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第一部分 测量与辨识3

第1章 正弦模态下异步电机的模型参数辨识3

1.1 引言3

1.2 数学模型3

1.2.1 异步电机动态模型3

1.2.2 四参数模型的建立5

1.2.3 磁路饱和8

1.2.4 铁损9

1.2.5 正弦模态10

1.2.6 对不同数学模型的归纳总结11

1.2.7 参数测量13

1.2.8 铭牌的使用14

1.3 基于有限参数测量的传统方法15

1.3.1 定子电阻测量15

1.3.2 基于转子总漏磁折算的模型15

1.3.3 基于定子总漏磁折算的模型18

1.3.4 饱和特性19

1.3.5 实验结果19

1.4 以导纳最小化为目标函数的估计法22

1.4.1 目标函数最小化的参数估计22

1.4.2 目标函数的选择22

1.4.3 方法实现23

1.4.4 估算误差分析23

1.4.5 实验结果28

1.4.6 最优实验设计29

1.4.7 方法总结31

1.5 线性估计法31

1.5.1 基本原理31

1.5.2 五参数模型实例32

1.5.3 精度分析34

1.5.4 实验结果36

1.5.5 “线性化”方法主要结论39

1.6 结论39

1.7 附录40

1.7.1 参数变化敏感性的表示方法40

1.7.2 所使用电机的特性41

1.8 参考文献41

第2章 饱和状态下同步电机的建模及参数辨识44

2.1 同步电机建模：一般理论44

2.1.1 同步电机描述与一般建模假设44

2.1.2 用于电机研究的基础电路定律46

2.1.3 用abc坐标系内变量表示的模型方程47

2.1.4 康科迪亚变换：用0αβ坐标系内变量表示的模型方程51

2.1.5 派克变换：用0dq坐标系内变量表示的模型方程57

2.1.6 电机与三相轴系的连接关系61

2.1.7 转子电路到定子电路的化简62

2.1.8 相对单位（标幺值）68

2.2 经典模型及其参数测试69

2.2.1 非饱和状态同步电机69

2.2.2 通用经典测试方法72

2.2.3 保梯方法80

2.3 高等模型：饱和状态同步电机83

2.3.1 冯·德恩伯理论关于饱和电机的基本假设：磁路饱和状态下的电感电路83

2.3.2 饱和状态下的磁耦合一般研究84

2.3.3 模型实现92

2.4 参考文献95

第3章 异步电机实时参数估计97

3.1 简介97

3.2 参数估计的目标98

3.2.1 关于电机的控制98

3.2.2 关于电机的故障诊断100

3.3 基本问题101

3.3.1 模型的可辨识性、可参数化及可验证性102

3.3.2 采样周期的选择及数字化实现问题104

3.3.3 状态监测与数据分析107

3.4 最小二乘法113

3.4.1 最小二乘法与辅助变量法的原理113

3.4.2 最小二乘法在异步电机中的应用115

3.5 扩展卡尔曼滤波器120

3.5.1 基本原理120

3.5.2 协方差矩阵Q与R的调整122

3.5.3 在异步电机中的应用123

3.6 扩展伦伯格观测器130

3.6.1 基本原理130

3.6.2 异步电机转速估计132

3.7 结论138

3.8 附录：电机特性138

3.9 参考文献138

第二部分 观测器实例147

第4章 异步电机线性估计器与观测器147

4.1 简介147

4.2 异步电机状态估计模型147

4.2.1 异步电机派克模型148

4.2.2 用于磁链估计的几种状态模型150

4.2.3 磁链估计不同参考坐标系研究152

4.3 磁链估计154

4.3.1 简介154

4.3.2 定子磁链估计器154

4.3.3 转子磁链估计器156

4.4 磁链观测157

4.4.1 全阶确定性状态观测器157

4.5 线性随机观测器——卡尔曼-布西滤波器164

4.5.1 简介164

4.5.2 卡尔曼-布西滤波器模型164

4.5.3 卡尔曼滤波器的收敛性166

4.5.4 仿真及实验结果168

4.6 用于转速估计的独立观测器结构设计172

4.6.1 简介172

4.6.2 一般原理173

4.6.3 转速估计与观测方法174

4.7 自适应观测器183

4.7.1 简介183

4.7.2 观测器增益的确定185

4.7.3 速度自适应律186

4.7.4 仿真及实验结果188

4.8 变结构机械变量观测器（VSMO）191

4.8.1 基本原理191

4.8.2 VSMO的构造192

4.8.3 变结构观测器增益设计193

4.8.4 观测器性能介绍194

4.8.5 低速运行198

4.8.6 观测器对参数变化的鲁棒性199

4.9 结论201

4.10 参考文献201

第5章 异步电机确定性磁链观测器的结构分解：笛卡儿结构与降阶结构204

5.1 简介204

5.2 异步电机估计模型205

5.2.1 异步电机派克模型205

5.2.2 笛卡儿观测器和降阶观测器的状态方程207

5.2.3 控制参考坐标系内磁链的确定209

5.3 笛卡儿观测器210

5.3.1 笛卡儿观测器的原理和结构211

5.3.2 几种不同结构的笛卡儿观测器212

5.3.3 以定子磁链和转子磁链为变量的笛卡儿观测器综合法214

5.3.4 以定子磁链和转子磁链为变量的笛卡儿观测器的离散化216

5.3.5 定子磁链与转子磁链笛卡儿观测器的有效性验证218

5.3.6 笛卡儿观测器评价219

5.4 降阶观测器220

5.4.1 降阶观测器的原理和结构220

5.4.2 几种不同的降阶观测器222

5.4.3 降阶磁链观测器综合224

5.4.4 降阶磁链观测器的离散化226

5.4.5 降阶磁链观测器的有效性验证226

5.4.6 降阶观测器评价227

5.5 笛卡儿观测器和降阶观测器的主要结论227

5.6 附录：所研究异步电机的参数228

5.7 参考文献228

第6章 基于参数变化敏感性分析法的观测器增益设计231

6.1 简介231

6.2 磁链观测器232

6.2.1 转子磁链估计器232

6.2.2 降阶磁链观测器233

6.2.3 全阶磁链观测器234

6.2.4 观测器增益选择235

6.2.5 参考坐标系选择236

6.3 参数敏感性分析方法236

6.3.1 磁链幅值与相位差估计236

6.3.2 磁路饱和带来的影响239

6.3.3 磁链估计误差的计算算法239

6.3.4 定子电流的变化240

6.4 观测器增益的选取240

6.4.1 极点配置与参数变化敏感性240

6.4.2 最优状态观测器242

6.5 降阶磁链观测器243

6.5.1 控制策略243

6.5.2 磁链定向和幅值的估计误差244

6.5.3 理论结果244

6.5.4 实验结果247

6.6 全阶磁链观测器250

6.6.1 控制策略250

6.6.2 磁链定向和幅值的估计误差250

6.6.3 理论结果250

6.6.4 实验结果254

6.7 结论257

6.8 附录：鼠笼转子式异步电机的主要参数257

6.9 参考文献257

第7章 电机负载转矩观测259

7.1 简介259

7.2 旋转轴系内的负载转矩特性描述260

7.2.1 简介260

7.2.2 电机电磁转矩的崩溃260

7.2.3 改变接触方式造成的负载转矩崩溃263

7.3 基于负载转矩观测的作动器模态控制267

7.3.1 简介267

7.3.2 作动器的状态空间描述268

7.3.3 能控性和能观测性分析269

7.3.4 状态反馈控制律270

7.4 负载转矩观测277

7.4.1 简介277

7.4.2 积分环路观测器277

7.4.3 全阶观测器284

7.4.4 基于位置角测量的降阶双变量状态观测器290

7.4.5 基于转速测量的降阶单变量状态观测器298

7.4.6 不同类型观测器的对比研究302

7.5 基于阻转矩观测的状态反馈控制律鲁棒性分析303

7.5.1 简介303

7.5.2 研究背景304

7.5.3 作动器位置角的鲁棒性305

7.5.4 作动器旋转速度的鲁棒性307

7.5.5 结论310

7.6 实验结果312

7.6.1 简介312

7.6.2 基于扰动转矩观测器的模态控制主要结论313

7.6.3 非线性摩擦造成的影响319

7.7 结论323

7.8 参考文献323

第8章 同步电机无机械传感器控制的转子位置观测328

8.1 最新研究进展328

8.2 低分辨率转子位置信息重构332

8.2.1 等效反电势测量333

8.2.2 利用电机中性连接点重构反电势和值334

8.2.3 扩展派克变换参考坐标系的应用334

8.2.4 两相参考坐标系的应用335

8.3 基于冗余观测器的精确状态重构335

8.3.1 解析冗余的原理与实现336

8.3.2 观测器误差校正增益的调整340

8.3.3 参数敏感性与鲁棒性348

8.3.4 实验结果350

8.4 基于卡尔曼滤波器的状态精确重构351

8.4.1 概述351

8.4.2 卡尔曼滤波器在同步电机无机械传感器控制的应用355

8.4.3 在同步电机中的应用356

8.4.4 增益调节358

8.4.5 对卡尔曼滤波器因子调整方法的综合分析363

8.5 卡尔曼滤波器及解析冗余观测器用于状态重构的比较364

8.5.1 转速变化对观测器的影响364

8.5.2 转子初始位置对观测器的影响365

8.5.3 电气参数敏感性366

8.5.4 负载转矩对观测器的影响及管理367

8.6 参考文献369