文 献 综 述

1. 课题背景与意义

目前，节约能源是现在社会可持续发展的不变的追求，如何高效的的对异步电机进行变频调速成为了被高度关注的问题之一。由于异步电机是一个多变量、强耦合、变速度的复杂控制对象，为了对其实现高性能的动态调速控制，矢量控制、直接转矩控制以及异步电机传统的V/F控制等方法被相继提出后得到了普遍关注。

异步电机控制的关键在于其转矩的控制，然而异步电机转矩的控制又离不开电机的磁链。因此，为了使电机达到良好的转矩性能，异步电机的磁链观测及控制是必不可少的环节。目前，工业实用的磁链观测方法主要有电压模型、电流模型和基于两者切换的混合模型。电压模型磁链观测器结构简单，实现容易而且还具有转子参数的不敏感性且无需速度信号，在无传感器等领域有着重要应用价值。但是电压模型磁链观测器在低速场合对定子电阻变化较敏感且模型中对反电动势的纯积分环节易引起观测误差是在实际应用中主要存在的两个问题。电流模型由于对电机转子参数的敏感性, 引起磁链观测的不准确性程度高, 一般只应用于低速场合。因此深入开展异步电机电压模型磁链观测器的设计研究，对改善异步电机的控制性能、扩大异步电机的调速范围都是非常有意义的研究工作，为此要对此问题进行深入的研究。

2.研究课题的国内外研究现状的介绍以及应用

2.1各方法的原理

2.2优缺点分析

2.3适用范围

矢量控制是一种电机的磁场定向控制方法，异步电机矢量控制方法也称为磁场定向控制，主要通过坐标变换得到等效的直流电机模型，然后仿照直流电动机的控制方法控制电磁转矩和磁链。矢量控制可以适用在交流感应电机及直流无刷电机，早期开发的目的为了高性能的电机应用，可以在整个频率范围内运转、电机零速时可以输出额定转矩、且可以快速的加减速。不过相较于直流电机，矢量控制可配合交流电机使用，电机体积小，成本及能耗都较低，因此开始受到产业界的关注。矢量控制除了用在高性能的电机应用场合外，也已用在一些家电的应用中。

直接转矩控制是一种变频器控制电机转矩的方式，在直接转矩控制中，定子磁通用定子电压积分而得。而转矩是以估测的定子磁通向量和量测到的电流向量内积为估测值。磁通和转矩会和参考值比较，若磁通或转矩和参考值的误差超过允许值，变频器中的功率晶体会切换，使磁通或转矩的误差可以尽快缩小。因此直接转矩控制也可以视为一种磁滞或继电器式控制。直接转矩控制技术用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算与控制电机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节产生PWM 波信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。它省去了复杂的矢量变换与电动机的数学模型简化处理，没有通常的PWM 信号发生器。它的控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理概念明确。直接转矩控制也具有明显的缺点即：转矩和磁链脉动。

V/F控制是控制磁通的方法，压频比可能预设在系统内将磁通维持在一定的水平，主要应用在变频器上可以节约电机的耗能。V/F控制拥有原理简单易懂、易于实现以及良好的参数鲁棒性等优点广泛应用在变频器中。它根据电机实时运行频率调整电机电压幅值 ,不考虑电机磁链的变化情况,这使得它存在低速区域动态响应慢、稳态精度低、带载能力弱等缺点。

3.课题应用前景

现代轨道交通高性能牵引传动技术大都采用磁场定向控(Field-Oriented Control, FOC)或直接转矩控制(Direct Torque Control , DTC), 而准确的磁链观测,是实现 FOC 和 DTC 的关键.目前工业实用的磁链观测方法主要包括电流模型 、电压模型和基于两者切换的混合模型.电流模型由于对电机转子参数的敏感性, 引起磁链观测的不准确性程度高, 一般只应用于低速场合.对于轨道交通牵引传动这种高性能调速应用场合 , 由于电压模型具有转子参数的不敏感性且无需速度信号等优点, 因而被广泛应用 ,国外如 SIMENS 、ALSTOM 等公司牵引变流器磁链观测均应用了电压模型。因此深入开展异步电机磁链观测器设计研究, 对改善异步电机的控制性能 , 扩大异步电机的调速范围都是非常有意义的研究工作。

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1.本课题要解决的问题

异步电机电压模型磁链观测器在中高速下能获得很好的控制性能，但在低速下性能较差。因此，在低速下如何使用电压模型实现磁链准确的观测磁链便成为一个非常重要的问题。使用电压模型磁链观测器时, 低速下磁链观测精度主要受到定子电阻变化和直流偏置的影响。前者可以通过在线调整定子电阻参数降低影响。对于使用纯积分的异步电机电压模型磁链观测器 , 磁链的直流偏置主要由输入(反电势)含有的直流偏置和初值误差造成。常用的解决方法是使用LPF来替代纯积分环节。这种方法能够消除初值误差 ,但是却不能完全消除直流偏置, 而且LPF会带来额外的的幅值和相位误差, 也在很大程度上影响了磁链观测的精度。文献[3]通过动态调整LPF的截止频率来降低低速下的磁链观测误差。但是随着转速降低, 截止频率也随之降低, 观测器对直流偏置的抑制作用也随之降低。文献[4] 提出，在直流偏置较大的情况下, 对输入反电势先进行高通滤波 ,然后通过检测磁链周期使用移动平均的方法计算并消除直流偏置,实现了磁链无偏置。但是却没有补偿稳态误差, 而且存在磁链周期不容易检测准确的困难。另外，文献[5]提出的纯积分串联 HPF 方法, 由于纯积分对输入量直流偏置的饱和作用 , 无法实现积分结果零偏置。文献[6] 通过引入闭环PI 调节和直流偏置补偿完全消除了直流偏置的影响, 同时实现了磁链观测无稳态误差。然而该方法引入的 PI 调节器容易造成系统不稳定 ,而且复杂的计算也失去了电压模型原有的优点。本文在这些文献的基础之上提出了一种新型的电压模型磁链观测器:使用 LPF 串联 HPF 代替纯积分, 不仅解决了初值误差问题 ,而且实现了磁链零直流偏置。对两个滤波器带来的稳态误差, 将 LPF 和HPF 的截止频率设为反电势频率的固定倍数, 采用时间相量分析的方法,可得到稳态误差补偿公式 ,于是实现了磁链观测稳态无误差,提高了系统性能。

2.本课题拟采用的研究手段

首先，本文要对传统的异步电机电压模型磁链观测器的基本结构和原理进行全面的了解以及阐述。然后，找出传统异步电机电压模型在技术上的优缺点并找到进行优化改善的方法。并且根据改善方法的原理对此方法进行建模，初步确定该方法的可行性。最后，利用仿真软件进行改善前后的磁链观测器的波形图对比并得出结论。

3.验证方法及实验手段、过程和预期结论

利用各种仿真软件对改善前后的异步电机电压模型磁链观测器的观测波形进行对比。预期结果在低速下该算法不但能够有效消除反电势中直流偏置带来的影响, 而且能够做到磁链观测稳态无误差 , 使系统运行性能有显著改善。结论为改善后的磁链观测器的系统运行性能得到了很大的提升。