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摘 要

异步电机在动态下的数学模型是一个非线性、高阶断的多变量系统，通过在坐标上面的变换，可以使这个数学模型降阶并化简，但并没使其多变量、非线性的本质改变。需要高动态性能的异步电机调速系统必须在其动态模型的基础上进行分析和设计，但如果想完成这一项操作并不是很容易。在感应电动机无速度传感器中，磁链观测的电流模型仅以标准的电动机在足够高的定子频率下可以较好的运行，开始提出矢量控制系统时，一般用直接检测磁链的方法，一种是在电机槽内设置探测线圈，另一种是利用贴在定子内表面的霍尔元件或其它元件。从理论上说，直接检测应该比较准确，但实际上这样做都会遇到不少工艺和技术问题，而且由于齿槽影响，使检测信号中含有较大的脉动分量，越到低速时影响越严重。所以频率趋于零的时候，由于出现误差就会使观测变得不准确，为了解决这个问题，科学家提出了一个新的观测方式，就是在注入低频信号下的速度自适应磁链观测方式。在输入低频信号的情况下观测磁链可以避免很多误差的产生，多采用间接计算的方法，即利用容易测得的电压、电流或者转速等信号，利用转子磁链模型，实时计算实际磁链的幅值与相位。利用能够实测的物理量的不同组合，可以获得多种转子磁链模型。本文在此基础上给出了转子磁链的电流模型和电压模型，并在仿真平台saber进行分析。

关键词：异步电机；磁链模型；低频信号注入法；矢量控制

Based on low frequency injection method of the new hybrid flux observer analysis and design

Abstract

Induction motor under the dynamic mathematical model is a nonlinear, high order of multivariable systems, through coordinate transformation, to make the mathematical model order reduction and reduction, but hasn't made the multivariable and nonlinear nature of the change. Need high dynamic performance of induction motor speed control system must be conducted in the dynamic model on the basis of analysis and design, but if you want to complete this operation is not very easy. In induction motor without speed sensor, the current model of flux observation at only in a high enough standard of motor stator frequency can run better, began to vector control system is proposed, in general, with the method of the direct detection of magnetic chain is a kind of detecting coil are installed in motor groove, another kind is to use the stick in the hall element or other components of the stator inner surface. Theoretically, direct detection should be more accurate, but in fact to do so will face a lot of process and technical issues, and due to the cogging effect, make the signal contains larger pulsating component, more to the low speed impact more serious. Tends to zero, so the frequency due to error will make observation becomes inaccurate, in order to solve this problem, scientists have proposed a new way of observation, the speed in which under the injection of low frequency signal adaptive flux observation method. In the case of low frequency signal input monitoring can avoid a lot of error, used more indirect calculation method, the use of easy to measure voltage, current and speed signal, using the rotor flux model, calculating the amplitude and phase of flux in real time. Can use different combinations of the measured quantities, a variety of rotor flux linkage model can be obtained. Are given on the basis of the current model of rotor flux and voltage model, and the simulation platform saber is analyzed.

Key words:Asynchronous motor;Magnetic chain model;Low frequency signal injection method;Vector control.

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究意义及背景 1

1.2 磁链观测研究的现状 2

1.2.1 常用磁链观测研究现状 2

1.2.2 低频注入下的磁链观测研究现状 3

1.2.3 磁链观测研究的适用范围 3

1.3 磁链观测分析课题应用前景 4

第二章 感应电机基本理论 5

2.1 感应电动机模型 5

2.2 常用观测器的基本模型 6

2.2.1 电流模型 6

2.2.2 电压模型 8

2.2.3 混合模型 9

2.3 计算转子磁链的模型 10

2.3.1 计算转子磁链的电流模型 10

2.3.2 计算转子磁链的电压模型 12

2.3.3 计算混合磁链模型 12

第三章 低频注入下观测器的设计 14

3.1 矢量控制 14

3.2 低频注入法 14

3.2.1 低频注入法介绍 14

3.2.2 低频信号电流参数确定 17

第四章 仿真及结果分析 20

第五章 总结与展望 24

参考文献 25

致谢 26

第一章 绪论

随着工业上面要求的不断提高，对高精度、高性能传动系统的重要性不断增加。并且以为工业生产的特别性质，要求传动系统不仅在低速并且在高速一样要有很好的动态性和稳定性，而磁链在矢量控制系统中直接决定了上述因素。在实际的应用中，有两种获得电机磁链的方法：直接测量法和观测法。直接测量法是通过电机气隙中安装感应线圈，直接来测量电机的实际磁链，但在安装和机械上的复杂性使这种方法应用范围比较小。观测法通过分析电机数学模型来推导电机磁链观测器的数学模型，通过测量模型中得到的电机实际电流和电压信号，估测出电机磁链的角度和幅值。由电机数学模型可以推导出电机基本磁链观测器，即为电流模型和电压模型。但两种基本磁链观测器各自都有一定的缺陷。所以我们这次研究新型的混合磁链观测器并且在低频注入法下监测观测磁链，这样可以大幅度减小误差，所以本文采用这个方式研究，并设计模型。

1.1 研究意义及背景

对于电机高性能的变频调速一般有两种：矢量控制和直接控制。矢量变换控制实现了转矩和磁链的解耦，使得异步电机获得直流电机的控制性能。但是在实际运用中，由于信号测量的误差以及电机参数的变化，使它的控制性能下降。如果能够采用一定的方法使矢量控制对电机参数的变化不敏感，那么异步电机的矢量控制具有比较高的动静态特性。根据异步电机矢量控制采用的坐标系定向方向的不同，可分为转子、气隙、定子磁链定向的矢量控制。其中只有转子磁链定向的矢量控制可实现转矩与磁链的解耦。在矢量控制中，磁链的检测是非常关键的。所以本课题想要通过一种更加好的方法来观测分析磁链，达到对电机矢量控制的提升。因为对磁链观测分析的研究，是电机矢量控制的一个重要过程，所以采用低频注入法对磁链进行了观测分析，对于电机的矢量控制有着重要意义。此方法能够改善矢量控制的精度，简化信号的处理过程，提高电机的动态响应能力。
  由于异步电动机坚固耐用，结构简单、价格便宜、维修量小、易于制造和单位体积功率大等优越，异步牵引电动机交流传动体统凭借它无可比拟的优越性能在国内外电力牵引领域占据了极其重要的地位，而且直接转矩控制技术是最具有竞争力的异步电机控制策略。磁链观测是直接转矩控制方法的核心环节，观测是直接转矩控制方法的关键环节，观测性能的好坏直接决定控制系统的控制性能，所以在磁链观测方面的研究对直接转矩技术的发展具有重要意义。并可以预见其应用前景广阔。传统的磁链观测方法 结合神经网络、模糊控制等新兴的技术，会使直接转矩控制系统的鲁棒性、精确度、稳定性上升到了一个新的高度，同时新技术的应用也减了控制系统的硬件设备，降了控制系统的运行成本。因此，完善传统的磁链观测模型，应用新兴技术提高它的观测性能是一项开拓性工作，对于直接转矩控制方法在电机变频调速领域的发展有重要的实际意义，也一定将带来可观的经济效益和社会效益。

1.2 磁链观测研究的现状

伴随着人们对高性能电机控制的需求越来越大，关键的环节就体现在如何实现对电机磁链准确的观测。不管是直接转矩系统还是矢量控制控制系统，精确的磁链观测都是实现快速转矩响应等一系列高性能控制的关键所在，特别在转速很低甚至为零的情况下，磁链观测器的精确度将会受到极大的影响，无位置传感技术的发展已近经历了20年，通过各个国家的学者努力研究探索，其中许多技术已应用到了实际工业领域中，并且发挥了极其重要的作用，磁链观测器也越发的成熟。

1.2.1 常用磁链观测研究现状

对于电机的无位置速度传感器控制的研究一般包括基波励磁法、高频信号注入法和低频信号注入法。

基波励磁法主要基于电机的基波动态模型，具体方法是：利用定子端电压和电流的直接计算法，观测器上的估算方法，模型参考自适应方法和人工智能理论基础上的估算方法等。

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