曼滤波器的递推公式进行估计。 扩展卡尔曼滤波法提供了一种迭代形式的非线性估计方法，避免了对测量量的微分计算，而且通过对 Q 阵和 R 阵的选择可以调节状态收敛的速度。 法计算量很大，而且这种方法 是建立在对误差和测量噪声的统计特性已知的基础上的，需要在实践中摸索出合适的特性参数。 扩展的 测器（ ：基本 测器（ 用于线性时不变确定性系统，扩展的 测器（ 以适用于非线性时变确定性系统。在 将转速看成是状态变量， 磁通观测的同时观测了转速。 比具有算法简单、便于调节的优点。 滑模观测器方法：该法采用估计电流偏差来确定滑模控制机构，并使控制系统的状态最终稳定在设计好的滑模超平面上。滑模控制具有良好的动态响应，在鲁棒性和简单性上也比较突出。但它存在一个抖动的问题，即由非线性引起的自振。 2基于非理想特性的方法 本文把检索到的基于非理想特性的方法归纳如下: （1）利用齿谐波信号的转速辨识方法：电机 中定转子齿槽在气隙中产生齿谐波，其中包含了和转子转速成正比的频率成分。通过对定子反电动势或者电流信号的处理可以检测出转子速度信号28。该法在低速下测量灵敏度难以提高，抗噪声干扰的问题较大。 （2）旋转高频注入转子凸极检测法：使电机 转子的槽口宽度或槽楔厚度按一定规律呈周期性变化分布，使转子具有一定的凸极特性。通过检测转子凸极的位置，就得到转子的位置和速度。磁饱和同样可以引起转子的凸极，这时检测饱和凸极的方向可以得到磁通的方向29。 该方法中，在电机端部注入三相旋转高频电压信号（ 250，如果忽略饱和以及齿槽效应等因素， 注入电压信号产生的电流响应信号的矢量轨迹由于转子凸极效应的调制而呈椭圆形状，椭圆的倾斜的方向可以反映转子的位置角度。电流响应信号采用带通滤波器分离出来，该响应可以分为正序分量和负序分量，其中负序分量包含有转子凸极位置的信息， 可以通过外差法等方法将转子位置信号工程硕士学位论文 第一章 绪论 9 提取出来。 但是上述负序分量中还包含转子齿槽凸极、 转子偏心、 绕组不对称性、电流测量的不平衡引起的调制。 该方法的实现有一些问题： 磁饱和对其人为凸极的位置辨识方法会产生难以消除的干扰；不适用于闭口槽电机（大多数中小型电机） ；受负载情况影响大，因为转子电流同样会产生磁饱和； 对电流信号的滤波影响了电流控制环的动态性能；只适用于低速运行，高速运行给信号滤波分离带来困难；信号较弱，对测量系统的信噪比和 分辨率要求高； 控制器参数多， 运算复杂； 需要注入谐波，给电机带来附加损耗；检测转子位置需要人为转子凸极；注入信号的频率的选择受多方面限制30。 （3）漏感脉动检测法电机由于转子齿槽的存在，漏感会随电机的转子位置变化而脉动，通过附加正反相抵的基本电压矢量脉冲及对电机的相电 压测量，可以检测出漏感的脉动31，对该脉动的信号进行数字计数得到电机的转子位置。如果噪音干扰足够小，可以达到位置无漂移，可以精确地检测出电机在极低速甚至零速下的转子位置。 这种方法也存在一些不便：不适用 于斜槽电机（大多数小型电机） ；饱和对该方法有影响， 需要自适应滤波器来滤除反映位置的信号中的饱和引起的二次谐波，而滤波又会引起延迟；需要采样三相电压因此需增加电压传感器及 换器通道的数量；需要引出电机的中点，无法用于三角形接法的电机；需要 （4） 抗差异定向法：在检测的转子磁通方向上注入高频的脉振信号（ 500，由于主磁路的饱和和注入高频信号的磁场分布，使得对于注入的高频信号 d 轴和 q 轴的阻抗不同32。如果磁场定向准确，那么在距离估计的 d 轴正负 45 度方向上的高频信号阻抗相等，如果磁场估计有偏差，那么距离估计的 5 度方向上的高频信号阻抗就会产生差别，用该偏差信号调节估计磁场与实际磁场方向重合。 该法尚存在一些不足： 电压注入的方案中对电流信号的滤波影响了电流控制器的动态性能；电流注入需要电流控制器的带宽很大；检测的磁场角度受负载影响而并非为转子磁通角，还要对检测角度进行补偿，补偿需要电机参数，使其鲁棒性的优点减弱。 （5）饱和凸极检测方法：当主磁路饱和时，如果在定子侧向 d 轴和 q 轴方向注入同样幅值的脉振电流，那么在转子侧， d 轴和 q 轴上的脉振电流幅值会有所不同， d 轴的转子电流要大些，即 d 轴和 q 轴的电流传输比不同。根据这种效应，在主磁路饱和的条件下，在估计的转子磁通方向上注入脉振电流信号（信号的频率为 20，如果估计的磁通角度有偏差，那么由于 d 轴和 q 轴的电流传工程硕士学位论文 第一章 绪论 10 输比不同，定子和转子中的注入频率的电流矢量就会存在一个相位差，用这个相位差来调节观测磁场与实际转子磁场方向重合33。 其具体实现中是通过定子电压电流信号运算得到转子磁通方向的，存在多次的旋转坐标变换和滤波环节。该方法的应用有一些限制：要求饱和运行；需要人为注入谐波；计算量大；仅适用于低频运行。 无速度传感器与有速度传感器控制的差别 无速度传感器与有速度传感器控制的差别在于所能利用的信息中少了转速，而在电机的四阶方程中，转速是电机模型的一 个参数。这一差别导致了无速度传感器不同于有速度传感器控制的一些特点。 （1）无速度传感器控制中转速闭环只能采用辨识的转速参数进行反馈，转速控制的精度依赖于速度辨识的精度。 （2）一些磁通观测方法不能独立使用。例如：在全速范围稳定的电机转速电流模型和电机的全阶观测器无法独立应用， 这些模型只有接成模型参考自适应系统进行转速和磁通同时计算时才能用于无 速度传感器控制。因此无速度传感器和有速度传感器控制的差别不仅是少了转 速闭环所需的反馈信号，更重要的是少了一个使磁通计算稳定的电机参数 转速。在无速度传感器控制中，速度辨识精度主要受滑差计算精度的影响，而 滑差计算的精度受转子电阻的误差和磁链观测的误差的影响。 （3）低频范围磁链观测难度大。感应电机的无速度传感器控制的关键在于磁链的准确观测。在无速度传感器控制中，磁 链的观测在本质上都是对电机反电势的积分34。直接对反电势积分会存在初值和积分漂移问题，因此在无速度传感器控制中如何避免积分的问题是关键所在 。异步电机在定子供电频率为零时，定子的电压电流中不包含转子转速和参数 的信息；在定子供电频率很低时电压和反电势也很低， 电压电流检测误差、 冲宽度的误差、开关器件的压降对于电机线电压的重构和反电势计算的 影响较大，定子电阻的误差对反电势计算误差影响也变大。所以零频率附近无 速度传感器控制具有理论上和实际中的双重限制。 （4）电机多参数辨识受到限制： 人从理论上证明了在无速度传感器控制中，在转子磁通幅值恒定的条件下， 转子电阻和转速不可能同时辨识出来29，这给无速度传感器控制中转子电阻的辨识增加了难度。 2关于各种方法之间的联系： 工程硕士学位论文 第一章 绪论 11 （1）由电机定子磁链和转子磁链的关系 可以看出：得到定转子磁链中的任一个，都可以根据定子电流和部分电机参数通过代数运算得到另外一个磁链。 因此定子磁链观测和转子磁链观测是可以相互转换的。 （2）由转速计算公式 =可以看出： 知道了转子磁链即可以根据定子电流和部分电机参数通过代数运算和微分运算得到转速，没有纯积分运算实现的问题。因此磁通观测和转速辨识是紧密联系的。 （3）在高性能无速度传感器控制中，磁通观 测是必需的，电机控制性能主要由电机磁通观测的精度决定。电机磁通是转矩和转速动态计算的基础。在转子磁场定向控制中至少需要转子磁场的角度， 有了转子磁场的角度就可以实现定向解耦控制，知道了转子磁场角度，还可以对转子磁链幅值进行开环控制。各种磁链观测方法都必须避开纯积分环节， 而且都要解决电阻参数随温度变化带来的问题，才能实现高精度的观测。闭环观测的方法对测量噪声等干扰有更好的抑制能力。 （4）在一些方法中35转子磁场的角度的计算用闭环跟踪的方法得到。即在转子磁通已经得到的情况下，不是采取直极变换得到角度，而是闭环跟踪磁场角度。闭环跟踪的方法还可以得到转子磁场同步频率，以用于转速计算和同步电流控制中的电压解耦补偿。 闭环跟踪计算同步频率可以避免对角度数字微分带来噪声。 （5）在无速度传感器控制中转速计算可以是 不必要的。例如在转速开环转矩闭环的无速度传感器控制系统中， 只需计算电机电磁转矩从而进行转矩闭环控制。转速是四阶电机模型的一个参数，它可以看作是磁通观测的一个中间变量。在求转子磁通的过程中，可以出现转速，也可以不出现转速36。 （6）基于电机的非理想特性的方法一般可以 解决无速度传感器控制中的低速磁链观测和转速辨识的稳定性问题，并且具有对电机参数误差的鲁棒性。当采用基于电机非理想特性的方法得到电机转速后， 便可以采用低速稳定的磁通观测方法（如电流模型）进行磁通观测和磁场定向控制了。 零频率问题的处理 无速度传感器控制低频范围稳定运行问题是目 前的一个研究热点。基于感工程硕士学位论文 第一章 绪论 12 应电机理想模型的磁通观测和速度辨识在同步 频率为零时虽然无法实现，实际上避开零频，或者使同步频率在零附近波动的 方法以及利用电机的一些非理想特性的方法为实现低速范围的无速度传感器控 制提供了思路。下面列出一些基于理想模型的低频范围的处理方案。 （1） d 轴电流高频注入通过转矩脉动调节磁场定向 在转子磁场定向的方法中，向估计的 d 轴注入高频信号7，当磁场定向有偏差时，注入的高频电流会产生转矩脉动，提 取转矩脉动的大小用来驱动磁场定向。如 所示。该方法的特点：适用于低速场合；对参数变化的鲁棒性好；受负载影响小。 文献 37在电机的励磁电流上附加了一定的脉动使得“持续激励条件”得到满足，用扩展 波（ 方法在零频率点同时辨识出了定子电阻和电机转速，使无传感器矢量控制的零频 率运行得到了稳定。由于产生的磁通脉动可以观测到，通过转矩电流的实时控 制，转矩的脉动得到了抑制。这种方法实际上是避开零频率运行的一种方法。 0*=图 1-7 d 轴电流注入通过转矩脉动调节磁场定向 （2） d 轴扰动信号注入的 法： 工程硕士学位论文 第一章 绪论 13 图 1-8 d 轴扰动信号注入的 法 （3）零频率回避方法： 间接自控制（ 通过同时改变磁通的幅值和滑差频率的方法使电机避开了零频率运行，从而实现了 在任何运行点上转速的辨识。在电机穿越零频率时，同时改变滑差和磁通的幅 值使电机避开零频率点，磁通的变化要适应与于滑差的变化，以使得转矩输出不变，文献 38对这一思想作了仔细的描述。这种方法虽然不能工作在零速零 转矩的状态，但是由于机械系统总是存在一定的摩擦，这个问题可以避免。 此外，为避免无速度传感器控制在低速下失去 稳定，还可以在低速下切换到开环限流控制的方式，如西门子的 列变频器的低速处理方法。 2低速发电状态的稳定性 在通常的无速度传感器控制中，电动状态时观 测器方法是稳定的，但是用观测结果反馈的整个系统有可能在 低速发电区域运行不稳定。文献 39中给出了如何设计观测器反馈矩阵以减少不稳定区的方法。 3参数在线辨识 （1）定子电阻在线辨识及对定子电阻误差具有鲁棒性的方法 在无速度传感器控制中由于磁通的计算用到定 子电阻和电压，而低速范围定子电压也较低，定子电阻压降的误差对于