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摘 要

三相交流异步电动机是目前传动系统中采用最多的电机，电机控制常采用磁场定向矢量控制策略，其中磁链观测器采用转速加滑差得到同步频率的电流模型。电压模型由于不需要检测转速得到越来越多的关注，但是电机定子电阻的变化容易导致磁场观测不准确，为此在定向轴方向注入一定的低频电流信号，当定向不准确时，低频信号能感应出与定向角度偏差有关的转子反电势，通过提取该反电势进行信号处理后，对定向角度进行修正。

在基于转子磁场定向的无速度传感器矢量控制系统中，利用电机稳态电压方程推导出

同步角速度来获取电机磁场位置信息既简单又可节约成本。针对瞬态过程该计算不够准确的缺点，本文提出一种通过电流注入来获取磁场角度实际值与估算值之间误差的方法。向估算磁场方向注入一定频率与幅值的正弦电流，当磁场角度估算值偏离实际值时，根据电机的机械特性及电磁关系, 电机的反电动势信号中含有一个与角度误差有关的分量，提取该分量并设计一种磁场跟踪控制器来有效地对该误差进行补偿使得估算磁场位置能够快速地跟踪电机实际磁场。将该方法用于无速度传感器矢量控制系统中进行低速仿真实验，结果表明有比较好的控制效果，有一定的应用前景。

本文提供了一种新的极低速异步电机无速度传感器矢量控制方法。本方法基于低频信号注进，通过d轴注进低频定子电流信号，利用产生的角度误差估算电机转速。该方法不受负载变化影响，也不依赖于异步电机的非理想特性，仅由基波模型就可实现极低速段的转速估计，所以不受异步电机结构影响，具有普遍的适用性。此外，该方法还具有较强的电机参数鲁棒性，不必进行参数估计，控制结构简单。仿真及实验结果证实，本文提出的基于低频信号注进的方法可以很好地实现异步电机在极低速段的无速度传感器矢量控制。

关键词：磁链观测器 低频信号注进 异步电机 无速度传感器 矢量控制

Low-frequency magnetic field injection method of induction motor controller design based on tracking

Abstract

Three-phase AC induction motor drive system is currently used in most motors, often using field oriented motor control vector control strategies, including the use of flux observer slip speed plus get synchronized frequency current models. Since no speed detection voltage model more and more attention, but the change in resistance of the stator magnetic field observation prone to inaccuracies, for low frequency current signal into a certain orientation in the axial direction, when the orientation is not accurate, the frequency signal can be induction and orientation of the rotor angle deviation about EMF, by extracting the back EMF signal processing, directional angle correction.

In rotor flux oriented speed sensorless vector control system, the steady state equations based synchronous angular speed deduction method is both simple and cost saving to obtain the

magnetic field position. For the disadvantage of inaccuracy in transient state, a method of angle error acquisition between practical and estimated magnetic field is proposed by means of current injection in this paper. Inserting sine current of some frequency and amplitude in the direction of the estimated magnetic field, when the estimated angle deviates from the actual one, the electromotive force of motor will contain a component related with the angle error according to the mechanical characteristics and electromagnetic relation of motor. The angle error can be effectively compensated by extracting the component and designing a magnetic field tracking controller so that estimated magnetic field position can fast track the practical one. Applied in speed sensorless low speed drive system simulation, the method makes satisfactory results and has some application prospects.

This paper presents a new sensorless vector control method for induction motor （IM） drive at very low speeds. The proposed method is based on low-frequency signal injection, where a low frequency stator current signal is injected and the corresponding angle error is detected to estimate the rotor speed. This new method is independent of the non-ideal features of IM. Just the fundamental model of IM is needed. As a result, the proposed method isn’t affected by IM structures and it can be applied to different IM. Furthermore, this new method is robust to the motor parameters. Therefore no parameter estimation is needed and the control system is simple. Simulations and experimental results prove the good performances of the proposed method on speed sensorless control of IM at very low speeds.
Keywords:flux observer Low-Frequency Signal Injection IM Speed Sensorless Vector Control

目录

摘要 I

Abstract II

目录 IV

第一章 引言 1

1.1研究低频注入法下的异步电机磁场跟踪控制器目的和意义 1

1.2异步电机磁场跟踪控制器信号注入法国内外研究现状 2

1.2.1高频信号注入法 2

1.2.2低频信号注入法 2

1.3关于本次研究 3

1.3.1需要解决的问题 3

1.3.2研究思路和技术方法 3

第二章 异步电机工作原理以及控制方法 4

2.1 异步电机的结构 4

2.2 异步电机的运行原理 5

2.3 异步电机控制技术 9

2.3.1直接转矩控制 9

2.3.2矢量控制方法 13

第三章 低频信号注进法原理 19

3.1电动机转速估算方法 19

3.2 磁场位置角误差的获取方法 20

3.3 低频电流对电机运行性能影响 21

3.4 电机参数鲁棒性分析 22

第四章 磁场跟踪控制器设计 23

4.1 反电动势的的提取 23

4.2 磁场跟踪控制器设计 25

第五章 仿真结果分析 27

5.1 低频信号注进法仿真结果分析 27

5.2磁场跟踪控制器设计仿真结果分析 30

结语 35

参考文献 36

致谢 38

第一章 引言

了解基于低频注入法的异步电机磁场跟踪控制器设计该课题的目的和意义，分析异步电机磁场跟踪控制器信号注入法国内外研究现状，对于本课题的开展有至关重要的作用。提出问题，列出解决方案和技术方法，弄懂国内外学者的研究思路，借鉴其研究方法，可以使课题的研究有很大的促进作用。

1.1研究低频注入法下的异步电机磁场跟踪控制器目的和意义

近年来，异步电机的无速度传感器矢量控制成为研究热点。研究人员提出了各种控制方法^[13]。其中研究较多的是高频信号注入法，利用注入的高频定子电压信号产生的电流响应来估计转子位置。这些基于高频信号注入的方法都利用了异步电机的非理想特性，如转子凸极、齿槽效应及饱和效应等。但是，这些基于高频信号注入的方法存在一个共同的缺点，即高频响应信号常常与其他高频谐波混合在一起，较难分离。需要采用复杂的信号处理方法获得所需高频响应信号，从而降低了系统响应速度，增加了控制系统的复杂性。此外，由于基于高频信号注入的方法利用了异步电机的非理想特性，因此受电机结构影响较大，缺乏一定的通用性。为避免上述高频信号注入法所固有的各种问题，本文提出了一种基于低频信号注入的方法。该方法将文献[8]高频谐波信号变为低频谐波信号，通过注入低频d轴定子电流信号，利用产生的角度误差估计电机转速。该方法仅利用异步电机的基波模型，不依赖各种非理想特性，所以不受异步电机结构影响，具有普遍的适用性。此外，该方法所需低频响应信号容易分离，消除了高频信号注入法信号分离难的缺点，而且对电机参数具有较强的鲁棒性，无须进行参数估计，使得控制系统结构相对简单。本设计提出的基于低频信号注入的方法可以很好地实现极低速段异步电机无速度传感器矢量控制^[6]。

基于理想数学模型的磁场定向控制器容易受到电机参数变化、信号检测误差等影响而造成电机定向磁场方向偏离实际磁场方向，为了提高电机的驱动性能，需要对偏差角度进行修正^[10-12]。在基于转子磁场定向的无速度传感器矢量控制系统中，利用电机稳态电压方程推导出同步角速度来获取电机磁场位置信息既简单又可节约成本。针对瞬态过程该计算不够准确的缺点，本文提出一种通过电流注入来获取磁场角度实际值与估算值之间误差的方法。向估算磁场方向注入一定频率与幅值的正弦电流，当磁场角度估算值偏离实际值时，

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