工程技术

产业经济

与

—— 科协论坛・ 2012 年第 2 期（下） ——

反电动势。

2.2 基于卡尔曼滤波器的永磁体磁链观测法

上面所介绍的是离线检测，往往是发生故障以后才采取

的检测，但已经是损坏非常严重的了，对于重要的场合，如电

梯的永磁同步电机，就会可能对生命安全构成危险。现阶段

在线检测的线性估计算法是卡尔曼滤波器，卡尔曼滤波器是

一种由卡尔曼（Kalman）提出的用于时变线性系统的递归滤波
器。下列方程列出的是永磁同步电机的离散化非线性测量和

非线性系统模型，其主要目的是将卡尔曼滤波器运用到永磁

体磁链的在线状态估计中。

从上式中可以得出：系统噪声 (t)较多的注重了模型的不

确定性和系统的扰动；

为测量噪声，

则注重了测量的不精确性，

其 u(t)为确定性输入向量；矩阵方差分别为 R 和 Q(t)；初始时
候向量 xt 为其含有方差 P、均值 x 的高斯随机向量。

状态、输入和输出各向量分别为：

计算雅克比矩阵得：

从上面的公式可以得出，

选取定子电流作为输出向量，定

子电压与电感的商作为输入向量，永磁体磁链和定子电流作

为状态向量，永磁同步电机系统就可以描述成一个四阶系统。

因状态变量中含有永磁体磁链，则可通过实对现状态的估计

来达到对永磁体磁链的检测。运用卡尔曼滤波器的相关估计

以及 t

k-1

到 t

采样的时间间隔，可通过下列两步来得出最佳状

态估计 x 以及方差 p。

预测阶段：运用作用于系统的输入向量以及从 t

k-1

到 t

的

时间间隔最新的状态估计来计算状态向量预测值以及状态误

差协方差。可以通过简单的矩形积分技术离散化，预测阶段

的递推可由下列的公式表示：

其中，式中的 T 为采样的时间间隔。再由一个对角阵、一

个时变矩阵以及一个非时变矩阵构成系统的噪声协方差矩阵

Q(t)，

由于实际操作中的系统运行途中对采样时间的中断影响，

可通过一个非时变对角阵 Qd 来取代。

修正阶段：一般运用实际得到的数据来进行修正在预测

步骤得到的状态估计以及状态误差协方差。对应可由下列公

式表示：

其中，

式中的 K

表示滤波器增益矩阵，可通过预测步骤得

到的估计值进行递推得出。

2.3 永磁体磁链动态监测的永磁同步电机控制系统

常规的永磁电机系统是运用转子磁场定向来进行矢量控

制，它是通过电机速度以及负载指令来进行同步的监控电压

极限环，一般电压极限环内进行的是 i=0 的检测方式，不然就
转变为弱磁启动。永磁电机就会通过对磁链同步的检测数据

来鉴定，并且相对应的调节其速度调节器参数、电压极限以及

d-q 轴的定向问题。常规来说，

控制系统的框图由永磁体故障

处理模块、

电流调节器、弱磁控制模块、

速度调节器、位置检测

模块以及永磁体磁链观测器构成。永磁体当前幅值以及偏角

观测的结果将永磁体磁链观测器检测。弱磁控制模块就会跟

据当时的永磁体磁链参数、速度指令以及电机运行状况来提

供 d 轴的电流参考数据。根据永磁体磁链的及时动态信息会
给出永磁体故障处理模块以报警信号，以避免电机产生永久

性的不可逆失磁，更加详细的解决方法与永磁材料型号还有

电机的结构有关系。再有因为系统中永磁体的磁链变化的过

程相比较为缓慢，则可以将永磁体磁链的检测信息导入系统

进行校正，

校正的时间的间隔长度会控制在一到三秒之间，这

样就能确保检测的途中稳定并收敛。同时为防止系统校正的

周期过短，检测的磁链幅值变化以及其角度变化都能通过一

些相应的动作阈值来进行监控，监控会在磁链的幅值变化及

角度差超出了一定的范围后才会进行校正。

3 结论

本文主要谈了永磁同步电机的离线和在线检测。目前，

永磁同步电机的失磁检测主要是离线的，没有预估性，尤其对

于电梯这样的特种设备，电梯厂家应当配备永磁同步电机失

磁的动态检测功能，

以确保人民的生命安全，国家也应当从法

规上强制这一技术标准。

参考文献：

[1]

唐任远, 等. 现代永磁电机理论与设计 [M]. 机械工业出版

社,1997,12.

[2] 林利红.永磁交流伺服精密驱动系统机电耦合动力学分析

与实验[D].重庆大学,2009.

[3]

曹少泳, 程小华. 无刷直流电机无位置传感器的转子位置

检测方法综述[J].防爆电机,2007,(01).

[4] 杜娟,许强,贾正春.永磁同步电动机的反馈线性化控制[J].

船电技术,2003,(01).

[5] 齐凤春.永磁材料的磁稳定性[J].磁性材料及器件,1999,29

(5):26-31.

[6] 黄浩,柴建云,姜忠良,等.钕铁硼稀土永磁材料交流失磁[J].

清华大学学报,2004,44(6):721-724.

[7] 刘毅,贺益康,秦峰,等.基于转子凸极跟踪的无位置传感器

永磁同步电机矢量控制研究 [J]. 中国电机工程学报,

2005,25(17).

[8]

王江,王静,费向阳.永磁同步电动机的非线性 PI 速度控制

[J].中国电机工程学报,2005,25(7):125-130.

[9]

周扬忠,胡育文,田蕉.永磁同步电机控制系统中变比例系

数转矩调节器设计研究[J].中国电机工程学报,2004,24(9):

204-208.