永磁同步电动机定子磁链观测方法研究

电气传动２００８年第３８卷第６期

ＥＩ。ＥＣＴＲＴＣＤＲＩＶＥ２００８Ｖ０１．３８Ｎｏ．６

永磁同步电动机定子磁链观测方法研究

冯江华，桂卫华

（中南大学信息科学与工程学院，湖南长沙４１００８３）

摘要：定子磁链的准确观测是直接转矩控制系统的重要环节之一。定子磁链的观测，一方面影响着空间电压矢量的选择，即可能由于观测误差无法准确判定磁链所在的扇区；另一方面它可能造成控制策略失误，影响转矩的观测结果，所以定子磁链的准确观测和有效控制，对于提高直接转矩控制系统的性能有着重要的意义。将磁链反电势积分法和电流模型观测方法联合起来，构成一适用于全速范围内的闭环磁链观测器，从而有效确保了定子磁链的准确观测。

关键词：定子磁链；永磁同步电动机；电压模型；电流模型中图分类号：ＴＭ３５１

Ｒｅｓｅａｒｃｈ

文献标识码：Ａ

ｏｆＳｔａｔｏｒＦｌｕｘＯｂｓｅｒｖｅｒｏｆＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＭａｃｈｉｎｅｓ

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（ＳｃｈｏｏｌｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｅｎｔｒａｌＳｏｕｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｔａｔｏｒｆｌｕｘ；ｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ

ｍａｃｈｉｎｅｓ（ＰＭＳＭ）；ｖｏｌｔａｇｅｍｏｄｅｌ；ｃｕｒｒｅｎｔｍｏｄｅｌ

由于永磁同步电动机直接转矩控制方式尚处于发展阶段，对于定子磁链的观测方法研究也相对较少，目前主要采用对反电势进行积分的方法对定子磁链进行观测，即定子磁链的电压模型。文献ＥＩ－Ｉ将ＪｕｎＨｕ［２］针对异步电动机磁链观测方法提出的３种改进型积分器应用于永磁同步电动机定子磁链观测，用以克服纯积分器对定子磁链观测的缺陷。为提高磁链观测器对电机参数变化的鲁棒性，文献［３３将全维状态观测器引入到永磁同步电动机直接转矩控制系统中。文献［４］将定子磁链在转子旋转坐标系下的方程，经旋转坐标系到静止坐标系旋转变换后获得了一定子磁链观测模型，并且定义该模型为电流模型。文献［４］定义的磁链电流模型和对反电势进行积分的电压模型，均属于结构相对简单的磁链开环观测模型。文献［４］所对应的磁链电流模型由于不含有定子

电阻项，所以在低速时具有较好的效果。高速运行时由于定子电阻变化造成的影响减小，电压模型法可以较准确的观测磁链。如果在低速时采用文献［４］所对应的电流模型，高速时采用反电势积分法的电压模型对定子磁链进行观测，就可以在各个速度区段获得较好的磁链观测效果。但两个模型之间的切换却不容易快速平滑的实现，导致系统性能下降，并且简单的将两个模型组合得到的磁链观测器仍是开环观测模型，不能保证磁链的观测精度，针对这种情况，本文依据文献［５］针对异步电机的磁路观测方法，对永磁同步电机提出了将这两种模型联合起来构成一适用于全速范围内的闭环磁链观测器，从而有效确保了定子磁链的准确观测。该观测器不需要在线调整参数，确保了永磁同步电动机直接转矩控制系统在整个范围内均保持较好的效果。

作者简介：冯江华（１９６４一），男，教授级高级工程师，Ｅｍａｉｌ：ｘｕｊｆ＠ｔｅｇ．ｃｎ２０

万方数据

冯江华．等：永磁同步电动机定子磁链观测方法研究１

混合模型磁链闭环观测器性能分析

基于电压一电流混合模型的磁链闭环观测器

结构如图１所示。

图１基于混台模型的磁链网环观测器

Ｆｉｇ．１

Ｆｌｕｘｏｂｓｅｒｖｅｒ

ｗｉｔｈ

ｈｙｂｒｉｄｆｌｕｘｍｏｄｅｌ

由图１可以得到由混合模型闭环磁链观测器得到的定子磁链表达式为

说：［（氓一氯）（Ｋ。＋譬）＋（“。一Ｒ而）］｛

一讥（蜀＋堕）上一魏（Ｋ。＋牟）三＋氯，

（１）

其中，蛾为最终观测磁链，识，和吼。分别为通过

反电势积分法和文献［１］所对应的磁链观测模型

鱿：记莉（观测得到的定子磁链。整理式（１）可得：

炉虬鬲森他’而弭

＝如一志他Ｖ丽１

Ｋｓｑ＿Ｋ２）吨丽１＝豉（１一赢）＋靓，赢

（２）

定义‘５。。

Ｈ（５）一再丽５

ｓ‘十＾ｌｓ十＾２

（３）

由式（２）可知混合模型闭环磁链观测器的观测效果取决于函数Ｈ（ｓ）的特性，为此需要对Ｈ（ｓ）的特性进行研究。当系统处于稳态时，Ｈ（ｓ）的频率特性函数可以写成：

Ｈ（似净而ｉ嵩２丽×

ｅｊ｛。－ｔ，ｎ－１［Ｋ１％／‘Ｋ２一《心

（４）

根据式（４）可以绘制出Ｈ（ｓ）的频率特性示意图，如图２所示‘５｜。

根据图２中Ｈ（ｓ）的频率特性示意图及式

万方数据

电气传动２００８年第３８卷第６期

（４），可以知道观测磁链蛾在中速区段的轨迹将偏离理想的轨迹，如果再加上电机参数变化带来的扰动误差和测量误差，将使磁链观测的效果大大降低。图３是采用图１的磁链观测模型，得到的定子磁链幅值和真实定子磁链幅值对比图。由图３可知，采用混合定子磁链闭环观测模型得到的定子磁链，在系统低速运行和高速运行时较好地跟踪了真实定子磁链，但是在中速段，观测得到的定子磁链幅值严重偏离了真实定子磁链。

ｌｍ

麟＝Ｏ

‘巩＋ｏ

、

ｔ

（

ＪＲＩ

——须缸ｋ）

／

速度，ｒ．ｍｉｌｌ－１

图２

Ｈ（ｓ）的频率蠢一

图３定子磁链与真实

特性示意图

磁链对比图

Ｆｉｇ．２

Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｈａｒ－

Ｆｉｇ．３

Ｃｏｍｐａｒｅｏｆｒｅａｌｆｌｕｘａｃｔｅｒ

ｏｆＨ（ｓ）

ａｎｄｆｌｕｘｏｂｔａｉｎｅｄ

引起这种情况的主要原因是由于式（４）中存在ｅｉ卜“－ａ［Ｋ・～胜ｚ一《’］），该相位的存在，使得磁链观测在中速区有了较大的偏差，为了克服这种情况，需对图１所示的观测方法进行相位补偿，消除式（４）的ｅｊ｛”““１‘Ｋ，～／（Ｋｚ一《’］’项。采用相位补偿后的观测器如图４所示。

幽４引入相位补偿的掘台模型破链团环观测器框图

Ｆｉｇ．４

Ｆｌｕｘｏｂｓｅｒｖｅｒ

ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

ｗｉｔｈ

ｐｈａｓｅ

ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ

从图４可得到引入相位补偿后Ｈ（ｓ）为（用Ｈ７（５）区别于Ｈ（ｓ））［５］

其中ａ＝［７ｔ－－ｔａｎ－１（慧）］

Ｈ，。净西乏而ｅ呻

（５）

（６）

因此Ｈ７（ｊ吐）可以写成：

Ｈ，（ｊ岫一而意嵩丽∽

２１

电气传动２００８年第３８卷第６期由式（７）可见，有相位补偿的频率别如图５和图６所

Ｉ

速度ｈ‘ｍｉｎ“

图５频率特性

图６磁链观测对比图

Ｆｉｇ．５

Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ

ｃｈａｒａｃｔｅｒ

Ｆｉｇ．６

Ｃｏｍｐａｒｅｗｉｔｈｆｌｕｘｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ

从图２和图５的对比中可以发现，引入相位补偿后，Ｈ７（ｊ魄）的相位始终为零，所以混合模型闭环磁链观测器观测值，将不再受相位信息的影响，从而可以较好地实现对定子磁链的观测。采用含有补偿环节的磁链混合模型，得到的定子磁链幅值和真实定子磁链幅值对比图，如图６所示。从图６中可以发现，采用混合磁链模型得到的定子磁链幅值无论在低速段还是在中速段，均取得了较好的效果，较好地逼近了磁链的真实值，从而实现了对定子磁链的有效观测，确保系统的性能。２

混合模型磁链闭环观测方法效果

图７～图１０是分别采用定子磁链混合观测

模型得到的定子磁链直轴分量以及定子电流的结果。从图７～图１０的分析可以发现，采用混合模型观测方法得到了较好的定子磁链观测效果，其频谱分析得到的高次谐波含量相对较少。

皇（埘糖

螽

脚

图９定子电流波形

图１０图９对应的频谱分析图

Ｆｉｇ．９

Ｓｔａｔｏｒ

ｃｕｒｒｅｎｔ

ｗａｖｅ

Ｆｉｇ．１０

Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｐｅｃｔｒｕｍｏｆ

Ｆｉｇ．９

２２

万方数据

冯江华。等：永磁同步电动机定子磁链观测方法研究

３

结论

本文在定子磁链电压模型和文献［１］所定义

的磁链电流模型的基础上，依据异步电机的磁路观测方法，针对永磁同步电机提出混合模型磁链观测器。混合模型磁链观测器不需要对系统参数进行在线调整，因此可以实现系统的磁链准确观

测，确保了永磁同步电动机直接转矩控制系统在整个范围内均保持较好的效果。永磁同步电机直接转矩控制是刚刚兴起的研究课题，很多问题还有待深入研究。参照异步电机在这方面的发展轨迹结合新的控制理论和新的技术，很多成果可以在永磁同步电机中进行应用研究，使得永磁同步电机的调速性能得以提高。

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修改稿日期：２００８－０１－０９