導讀：本期文章主要是介紹電壓型磁鍊觀測器和電流型磁鍊觀測器。兩種磁鍊觀測器運用到異步電機矢量控制中，外環磁鍊環用磁鍊觀測器形成閉環，分析電壓型和電流型磁鍊觀測器的觀測性能。
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一、研究背景及意義
磁鍊估計是高性能交流感應電機調速系統中的重要組成部分。而磁鍊在實際應用中一般不用傳感器直接檢測，是以現代交流電力傳動控制系統常用磁鍊估計模型來估算磁鍊。在電機運作過程中，要考慮磁飽和、溫度等幹擾信号對電機參數造成偏差的影響，是以如何在電機全速範圍内獲得準确的磁鍊即提高磁鍊觀測器的參數魯棒性成為衆多學者的研究内容。
轉子磁鍊觀測器利用定子電壓、定子電流或轉子轉速信号觀測出轉子磁鍊的相位和幅值。如果轉子磁鍊的相位觀測不準，那麼定子電流的勵磁分量與轉矩分量就不能實作完全的解耦，可能會造成系統的振蕩甚至不穩定。如果觀測出轉子磁鍊的幅值偏大，會使得電機運作在弱磁狀态，減小電機的帶載能力；如果觀測出轉子磁鍊的幅值偏小，會導緻過大的勵磁電流，使電機的鐵心飽和，嚴重時還會導緻繞組過熱而燒壞電機。是以決定整個矢量控制系統性能優劣的最為關鍵環節就是轉子磁鍊觀測器。
二、開環轉子磁鍊觀測器
2.1、電壓型磁鍊觀測器
在靜止坐标系下基于電壓模型的轉子磁鍊向量表達式如下：
從上式可以發現電壓型觀測器具有以下特點：
（1）該模型與轉子電阻Rr無關，且不需要電機轉速 資訊，适合用于無速度傳感器矢量控制；
（2）包含一純積分項，被積項的初始相位與直流偏置都會影響積分結果；
（3）低速時觀測器性能較差。因為低速時給定的定子電壓幅值小，電機端電壓難以精确獲得，定子電阻的阻值在運作過程中又會發生變化，使得被積項産生明顯的相對誤差。
針對電壓模型磁鍊觀測器包含純積分環節和低速性能差的問題，主要有三個改進措施：
(1) 采用其他環節來替換純積分環節，例如用一階低通濾波環節，針對一階低通濾波環節會帶來幅值和相位的誤差以及無法消除直流偏置影響的問題，現有文獻提出了許多改進型的積分器；
（2）對逆變器的非線性誤差電壓進行補償。逆變器的驅動信号中存在的死區時間、開關管的導通壓降和開通關斷時間都會使得逆變器的參考電壓和實際輸出電壓産生一定誤差，尤其在低速時，由于給定電壓的幅值小，重構的定子電壓與實際值的相對誤差變得尤為明顯。如何盡可能地減少給定電壓與逆變器輸出實際電壓的誤差不單是電壓模型磁鍊觀測器的問題，這是所有用到定子電壓的磁鍊觀測器共性問題。
（3）加入定子電阻的線上辨識，使得在控制系統的運作過程中定子電阻參數能夠跟随其實際值變化。
2.2、電流型磁鍊觀測器
靜止坐标系下的基于電流模型的轉子磁鍊向量表達式如下：
從上式可以發現電流型觀測器具有以下特點：
（1）需要實測的定子電流和轉速信号，不需要定子電壓信号；
（2）包含轉子時間常數與互感Lm參數，當電機溫升和磁路飽時會對這些參數産生較大影響；
（3）不包含純積分環節，故其觀測值是漸進收斂的。
三、敏感性分析
3.1、基于電流型磁鍊觀測器的參數敏感性分析
圖（1）轉子電阻取0.5和1.5倍時基于電流型的磁鍊比值函數的波特圖
圖（2）互感取0.5和1.5倍時基于電流型的磁鍊比值函數的波特圖
（1）、基于電流模型的轉子磁鍊觀測器不受定子電阻Rs偏差的影響；
（2）、基于電流模型的轉子磁鍊觀測器在空載時對轉子電阻偏差不敏感，但随着負載的增大，對轉子電阻偏差的敏感性提高；
（3）、基于電流模型的轉子磁鍊觀測器對互感的偏差較敏感。
3.2、基于電壓型磁鍊觀測器的參數敏感性分析
圖（3）定子電阻取0.5和1.5倍空載時基于電壓型的磁鍊比值函數的波特圖
圖（4）定子電阻取0.5和1.5倍滿載時基于電壓型的磁鍊比值函數的波特圖
（1）、基于電壓模型的轉子磁鍊觀測器不受電機轉子電阻偏差的影響；
（2）、在低速段，基于電壓模型的轉子磁鍊觀測器對定子電阻的偏差十分敏感，定子電阻的偏差會導緻轉子磁鍊的估計值出現較大的幅值和相位誤差；在中、高速段，基于電壓模型的轉子磁鍊觀測器對定子電阻的偏差不敏感。
（3）基于電壓模型的轉子磁鍊觀測器對互感的偏差不敏感。
3.2、小結
現有參考文獻中對電壓模型和電流模型磁鍊觀測器的參數敏感性分析，綜合來看，電流模型不需要電壓信号且不包含純積分環節，更适合低速運作狀态；電壓模型裡不包含轉子電阻，電機參數魯棒性更強，是以中、高速時性能優于電流模型。為了充分利用兩種模型的優點，可以将兩種模型結合起來，在低速時采用電流模型，在中、高速時采用電壓模型。下面介紹一種電壓電流混合模型轉子磁鍊觀測器。（暫定）
四、仿真模組化
這次異步電機矢量控制系統仿真共有三個，主體仿真架構一樣，主要改變磁鍊估計子產品。本期文章主要介紹三種磁鍊估計方式，一種是旋轉坐标系下的轉子磁鍊估計、另外兩種是靜止坐标系下的電流型磁鍊觀測器和電壓型磁鍊觀測器。
4.1電機參數
4.2電機運作的工況
仿真中異步電機的參數如上表所示。仿真運作的采樣率為5K，在0.7秒前，速度參考值設為1500r/min，在0.7秒後參考速度設定為1000r/min（中高速區域），低速區域設為300r/min後降到150r/min（低速區域）。在0.4秒前，電機空載，在0.4秒之後給電機加14N.m的負載。
4.3仿真波形分析
圖4-1異步電機矢量控制系統仿真（旋轉坐标系下的轉子磁鍊估計）
圖4-2仿真搭建
高速區域
圖4-3仿真波形變化情況（低速區域）
圖4-4 FFT分析
圖4-5異步電機矢量控制系統仿真（靜止坐标系下的電流型磁鍊觀測器）
圖4-6仿真搭建
高速區域
圖4-7仿真波形變化情況（低速區域）
圖4-8 FFT分析
圖4-9異步電機矢量控制系統仿真（靜止坐标系下的電壓型磁鍊觀測器）
圖4-10仿真搭建
（高速區域）
圖4-11仿真波形變化情況（低速區域）
圖4-12仿真波形變化情況
4.4總結
從上節仿真分析可知：在高速帶載運作區域時，電壓型磁鍊觀測器并到磁鍊環中轉矩紋波更小。在低速運作區域，電流型磁鍊觀測器具有更好的觀測器性能。
綜上可知：在低速區域時，電流型磁鍊觀測器具有更好的觀測優勢；在中高速區域，電壓型磁鍊觀測器具有更好的觀測優勢。後期文章将介紹電壓電流混合模型磁鍊觀測器，在全速範圍内進行穩定觀測，提高電機的控制性能。