感应电机低速运行时自适应状态观测器研究

周喆　吴俊

【摘 要】为了改善感应电机无速度传感器矢量控制系统的低速性能，基于感应电机的静止两相数学模型，采用自适应状态观测器对转子磁链和转子转速进行直接观测，利用极点配置方法给出了观测器的反馈增益矩阵，减小了观测磁链对电机参数的依赖性，系统的稳定性由Lyapunov理论得以保证。最后，利用MATLAB搭建了仿真平台，仿真结果表明磁链观测误差小，在较宽速度范围内系统均稳定，验证了该方法的有效性和自适应性。

【关键词】感应电机；无速度传感器控制；自适应观测器；MATLAB仿真

【Abstract】In order to improve the performance of sensorless vector control system at low speed for induction motor， an adaptive state observer based on the stationary reference frame is put forward to estimate the flux and rotor speed. The feedback gain matrix of the observer based on the pole placement method is designed to reduce the reliability to the motor parameters， and the stability of the system is guaranteed by Lyapunov theory. Finally， the simulation platform is built by using MATLAB and the simulation results show that the flux observation error is small and the system is stable in a wide speed range， and the effectiveness and adaptability of the method are verified..

【Key words】Induction motor； Sensorless control； Adaptive observer； Matlab simulation

0 引言

为了获得高性能的交流调速系统，通常需要采用转速闭环控制，但是在电机轴上安装速度传感器需要保证较好的同轴度，否则将影响测速的精度。所以，无速度传感器矢量控制（Speed Sensorless Vector Control）成为了当前交流电机控制领域的一个研究热点。这类系统的关键是在没有传感器的情况下获得电机的转速信号，主要问题是改善低速性能和扩展调速范围。针对如何改善调速系统的低速性能问题[8]，现在已经提出了许多方法，但都不能解决根本问题。要想从实质上解决调速系统的低速性能，扩展调速范围，必须摒弃感应电机的电压模型和电势计算，找到一种与它们无关的计算方法。采用基于定子电流的模型参考自适应法（MRASCC）[9]和全阶观测器（NFO）[7]，它们以电动机本身作为参考模型，通过比较实际测量得到的定子电流实际值和用电动机模型算出的定子电流模型值，再经过自适应调节器得到转速观测信号。这两种方法都改善了电机的低速性能并扩展了电机的调速范围。

本文仅讨论全阶自适应观测器法，其关键问题是反馈增益矩阵G的确定，G的取值对磁链观测精度、动态性能和系统的稳定性影响极大。本文参考文献[7]的增益矩阵求解方法：先将观测器的极点相对于电机极点在复平面上左移一个常数距离，由于只改变了极点的实部，系统的稳定性得到了提高，但增益矩阵中仍然包含估计转速，因此不可避免地受到转速估计误差的影响，作者提出一种简化算法，即令ω→∞，相应的增益矩阵变为常数，便于实现。

1 感应电机数学模型

若选择合适的增益矩阵G使得式（8）右边第一项为负半定，则转速自适应观测器是稳定的。为了加速转速估计器的响应速度，通常转速估计采用比例积分的自适应方案，如下：

3 仿真结果

仿真模型如图2所示。仿真参数如下：各个PI调节器选定的参数为，APSIR：Ki=100，Kp=500；ASR：Ki=2，Kp=25，转速观测器PI调节参数为Ki=2，Kp=2500。

图3波形分析：电机启动后0.05s左右进入稳态，定子电流基本上为正弦波，但含有一定的谐波分量（存在毛刺）。图4波形分析：电机启动后0.05s左右进入稳态。当给定转速为100r/min时，给定转子磁链幅值为1Wb时，而观测值约为0.98Wb，最大观测误差约0.02Wb，误差较小。图5波形分析：空载阶段，观测转速约为100r/min，实际转速约为105r/min，观测误差约为-5r/min，误差大约为5%；0.2s时加入负载后，在0.23s左右再次稳定，观测转速约为97r/min，实际转速约为101r/min，观测误差约为-4r/min，误差大约为4%。

4 结论

当采用自适应观测器对转子磁链进行观测时，给定转速为100r/min时，电机启动后0.05s左右便进入稳态，磁链观测效果很好，最大观测误差约0.02Wb，转速观测的误差约为-5r/min，误差较小，但转速子启动过程中的跟踪效果不是很好，且超调较大，振荡较为严重。仿真结果表明该观测器在低速时估计转速能够比较准确的跟踪实际转速。

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[责任编辑：杨玉洁]

强化民主管理，就是要建立一整套科学、规范和完善的民主管理运行机制，以民主管理推进整体工作。一是，要进一步完善“教代会”、“职代会”制度，使“教代会”、“职代会”真正成为反映广大教职工诉求、凝聚广大教职工人心的可靠平台。学校重大事项应当依法通过“教代会”、“职代会”决策，涉及教职工切身利益的重大问题，都必须通过“教代会”、“职代会”讨论表决通过。要提升工会和教代会的影响力，促进依法治校的制度约束，提高依法依规管理工会的能力和水平，发挥工会维护教职工权益的作用。二是，完善校务公开制度。校务公开是教职工代表大会在闭会期间教职工行使民主权利的有效形式，能够促进教职工代表大会制度的完善、巩固和提高。

推进高校工会法治化建设是实现依法治国对工会工作的必然要求，也是维护教职工合法权益的必然要求。随着我国法治化建设进程的不断加快，运用法治思维和法治方式解决问题、处理矛盾已成为社会发展的必然。因此，工会组织一定要在工作中始终贯彻这一指导思想，树立依法维权、依法履职的观念，切实维护广大教职工的合法权益。

【参考文献】

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[2]《中华人民共和国工会法》第2条规定：“中华全国总工会及其各工会组织代表职工的利益，依法维护职工的合法权益。”“参与协调劳动关系和调解劳动争议，与企业、事业单位行政方面建立协商制度，协商解决涉及职工切身利益问题。帮助和指导职工与企业、事业单位行政方面签订和履行劳动合同，代表职工与企业、事业单位行政方面签订集体合同或者其他专项协议，并监督执行。”

[3]《中国工会章程》第28条规定：“参与协调劳动关系和调解劳动争议，与企业、事业单位行政方面建立协商制度，协商解决涉及职工切身利益问题。帮助和指导职工与企业、事业单位行政方面签订和履行劳动合同，代表职工与企业、事业单位行政方面签订集体合同或者其他专项协议，并监督执行。”

[4]《工会法》第14条：“中华全国总工会、地方总工会、产业工会具有社会团体法人资格。基层工会组织具备民法通则规定的法人条件的，依法取得社会团体法人资格。”

[5]《工会法》第六条：“维护职工合法权益是工会的基本职责。工会在维护全国人民总体利益的同时，代表和维护职工的合法权益。”

[责任编辑：王伟平]