1、山東大學碩士學位論文基于卡爾曼濾波算法的感應電機無速度傳感器控制研究姓名：劉海鵬申請學位級別：碩士專業：電力電子與電力傳動指導教師：張慶范20070521山東大學碩士學位論文摘要感應電機驅動中的大部分問題應當說在當今的電力電子技術領域中已經得到解決，相關的成熟技術提供了被業界廣泛接受的解決方案。目前，感應電機驅動研發的一個重點是如何將驅動器與電機有機地結合在一起，開發出性能更高、成本更低的“驅動模塊”。基于這一思路，開發人員在如何省去軸側速度傳感器以及電機相電流傳感器方面進行了深入的研究，特別是高性能無速度傳感器矢量控制的實現已成為近年來電機驅動研究的熱點。基于以上背景，本論文充分考慮感應電機

2、電磁特性對機械特性的影響，實現了速度和磁通的完全解耦控制和觀測，著重解決感應電機對環境噪聲和電機參數變化的魯棒性及其在無速度傳感器領域中的應用問題。本文系統地介紹了自適應濾波理論中的卡爾曼濾波器家族在感應電機參數觀測中的應用。主要研究了以下感應電機無速度傳感器控制策略：基于擴展卡爾曼濾波器的感應電機矢量控制；基于改進電機模型的降階卡爾曼濾波器參數估計；基于無偏卡爾曼濾波器的感應電機矢量控制。本文第章重點介紹了擴展卡爾曼濾波器的設計，將卡爾曼濾波算法推廣至非線性感應電機系統的參數辨識。擴展卡爾曼濾波器采用工程實際中普遍采用的泰勒展開式截斷的方法，對非線性方程進行線性化處理。在電機狀態方程中加入了

3、反映電機建模誤差和環境干擾的系統噪聲模型和測量噪聲模型。擴展卡爾曼濾波器同時對電機的五個參變量進行估計，并將估計的轉速信息引入感應電機無速度傳感器控制系統中。仿真結果證明與開環的磁鏈與轉速觀測方法相比，擴展卡爾曼濾波器獲得了很好的動態跟蹤性能，抗噪聲能力以及低速狀態下良好的觀測效果。本文第章從濾波器結構入手，推導出了可用于寬采樣周期的降階卡爾曼濾波器。擴展卡爾曼濾波器由于采用了復雜多變量的電機數學模型，致使其在轉速估計中運算量大，要求采樣周期短，實際應用困難。改進的降山東大學碩士學位論文階卡爾曼濾波器采用新的數學模型，簡化了濾波器結構，去除了定子電阻項參數，克服了需要采用短采樣周期的缺陷。經仿

4、真驗證，該觀測策略加快了系統運行時間，提高了轉速估計的準確性和魯棒性。本文第章在一種新穎的統計自回歸算法的基礎上，設計了一種基于無偏卡爾曼濾波器的無傳感器控制策略。無偏卡爾曼濾波器利用變換代替泰勒展開式截斷的方法處理非線性系統。通過一組確定性采樣點來捕獲系統的相關統計特征，再根據非線性映射后的點集重建統計參量。仿真結果證明，變換作為一種全局意義上的線性化，可以使無偏卡爾曼濾波器獲得更好的收斂穩定性和更準確的估計性能，與擴展卡爾曼濾波器相比更適合于實際工程中對非線性系統的應用。關鍵詞：感應電機；無速度傳感器控制；速度觀測；卡爾曼濾波器山東大學碩士學位論文丘，：；，山東大學碩士學位論文，印山東大學

5、碩士學位論文：；隊，“。，“。，。，砧。，曲，聲“，球部“掣，口，妒，妒。，。妒。，妒。，緲。妒，妒妒，妒盤妒血，妒甲妒擊，妒妒，山東大學碩士學位論文符號說明三相坐標系定子相電壓，三相坐標系轉子相電壓，兩相靜止坐標系、蘆軸定子電壓，兩相靜止坐標系、一軸轉子電壓，兩相同步旋轉坐標系、軸定子電壓，兩相同步旋轉坐標系、軸轉子電壓，三相坐標系定子相電流，三相坐標系轉子相電流，兩相靜止坐標系、口軸定子電流，兩相靜止坐標系、口軸轉子電流，兩相同步旋轉坐標系、軸定子電流，兩相同步旋轉坐標系、軸轉子電流，兩相同步旋轉坐標系、軸轉子電流，三相坐標系定子磁通，三相坐標系轉子磁通，兩相靜止坐標系、，軸定子磁通，兩相

6、靜止坐標系、，軸轉子磁通，兩相同步旋轉坐標系、軸定子磁通，兩相同步旋轉坐標系、日軸轉子磁通，轉子磁通幅值，晚，氣疋，耳，工，。，瓦吐煒吐。磚玉小竺畢女山東大學碩士學位論文同步、轉子、轉差電角度，定子、轉子電阻，定子電感、轉子電感、互感，定子漏感、轉子漏感，轉動慣量，電磁轉矩、負載轉矩，同步、轉予、參考角速度，機械角速度，參考機械角速度，估計同步、轉子角速度，微分算子轉子極對數轉子時間常數，漏感因子系統噪聲協方差矩陣測量噪聲協方差矩陣系統維數第一縮放比例參數第二縮放比例參數附件一：原創性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學位論文，是本人在導師的指導下，獨立進行研究所取得的成果。除文中已經注明引用的內容外

7、，本論文不包含任何其他個人或集體已經發表或撰寫過的科研成果。對本文的研究作出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本聲明的法律責任由本人承擔。論文作者簽名：三牲日期：硼吧籮弓關于學位論文使用授權的聲明本人完全了解山東大學有關保留、使用學位論文的規定，同意學校保留或向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱；本人授權山東大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或其他復制手段保存論文和匯編本學位論文。（保密論文在解密后應遵守此規定）論文作者簽名：壘幽砬乞導師簽名：遂：盜絲日期：翌乙蘭：！山東大學碩士學位論文第章緒論引言電能作為

8、一種適宜于大量生產、集中管理、遠距離傳輸和自動控制的能量形式，已成為國民經濟各部門中動力的主要來源。而作為一種在電能的生產、變換、傳輸、分配、使用和控制中必須使用到的機電裝置，電機在工農業生產、交通運輸、國防軍事以及日常生活中扮演著自己重要的角色。隨著國民經濟的不斷發展和人民生活水平的提高，電機產品將廣泛地應用于機械設備、風機、水泵，壓縮機、冶金、石化、紡織、造紙、建筑、礦山、食品等各個行業。根據具體作用分類，電機可分為用以實現能量轉換的旋轉電機和用以實現信號變換的控制電機兩大類“。而根據電流有交、直流之分，可分為直流電機與交流電機。進一步，根據電機轉速與所接電網頻率的關系，又可將交流電機分為

9、同步電機和異步電機兩大類。同步電機的轉速與所接電源的頻率之間存在一種恒定不變的關系。而異步電機的定子繞組接上電源以后，由電源供給勵磁電流，建立磁場，依靠電磁感應作用，使轉子繞組感生電流，產生電磁轉矩。因為異步電機的定子和轉子之間沒有電的直接聯系，能量的傳遞靠電磁感應作用，所以也稱為感應電機。在實際中，同步電機一般作為發電機來使用，而感應電機主要作為電動機來使用。按結構分，感應電機又可分為繞線電機和鼠籠電機兩大類，其中鼠籠電機在生產中應用較廣泛，本論文的研究對象主要針對鼠籠電機。直流電機可以分別控制勵磁電流和電樞電流，因此能實現對磁通和轉矩的完全解耦控制。同時直流電機的電磁時間常數較小，使得電樞

10、電流可以迅速變化，從而達到電磁轉矩的快速響應。因此，直流電機調速性能好，起動轉矩大，在用電系統中，廣泛應用于電力機車、起重機和機床等對電動機的調速性能和起動性能要求高的生產機械上。但是，由于直流電機中機械換向器的存在，導致直流電機中存在著顯著的換向電流和速度限制。山東大學碩士學位論文感應電動機與直流電動機相比具有如下諸多優點腳：）感應電動機定轉子之間沒有電氣聯系，因此它們之間不需要機械式換向器和電刷連接。由于機械式換向器的存在，增加了直流電動機制造工藝的復雜性和成本，從而降低了其功率重量的比值。而感應電動機和直流電動機相比具有重量輕、效率高和轉動慣量小等優點。）直流電動機的大部分功率（除勵磁功

11、率以外）都是通過換向器流入電樞的，轉子發熱量大，效率低。由于轉子散熱條件差，中大功率的贏流電動機需要強迫風冷或水冷。大容量的直流電動機設計制造困難，不得不采用雙電樞或三電樞結構，使成本、體積等大大提高。而感應電動機的容量卻可以做的很大，以適應大型機械傳動的需要。而且感應電動機價格便宜、堅固耐用，在高速時性能也不會變差。）直流電動機換向器和電刷的磨損，降低了系統的可靠性，增加了維修和保養的工作量。電刷火花和環火限制了直流電動機的安裝環境，易燃、易爆、多塵及環境惡劣的地方不能使用直流電動機。感應電動機不存在有這些限制，可以使用在惡劣的環境之下且維修量較少。感應電機特別是鼠籠感應電機，由于結構簡單、

12、制造方便、價格低廉，而且堅固耐用、慣量小、運行可靠、很少需要維護、可用于惡劣環境等優點，在工農業生產中得到了廣泛的應用。但是交流電機調速比較困難，其調速性能比較差，故其傳統定位是應用于固定速度傳動場合。對感應電機的數學建模十分復雜。感應電機變頻調速時需要進行電壓和頻率的協調控制，有電壓和頻率兩種獨立的輸入變量，如果考慮電壓是三相的，實際的輸入變量數目還要多。在輸出變量中，除轉速外，磁通也是一個獨立的輸出變量。因為電機只有一個三相電源，磁通的建立和轉速的變化是同時進行的，但為了獲得良好的動態性能，還希望對磁通施加某種控制，使它在動態過程中盡量保持恒定，才能產生較大的轉矩。因此，感應電機是一個多變

13、量系統。而電壓、頻率、磁通、轉速又互相影響，所以是強耦合的多變量系統。在感應電機中，磁通乘電流得到轉矩，轉速乘磁通得到旋轉感應電動勢。由于它們都是同時變化的，在數學模型中就含山東大學碩士學位論文有兩個變量的乘積項，其數學模型也是非線性的。三相感應電機定子有三個繞組，轉子也可等效為三個繞組，每個繞組產生磁通時都有自己的電磁慣性，再加上運動系統的機電慣性，即使不考慮變頻裝置中的滯后因素，至少也是一個七階系統。綜上所述，感應電動機是一個高階、非線性、強耦合、多變量的控制對象，調速控制復雜，實現高精度的控制較為困難。同時由于感應電機運行中的繞組升溫等因素，繞組參數會發生不同程度的攝動，尤其是轉子電阻，

14、變化程度會很大。感應電機的轉動慣量和負載轉矩大多不精確，甚至是未知的。因此，雖然直流傳動和交流傳動在世紀先后誕生，但在世紀的大部分年代里，約占整個電氣傳動的不變速傳動系統采用交流電動機，而占的高控制性能的可調速控制系統則均采用直流電動機。直到世紀年代變頻調速技術的出現，感應電機才被應用于低性能的可調速傳動領域中嘲。世紀年代磁場定向矢量控制技術的出現使得感應電機的性能大大提升。隨著世紀年代晚期以來微處理器技術和電力電子技術的飛速發展，交流調速性能已經可以與直流調速相媲美、相競爭，目前感應電機已經逐步替代直流電機在高性能調速領域的地位。借助恰當的控制方法克服參數變化和不確定性因素的影響，充分發揮感

15、應電機的機械性能，實現感應電機高性能控制是當今對于各國學者們都具有實際意義的課題嘲。交流變頻調速技術的發展感應電機在實際應用中，其調速性能如何，對提高產品質量、提高勞動生產率和節省電能有著決定性的影響。電動機控制裝置電力傳動自動控制系統，以直流電動機作為控制對象的電力傳動自動控制系統稱之為直流調速系統，以交流電動機作為控制對象的電力傳動系統稱之為交流調速系統。交流調速的方法有多種，但它們都基于交流電動機的轉速公式：席（一）一，（一）（）感應電動機的基本調速方法可分為變頻調速、變極調速和變轉差率調速三種。山東大學碩士學位論文變極調速變極調速的方法只適用于具有特殊結構的三相鼠籠式感應電動機，這種方

16、法需要在電動機運行時，切換定子繞組的聯接方式。它通過在電動機定子繞組上繞上獨立的兩套或三套不同極對數的繞組，形成雙速或三速電機，這種方法會使電動機的成本、體積和重量大大增加，而且改變極對數的方法只能是有級調速。變轉差率調速通過改變轉差率的方法實現交流電動機機調速的方法有多種：對于繞線式電動機而言，可以通過在轉子繞組中串入電阻來實現。通過改變定子電壓的方法，也可以實現變轉差率調速跚。定子電壓的改變可以通過一轉換或串入自耦變壓器的方法來實現。另外，采用電磁轉差離合器或者串級調速的方法，也可以改變轉差率實現調速。但變轉差率的調速方法，都是以轉差功率損耗為代價的，浪費大，效率較低。變頻調速所謂變頻調速

17、，就是運用相應的控制算法，按照一定的規律控制逆變器三對橋臂功率管的通斷，將恒壓、恒頻的三相交流電通過逆變器變為電壓和頻率均可調的三相交流電，供給交流電動機的定子，以實現平滑的交流電動機調速。變頻調速的優點在于：改變同步頻率，時，轉差率基本保持不變，因而轉差損耗小，機械特性較硬，調速精度高，能實現寬范圍的平滑調速，適用于對于調速性能有較高要求的場合。三十年代，就有人提出交流變頻調速理論，但由于缺乏理想開關組件而一直未獲推廣；五十年代末，美國通用電氣公司推出了電力半導體組件晶閘管（可控硅），給變頻技術提供了劃時代的基礎硬件：而發達國家變頻調速器的生產，大多始于六十年代末期；七十年，席卷工業發達國家

18、的石油危機，促使他們投入大量的人力、物力、財力去研究高效率的變頻調速器，使變頻調速技術有了很大發展并得到推廣應用；八十年代，變頻調速已產品化，性能也不斷提高，發揮了交流調速的優越性，廣泛的應用在各工業部門，并且部分取代了直流調速；進入九十年代，由于新型電力電子器件如（絕緣柵雙極晶體管）、（集成門極換流晶閘管）等的發展和性能的提高，計算機技術的發展（如由位機發展到位機以及運算速度的提高，發展山東大學碩士學位論文了數字信號處理器等）和新控制理論的應用（如磁場定向矢量控制、直接轉矩控制）等原因，極大地提高了變頻調速的技術性能，促進了變頻調速技術的發展，使變頻調速器在調速范圍、調速精度、動態響應、輸出

19、性能、功率因數、運行效率、使用的方便性等方面都是其他交流調速方式不可比擬的，也超出了直流調速的性能指標，完全可以取代直流調速。現在交流變頻調速以其優異的性能而深受各行業的普遍歡迎，取得了很好的經濟效益。交流變頻調速技術的優越性體現在兩個方面：其一是節約電能，特別是在風機、水泵等設備的節能運行中，節能效果十分顯著；其二是卓越的調速性能，可以滿足許多工藝條件對調速的要求，提高了產品的產量和質量，提高了工藝自動化水平。據統計，我國電動機裝機總容量約億多，其用電量占當年全國發電量的，而風機、水泵設備裝機總功率達億，年耗電量，約占當年全國電力消耗總量的。而應用變頻器節電率一般在，投資回收期年，經濟效益相

20、當可觀。所以大力推廣應用變頻調速技術不僅是當前推進企業節能降耗、提高產品質量重要手段，而且也是實現經濟增長方式轉變的必然要求。交流變頻調速的基本類型恒壓頻比控制岫圖開環恒壓頻比控制山東大學碩士學位論文圖帶轉差調節的恒壓頻比控制圖所示為一類簡單的感應電機開環恒壓頻比控制框圖。在該控制器中，被控標量為參考電壓與參考同步轉速（頻率）的幅值。該控制策略被稱為恒壓頻比（四控制的原因是電壓信號由頻率信號西乘常數研，直接得到。為了獲得關于轉子轉速的最大轉矩（陋。螄），有必要保持額定氣隙磁通不變。在穩態中，氣隙磁通可寫為：妒。一（）在高頻段定子電壓壓降可以忽略，氣隙磁通可近似為：（）。一（）因此，為了保持恒定

21、的磁通，壓頻比必須保持恒定。該近似方法只在高頻段有效（額定頻率以上），在低頻段定子電壓壓降很明顯，磁通和轉矩都將減小。因此，為了克服這個問題，使得額定氣隙磁通和轉矩在接近零轉速時仍有效，在電壓信號外另附加了一個激勵電壓。感應電機在基頻以上可以正常工作。感應電機在基頻時達到輸入電壓上限，當頻率上升時電壓保持不變。此時，俾不再保持恒定，而且磁通將減小。現在電機工作在弱磁區域。在開環電壓控制中，交流線電壓的波動和壓降將導致氣隙磁通的波動。通過旌加閉環電壓控制可以避免氣隙磁山東大學碩士學位論文通波動。在開環速度控制中，如果負載轉矩增大，在穩定性允許范圍內，轉差將會增大，在電磁轉矩和負載轉矩之間會保持平

22、衡。但是，轉子轉速會因負載轉矩的變化而產生漂移。如果開環控制時速度的漂移過大，可采用閉環速度控制。速度環誤差信號提供頻率信號。在穩態運行中，如果參考速度階躍上升，轉差將會超過轉矩失控上限，系統變得不穩定。可通過轉差調節來保證轉差頻率不會使轉矩失控。在這種控制策略中，速度控制環誤差通過一個比例一積分（）控制器和限制器產生轉差參考信號。速度信號加轉差信號就產生了同步轉速信號。同步轉速信號通過一個包括了低頻定子壓降補償的電壓頻率函數發生器產生電壓信號。因為轉差正比于電磁轉矩，這種方案可看作是在一個速度控制環內的轉矩控制。該控制系統如圖所示。在一個階躍上升的速度參考信號激勵下，電機的轉差速度與負載轉矩

23、有關。必須注意，轉差頻率不能使它所對應的電磁轉矩失控。這個問題可通過在控制中引入一個電流限制控制器來克服，其作用是控制速度的上升速率使得電機的電流不至于過超調。如同早先提到的那樣，控制方案的缺點是會導致氣隙磁通的漂移，由此導致的轉矩對轉差電流或定子電流的轉矩的敏感性會變化，從而降低電機工作效率。為了獲得良好的磁通控制性能，可采用一種基于上述閉環速度控制的控制技術。附加一個與速度控制環相似的磁通控制環，將參考磁通與反饋磁通相對比，產生電壓信號。直接磁通控制環解決了磁通漂移的問題。恒壓頻比控制可以說是最簡單的交流變頻調速技術，它在工業領域有著極為廣泛的應用。其結構簡單，易于實現，通常可以不使用速度

24、反饋。但是，由于這種控制方式，不直接對電動機的定子磁鏈和電磁轉矩進行控制，故控制系統不論是轉速響應還是轉矩響應，都不能達到較高的控制精度。即便如此，如果控制參數設置合理，其轉速控制精度仍然可以達到（轉速極低時除外），動態響應約為”。山東大學碩士學位論文電流轉差控制利用電流轉差方法的速度控制方法如圖所示。該控制器控制的標量是定子電流的幅值和定子同步轉速。該控制方案需要速度反饋以控制轉差速度，并且不能以控制的開環狀態工作。在該控制方案中，加到電機上的轉矩信號如同一個轉差信號或電流信號。電流轉差之間的關系用于計算轉差或電流信號。與、佃控制器類似，保持電流轉差關系以使電機磁通受控。在基頻之上調節電流轉

25、差關系同樣可使電機在弱磁區域運行。該電流轉差調節方案比、，方案提供了更好的動態響應性能，但其缺點是需要速度變頻器和電流變頻器。圖電流轉差控制矢量控制在感應電機調速系統中，采用恒壓頻比方式進行開環控制的方法，實際上只控制了電機的磁通而沒有控制電機的轉矩，只適用于風機之類負載基本穩定，而且對調速性能要求不高的場合。轉差控制推導出電機的轉差頻率和穩態轉矩之間的關系，可在一定的轉差范圍內控制電機的電磁轉矩，從而改善系統的調速性能，但是轉差控制基于電機的穩態模型，沒有考慮電機的瞬態過程，其動態性能也不理想。為使電機獲得良好的動態性能，控制系統必須能靈活有效地控制電機動態轉矩，這就需要一種建立在電機山東大

26、學碩士學位論文動態模型基礎上的控制方法。矢量控￥（）就是這樣的控制方法圖矢量控制系統原理框圖矢量控制的思路是把三相感應電機等效為兩相口靜止系統模型，再經過旋轉坐標變換為按轉子磁場定向的兩相同步旋轉坐標系下的模型。電流矢量是一個空間矢量，因為它實際上代表電機三相產生的合成磁勢，是沿空間作正弦分布的量，不同于在電路中電流隨時間按正弦變化的時間向量。定子電流矢量分解為與軸平行的產生磁場的分量勵磁電流和與軸平行的產生轉矩的分量轉矩電流，前者可以理解為勵磁磁勢，后者可以理解為電樞磁勢。通過控制，大小也就是電流矢量的幅值和方向（坐標系統中的見角）去等效地控制三相電流，的瞬時值，從而調節電機的磁場與轉矩以達

27、到調速的目的“。矢量控制模仿直流電動機的控制方式，直接對交流電動機的磁鏈和轉矩進行控制“”，其轉速控制精度可以達到，轉矩控制精度可以達到。在使用速度傳感器時，即便是在速度較低的情況之下，仍然可以達到較高的控制精度。它的主要缺點是：轉子磁場定向較為困難，需要使用旋轉坐標變換，系統計算量較大，所用到的電動機參數較多，因此易受電動機參數變化的影響，需要對電動機參數進行準確的辨識“”。山東大學碩士學位論文直接轉矩控制直接轉矩控制（）于世紀年代由日本學者和德國學者首先提出，是發展較快的一種電機高性能控制方法，目前已經得到越來越廣泛的應用在傳統直接轉矩控制方案中，它以系統的轉矩誤差、磁鏈誤差以及定子磁鏈的

28、位置為參考量，通過合理的選擇逆變器的開關狀態，控制定子磁鏈的走走停停，從而達到對電動機的定子磁鏈和電磁轉矩進行直接控制的目的。直接轉矩控制直接在定子坐標系下分析交流電動機的數學模型，不需要與直流電動機做比較、等效、轉化等，因此避開了復雜的矢量旋轉坐標變換。直接轉矩控制以定子磁場定向，只需要電動機的定子參數，從而減少了參數變化對系統性能的影響，其目前已經成為交流傳動領域研究的一個新熱點“。公司于年開發出了能投入商業運行的直接轉矩控制電機。圖直接轉矩控制原理框圖圖為直接轉矩控制的原理框圖。直接轉矩控制一般利用定子漏磁通，也可以基于轉子漏磁通或勵磁漏磁通。如圖所示，感應電機由電壓源逆變器驅動，定子漏

29、磁通和電磁轉矩由逆變器的切換模式的選擇直接控制，而且彼此相互獨立。切換模式的選擇用于限制漏磁通和轉矩誤差在各自的滯后頻帶內和獲得快速的轉矩響應。磁通比較器和轉矩比較器的輸出用于在逆變器切換表中選擇最優切換，同時用于獲得定子漏磁通空間矢山東大學碩士學位論文量的位置。可以看出該控制方案需要定子漏磁通估計器和電磁轉矩估計器。定子漏磁通可通過綜合終端電壓減去電阻壓降來估計得到。但由于定子電阻的變化，在低頻段估計值會有較大的誤差，因此需要加入其他的估計方法來獲得定子漏磁通的準確值。直接轉矩控制的優點是控制算法簡單，魯棒性好，不需要控制以及坐標變換，實現了轉矩和磁通的解耦控制及轉矩響應迅速。缺點是轉矩的頻

30、譜包含大量不可預測的諧波，有可能導致機械共振和失誤；低速時轉矩和磁通控制困難；沒有電流調節器，無法對電流進行直接控制等。無速度傳感器矢量控制技術國內外研究現狀以轉子磁場定向的矢量控制系統已經廣泛應用在高性能的工業應用場合，由于矢量控制需要轉速閉環，因此很多情況下，人們是利用同軸安裝的速度傳感器測速。但是精密的速度傳感器價格很高，且在某些惡劣環境下無法安裝速度傳感器的，因此近年來研究較多的是無速度傳感器矢量控制技術。對于無速度傳感器系統，由于電機終端可測量的只有電壓和電流，因此轉速和轉予磁鏈只能通過電壓和電流計算得到。根據電機數學模型，通過電壓和電流計算轉速和轉子磁鏈的方法很多“”，常用的速度觀

31、測器包括模型參考自適應（）速度觀測器和擴展濾波器。基于模型參考自適應系統的估計算法利用模型參考自適應系統（：）估計轉速和轉子磁鏈的方法是較早時期提出來的，啪在年提出利用一種基于模型參考自適應系統，利用電機定子電流信號進行轉速估計的方法，他以電機轉子磁鏈的電壓模型（公式（）作為參考模型，電機的電流模型（公式（）作為可調模型，建立一個模型參考自適應系統來估計電機轉速，利用超穩定性定理給出了轉速估計的算法。這是首次把模型參考自適應系統應用于電機矢量控制的文獻報告，人們在此山東大學碩士學位論文基礎上對采用的矢量控制進行了大量研究。匿：】。一每足足】乏】專【：】，酬號二】瞄：】專【筆】（）等。”利用提出

32、的方法得到轉速估計值，利用控制系統中狀態觀測器理論設計了一個降階觀測器對轉子磁鏈進行觀測，通過的試驗研究表明系統轉速估計收斂于給定值，但試驗的轉速超調相對較大。等池”提出了一種估計轉速的新方法：轉速自適應磁鏈觀測器，這是以電機在兩相靜止坐標系中的狀態方程作為參考模型，將全階狀態觀測器作為可調模型構成的一個轉速自適應觀測器，通過調節觀測器的轉速信號實現轉子磁鏈的自適應觀測。叫采用同樣的觀測器進行轉速估計，不同的是，是通過的超穩定性定理推導得出參數自適應，則是利用了基于李雅普諾夫定理得到參數自適應律。以上的轉速估計和磁鏈觀測方法在參考模型中需要一個積分環節，并且受到定子電阻變化的影響，對此等嘶提出

33、一種改進的模型參考自適應方法，他以如式（）和式（）所代表的定子反電勢代替轉子磁鏈作為參考模型和可調模型的觀測對象，從而避免了在參考模型中的純積分運算，在低速時具有較好的轉速估計能力。氣（球。吐魯）。一。百一。（，。，。，）（）（）山東大學碩士學位論文基于擴展卡爾曼濾波的狀態估計算法通過分析感應電機在兩相坐標系的數學模型，這是一組非線性方程，將這組方程和機械運動方程聯合起來，且如果認為電機轉速在短時間（采樣周期）內保持不變，將構成一組新的非線性方程。其中的狀態變量為。妒。妒咿珊，】，而定子電壓。啦，為輸入變量，輸出為卜按照系統辨識的方法，對非線性方程進行狀態估計的有效方法是擴展卡爾曼濾波算法，因

34、此人們自然想到利用卡爾曼濾波來估計轉速和磁鏈的方法。濾波器是一種最小方差意義上的最優估計遞推算法，擴展濾波器（，簡寫為）是濾波器在非線性領域的推廣嘲。濾波器能在噪聲環境下和系統模型不太確定的情況下得到精確的狀態變量估計。應用于感應電機參數估計，把電機運動看成一個隨機過程。將待估計參量（如轉子轉速、轉子電阻、轉子時間常數、負載轉矩等）作為增加的狀態變量，基于擴展的感應電機非線性模型進行估計。可以根據測量值選擇適合的狀態模型，應用很靈活。在矢量控制系統中，轉子時間常數對系統動態性能影響很大，等伽（）提出一種利用擴展卡爾曼濾波估計轉予磁鏈和時間常數的方法，作者從電機的數學模型出發，推導出以轉予磁鏈和

35、時間常數為狀態變量的降階狀態方程，然后利用擴展卡爾曼濾波算法對這三個變量進行估計，計算過程中認為其他量都是已知量，對算法的仿真結果表明變量估計值很快收斂于實際值，說明這種方法可以在線估計電機狀態參數。等通過分析感應電機的狀態方程，認為由于定子電流已經測得，不需要再估計，因此得到以轉子磁鏈和轉速為狀態變量的階狀態方程，利用擴展卡爾曼濾波對變量進行估計，并利用開發系統進行了試驗研究，實驗結果顯示出算法的正確性。此外，等也對基于擴展卡爾曼的轉速估計進行了研究，公司的研究報告州則是利用擴展卡爾曼濾波對電機的定子電流、轉子磁鏈和轉速個狀態變山東大學碩士學位論文量同時進行估計。相比其他估計方法，具有：抑制

36、噪聲干擾，提高狀態估計準確度的優點，估計精度受到電機參數變化的影響較小，但其計算工作量較大；需要調整的參數較多，參數設置不適合將影響收斂速度，可能引起系統不穩定。其他速度辨識方法在電機理想模型下，除以上兩種種應用比較廣泛的速度觀測器外，其他速度辨識方法還包括：動態速度估計法、自適應控制器法、神經網絡法、轉子齒諧波法和高頻注入法。雖然辨識速度的方法很多，但仍有許多問題有待解決，如系統的精度、復雜性和系統的可靠性間的矛盾、低速性能的提高等。不論是采用以上介紹的方法，還是利用其他的估計方法。”，對變量估計或觀測的準確性是至關重要的。如今隨著各種新的控制理論的提出，以及具有高速處理能力的微處理器的研制

37、成功，計算速度不再是限制控制算法的瓶頸，使得人們可以把最新的控制算法用于電機控制，不斷地提高矢量控制系統的各種性能。本文的主要工作與內容安排本文的主要工作（）將應用于線性系統中的卡爾曼濾波器應用到非線性感應電機系統中，設計了一種基于擴展卡爾曼器的閉環無速度傳感器控制方案。對定子電流，轉子磁鏈和轉子轉速同時進行觀測，有效抑制了噪聲干擾。（）對擴展卡爾曼濾波器的全階模型進行推導轉換，得出全新的降階卡爾曼濾波器，簡化了濾波器結構，減少了運算時間，更加有利于實時運行。（）設計了一種基于加權采樣點線性自回歸方法的無偏卡爾曼濾波器，對非線性電機模型用統計傳播的方法進行處理，有效抑制了泰勒展開式截斷山東大學

38、碩士學位論文帶來的靜態誤差過大，更適合實際應用中與對非線性感應電機系統的狀態參數的觀測和估計。本文的內容安排第章緒論：簡要地綜述了感應電機速度控制和速度辨識算法的研究與進展。介紹了它們的基本工作原理和優缺點。第章預備知識：介紹了電機在三相坐標系、兩相靜止坐標系、兩相同步旋轉坐標系下的模型及狀態空間模型。介紹了卡爾曼濾波算法的基本思想和基本原理。第章開環磁鏈觀測及基于模型參考自適應的速度估計器：電壓模型磁鏈觀測器在高速時觀測效果優越，但存在純積分環節。難以應用于低速觀測。電流模型觀測器在低速時表現良好，但輸入量需要速度傳感器提供轉子轉速信息。基于模型參考自適應的速度估計器則利用電壓模型作為參考模

39、型，電流模型作為可調模型，結構簡單，控制方便。仿真結果證明了其估計的有效性。基于擴展卡爾曼濾波器的感應電機無速度傳感器矢量控制：采用工程實際中常用的泰勒公式截斷的方法處理感應電機非線性模型。通過計算系統矩陣和觀測矩陣的雅克比行列式代替原來的非線性矩陣。利用系統變量估計協方差的自回歸更新來計算每個采樣周期內的卡爾曼增益，作為電機參數估計的補償量。估計的轉速并入電機矢量控制系統中組成無速度傳感器控制系統。在使用的系統方程和觀測方程中，加入了反映建模噪聲和測量噪聲的噪聲矩陣，可以有效的削弱環境噪聲對擴展卡爾曼濾波器估計性能的影響。并且無需純積分環節，避免了積分初值和零漂問題。在可用于低速時對磁鏈和轉

40、速的觀測。最后通過與模型參考自適應方法的對比仿真證明了其觀測的有效性及優越性。第章山東大學碩士學位論文第章基于新模型的降階卡爾曼濾波器感應電機無傳感器控制：該改進卡爾曼濾波器的優點在于將原先使用的五階電機方程將為三階，省去了定子電阻項參數，避免了因溫升帶來的參數擾動。降階卡爾曼濾波由于其簡化的結構更利于實時計算，并且在每個采樣周期內對轉子轉速重新預測，加強了估計的準確性。仿真結果證明了該改進卡爾曼濾波器的有效性。第章基于無偏卡爾曼濾波器的感應無速度傳感器矢量控制：沿襲了卡爾曼濾波器的算法構架，但在處理感應電機非線性模型時，使用變換的方法，通過基于先驗概率知識選擇的確定性采樣點（）來捕獲系統變量

41、的相關統計特征，根據非線性映射后的點集重建系統變量的估計值。無偏卡爾曼濾波器計算量與算法相當，在處理非線性系統時有更加顯著的優勢。仿真實驗證明了該觀測方法的有效性。第章總結與展望：總結了本文的主要工作，指出了值得深入探討的問題，最后給出了進一步研究的方向。山東大學碩士學位論文第章預備知識引言本章將介紹有關坐標變換、感應電機數學模型和卡爾曼濾波算法基本理論的有關知識。所有電機的電磁轉矩都是由主磁場和電樞磁場相互作用而產生的。因此，要弄清感應電機的調速性能為什么不如直流電機，必須對感應電機和直流電機的磁場情況進行比較：（）直流電機的勵磁電路和電樞電路是相互獨立的；而感應電機的勵磁電流和負載電流都在

42、定子電路內，無法將它們分開。（）直流電機的主磁場和電樞磁場在空間是互相“垂直的”（互差，電角度），而感應電機的主磁場與轉子電流磁場間的夾角和功率因數有關。（）直流電機是通過獨立地調節兩個磁場中的一個來進行調速的，感應電機則顯然不能。直流電機和感應電機的比較引發了人們的思考，如果在感應電機中，也能夠對負載電流和勵磁電流分別進行獨立的控制，并使它們的磁場在空間位置上也能互差，電角度的話，那么，其調速性能就可以和直流電機相媲美了。這成為相當長時間內人們的追求目標，并終于通過矢量控制方式得以實現。坐標系與坐標變換對感應電機作如下假設：忽略空間諧波。設三相繞組對稱（在空間上互差。電角度），所產生的磁動勢沿氣隙圓周按正弦規律分布；忽略磁路飽和，各繞組的自感和互