异步电机转子磁链观测器的准确度分析与设计

收稿日期：2000-07-31.

作者简介：杨文强（1968-），男，博士研究生；武汉，华中科技大学电力工程系（430074）.

!Novotny D W ，Lorenz R D.Introduction to FieId Oritation and High Performance AC Drives.Proc.1985&1986IEEE-IAS An-nuaI Meetings ，841~847"Moreira J C ，Lipo T A.Direct FieId Orientation ControI Using Third Harmonic Component of the Stator VoItage.InternationaI

Conference on EIectric Machines （ICEM ），Boston ，MA ，1990.543~549#Hori Y ，Umeno T.FIuX Observers Based FieId Orientation （FOFO ）ControIIer for High Performance Torgue ControI.Proc.，

IPEC-Tokyo ，1990.1219~1226

异步电机转子磁链观测器的

准确度分析与设计

杨文强贾正春

（华中科技大学电力工程系）

摘要：提出一种基于频率响应函数的转子磁链观测器准确度分析方法，推导出两种基本开环转子磁链观测器观测值相对实际值的频率响应函数，分析了电机参数的估计值偏离实际值对观测值准确度的影响.应用Gopinath 最小阶观测器理论设计了一种新型闭环转子磁链观测器.实例分析表明，

此方法能对转子磁链观测器准确度进行透彻分析，设计的闭环转子磁链观测器结构简单，综合了电流模型和电压模型开环转子磁链观测器最好的特性.关

键

词：异步电机；磁场定向；磁链观测器；频率响应函数；准确度

中图分类号：TM921

文献标识码：A

文章编号：1000-8616（2001）02-0011-03

实现异步电机直接磁场定向矢量控制的关键是准确确定转子磁链幅值和相位.转子磁链的间接观测方法仅需对电机端部电压和电流（有时还有转子速度）的测量，比直接测量方法简单实用，因此受到普遍的重视，设计了多种转子磁链观测器!~#.但这种观测方法的准确度本质上是对电机参数敏感的，所以需要分析提高转子磁链观测器准确度的方法和转子磁链观测器设计方法.在此提出一种基于频率响应函数的分析方法，给出了两种基本开环转子磁链观测器电机参数估计值偏离实际值时的准确度分析，在此基础上应用Gopinath 最小阶观测器理论设计了一种新型闭环转子磁链观测器.

!异步电机的复矢量数学模型

复矢量表示中用 表示g 轴与d 轴之间的

90 相移，

可使系统的阶数降低一半.一般地，复矢量写成如下形式：!s !gs !ds .对于直接磁场

定向，静止坐标系最合适.异步电机的复矢量基本方程见文献［1］，可导出电机以定子电流和转子磁链为状态变量的方程如下：

pI s =［V s -R 's I s +（L m /L r ）!br "r ］

/（#L s ）；（1）

p "r =（R r /L r ）L m I s -!br "r .

（2）式中，下标s 和r 分别表示定子量和转子量；p 为

微分算子；#为漏磁系数；R 's R s +R r L 2m /L 2r ；!br R r /L r !r ，!r 为转子速度.

"开环转子磁链观测器

按照所测量的变量和相应的磁链方程，有两

种最常用的开环磁链观测器，即电流模型和电压模型观测器.".!

电流模型开环磁链观测器

从式（2）可看出，如果定子电流和转子速度能

实时测量，可以构成一个开环转子磁链观测器.由电机参数的估计值可写出开环转子磁链观测值的方程

^"rC =^R r （^L m /^L r ）

I s /（p +^!br ）.（3）观测器中所用的参数估计值与实际值总是存在偏差，为了评估磁链观测值在参数估计值存在偏差时的准确度，由式（2）和（3），可以把磁链观测值^"

rC 表示为实际值"rC 的频率响应函数F C ，第29卷第2期华中科技大学学报VoI.29No.22001年

2月

J.Huazhong Univ.of Sci.&Tech.

Feb.

2001

^!

rC /!rC =［（^R r ^L m /^L r ）（p +"br ）］/［（R r L m /L r ）（p +^"br ）］=F C .（4）对于稳态运行，可以用励磁频率 "e 代替p ，频率

响应函数可以表示为转差率"S 的函数，"S =（"e -"r ）/"e ，

这里^!

rC !rC =

^L m （l + "S L r /R r ）L m （l + "S ^L r /^R r

）.用一台实际电机的参数计算电机参数估计值的偏差对转子磁链观测值准确度的影响.异步电机参数为：三相；额定功率7.5kW ；额定电压380V ；

额定电流l6A ；额定转速"H =l 458r /miH ；额定转差率"S !0.028；定子电阻R S !0.20!；定子漏感L lS !l.5m~；定转子互感L m !32.3m~；转子电阻R r !0.20!；转子漏感L lr !l.5m~.图l 中曲线分别表示转子电阻、互感和转子漏感估计值偏离实际值时F C 的幅值和相角，

从中可以清楚

图l F C 的幅值M 和相角#与转差率"S 的关系

l -^R r =（3/2）R r ；2-^L lr =（3/2）L lr ；3-^L m =（2/3）L m

地看到：在高转差率时，转子磁链幅值响应主要对转子电阻敏感，而相角对所有参数都不敏感；在额定转差率附近，磁链的幅值和相角对转子电阻和互感电感的估计值都敏感；在任何运行条件下磁链的幅值和相角几乎不受转子漏感的影响.!.!

电压模型开环磁链观测器

电压模型用定子电压、电流的测量值，而不用转子速度来计算转子磁链，用于低成本的无速度反馈直接磁场定向驱动系统中.由电机基本方程和式（l ）~（2），得转子磁链的观测值^!rU =（^L r /^L m ）^!S -［^$/（l -^$）］^L m I S .（5）电压模型实质上是一个没有反馈的积分器，对偏差和漂移很敏感，故它的主要问题是没有收敛所需的反馈.相应的磁链观测频率响应函数F U 为^!rU /!rU =［L m ^L r /（^L m L r ）］｛l +［L 2r /（R r L 2m ）

］［（p +"br ）

/p ］（Z S -^Z S ）｝=F U ，式中Z S =R S +$L S .用励磁频率 "e 代替p ，电压模型频率响应函数F U 可重写为

^!rU /!rU =［L m ^L r /（^L m L r ）］｛l +［L 2r /

（R r L 2m ）］（R r /L r + "S ）［（$L S -^$^L S ）- ［（R S -^R S ）/（"S +"r ）］］｝.

磁场定向控制下，给定的转矩和磁链转差频率保持不变.因此，在这种运行条件下观测器的准确度分析才是有意义的，相应的F U 的幅值和相角与

转子速度的关系见图2.与基于电流模型的观测器不同，此观测器完全不受转子电阻的影响，

而在

图2

F U 的幅值M 和相角#与转子速度归一值"r /"H 的关系

l -^R S =（3/2）R S ；2-^L lr =（3/2）L lr ；

3-^L lS =（3/2）L lS ；4-^L m =（2/3）L m

低转速时对定子电阻非常敏感；随着转速的增加感应电势增大，敏感度下降.因此，低转速敏感性是这种观测器的主要问题.

"闭环磁链观测器

电流模型和电压模型开环观测器都具有结构

简单、易于实现的特点，是应用最广的两种开环观测器.这两种开环观测器的特性在很多方面可以互补，因此有一些将这两种模型直接联接起来以

构成更好的观测器的尝试［2］.这里给出一个按照

此思路用GopiHath 最小阶观测器理论设计的闭环转子磁链观测器，见图3，图中隐含的磁链参考值是电流模型生成的估计值.此闭环观测器能实现两个开环观测器之间自动平滑的转换：低频时表现为电流模型的特性，高频时为电压模型的特性，转换区域由磁链环的带宽决定，而带宽可由线性控制器的增益确定，而且与速度无关.闭环转子磁链观测器可表示为

^!r =^!rU +（^L r /^L m ）（l /p ）K ^!

rC l +（^L r /^L m ）（l /p ）K ，相应的频率响应函数F 为

^!r !r =（^L m /^L r ）p （F U ）+K （F C ）（^L m /^L r ）p +K

= F.

2l 华中科技大学学报200l 年