感應電機低速運行時自適應狀態觀測器研究

周喆　吳俊

【摘 要】為了改善感應電機無速度傳感器矢量控制系統的低速性能，基于感應電機的靜止兩相數學模型，采用自適應狀態觀測器對轉子磁鏈和轉子轉速進行直接觀測，利用極點配置方法給出了觀測器的反饋增益矩陣，減小了觀測磁鏈對電機參數的依賴性，系統的穩定性由Lyapunov理論得以保證。最后，利用MATLAB搭建了仿真平臺，仿真結果表明磁鏈觀測誤差小，在較寬速度范圍內系統均穩定，驗證了該方法的有效性和自適應性。

【關鍵詞】感應電機；無速度傳感器控制；自適應觀測器；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

為了獲得高性能的交流調速系統，通常需要采用轉速閉環控制，但是在電機軸上安裝速度傳感器需要保證較好的同軸度，否則將影響測速的精度。所以，無速度傳感器矢量控制（Speed Sensorless Vector Control）成為了當前交流電機控制領域的一個研究熱點。這類系統的關鍵是在沒有傳感器的情況下獲得電機的轉速信號，主要問題是改善低速性能和擴展調速范圍。針對如何改善調速系統的低速性能問題[8]，現在已經提出了許多方法，但都不能解決根本問題。要想從實質上解決調速系統的低速性能，擴展調速范圍，必須摒棄感應電機的電壓模型和電勢計算，找到一種與它們無關的計算方法。采用基于定子電流的模型參考自適應法（MRASCC）[9]和全階觀測器（NFO）[7]，它們以電動機本身作為參考模型，通過比較實際測量得到的定子電流實際值和用電動機模型算出的定子電流模型值，再經過自適應調節器得到轉速觀測信號。這兩種方法都改善了電機的低速性能并擴展了電機的調速范圍。

本文僅討論全階自適應觀測器法，其關鍵問題是反饋增益矩陣G的確定，G的取值對磁鏈觀測精度、動態性能和系統的穩定性影響極大。本文參考文獻[7]的增益矩陣求解方法：先將觀測器的極點相對于電機極點在復平面上左移一個常數距離，由于只改變了極點的實部，系統的穩定性得到了提高，但增益矩陣中仍然包含估計轉速，因此不可避免地受到轉速估計誤差的影響，作者提出一種簡化算法，即令ω→∞，相應的增益矩陣變為常數，便于實現。

1 感應電機數學模型

若選擇合適的增益矩陣G使得式（8）右邊第一項為負半定，則轉速自適應觀測器是穩定的。為了加速轉速估計器的響應速度，通常轉速估計采用比例積分的自適應方案，如下：

3 仿真結果

仿真模型如圖2所示。仿真參數如下：各個PI調節器選定的參數為，APSIR：Ki=100，Kp=500；ASR：Ki=2，Kp=25，轉速觀測器PI調節參數為Ki=2，Kp=2500。

圖3波形分析：電機啟動后0.05s左右進入穩態，定子電流基本上為正弦波，但含有一定的諧波分量（存在毛刺）。圖4波形分析：電機啟動后0.05s左右進入穩態。當給定轉速為100r/min時，給定轉子磁鏈幅值為1Wb時，而觀測值約為0.98Wb，最大觀測誤差約0.02Wb，誤差較小。圖5波形分析：空載階段，觀測轉速約為100r/min，實際轉速約為105r/min，觀測誤差約為-5r/min，誤差大約為5%；0.2s時加入負載后，在0.23s左右再次穩定，觀測轉速約為97r/min，實際轉速約為101r/min，觀測誤差約為-4r/min，誤差大約為4%。

4 結論

當采用自適應觀測器對轉子磁鏈進行觀測時，給定轉速為100r/min時，電機啟動后0.05s左右便進入穩態，磁鏈觀測效果很好，最大觀測誤差約0.02Wb，轉速觀測的誤差約為-5r/min，誤差較小，但轉速子啟動過程中的跟蹤效果不是很好，且超調較大，振蕩較為嚴重。仿真結果表明該觀測器在低速時估計轉速能夠比較準確的跟蹤實際轉速。

【參考文獻】

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[責任編輯：楊玉潔]

強化民主管理，就是要建立一整套科學、規范和完善的民主管理運行機制，以民主管理推進整體工作。一是，要進一步完善“教代會”、“職代會”制度，使“教代會”、“職代會”真正成為反映廣大教職工訴求、凝聚廣大教職工人心的可靠平臺。學校重大事項應當依法通過“教代會”、“職代會”決策，涉及教職工切身利益的重大問題，都必須通過“教代會”、“職代會”討論表決通過。要提升工會和教代會的影響力，促進依法治校的制度約束，提高依法依規管理工會的能力和水平，發揮工會維護教職工權益的作用。二是，完善校務公開制度。校務公開是教職工代表大會在閉會期間教職工行使民主權利的有效形式，能夠促進教職工代表大會制度的完善、鞏固和提高。

推進高校工會法治化建設是實現依法治國對工會工作的必然要求，也是維護教職工合法權益的必然要求。隨著我國法治化建設進程的不斷加快，運用法治思維和法治方式解決問題、處理矛盾已成為社會發展的必然。因此，工會組織一定要在工作中始終貫徹這一指導思想，樹立依法維權、依法履職的觀念，切實維護廣大教職工的合法權益。

【參考文獻】

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[2]《中華人民共和國工會法》第2條規定：“中華全國總工會及其各工會組織代表職工的利益，依法維護職工的合法權益。”“參與協調勞動關系和調解勞動爭議，與企業、事業單位行政方面建立協商制度，協商解決涉及職工切身利益問題。幫助和指導職工與企業、事業單位行政方面簽訂和履行勞動合同，代表職工與企業、事業單位行政方面簽訂集體合同或者其他專項協議，并監督執行。”

[3]《中國工會章程》第28條規定：“參與協調勞動關系和調解勞動爭議，與企業、事業單位行政方面建立協商制度，協商解決涉及職工切身利益問題。幫助和指導職工與企業、事業單位行政方面簽訂和履行勞動合同，代表職工與企業、事業單位行政方面簽訂集體合同或者其他專項協議，并監督執行。”

[4]《工會法》第14條：“中華全國總工會、地方總工會、產業工會具有社會團體法人資格。基層工會組織具備民法通則規定的法人條件的，依法取得社會團體法人資格。”

[5]《工會法》第六條：“維護職工合法權益是工會的基本職責。工會在維護全國人民總體利益的同時，代表和維護職工的合法權益。”

[責任編輯：王偉平]