一种基于观测器的永磁同步电机的新的控制方法

摘要

首先，用永磁同步电机(PMSM)的数学模型分析了它的可控制性和可观测性。在此基

础上，建立了基于定子磁链的全维状态观测器。此观测器替代传统的纯积分定子磁链状态
观测器用于永磁同步电机直接转矩控制(DTC)系统。仿真结果表明这种全维状态观测器成
功的实现了对定子磁链的估计，尤其是在接近零速时，并且对参数变化显示了很强的鲁
棒性。

1 前言

对定子磁链观测的精确度直接影响永磁同步电机直接转矩控制的性能。永磁同步电机

直接转矩控制所使用的传统的观测器是基于出积分的，这种方法很好实现而且只需要定
子线圈的电阻这一个参数即可。纯积分的使用不可避免会带来一些问题，比如，阻力系数
漂移，初值大小，由定子线圈电阻引起的误差的累加。

已经有各种不同的研究试图避免由使用纯积分带来的不利因素。在文献 3 中，J.H 介

绍了三相改进积分器用于观测感应电机的定子磁链，这种方法解决了使用纯积分带来的
阻力系数漂移和初值问题。在文献 4 中，H.Y 提出了一种用于感应电机定子磁链观测系统
的全维状态观测器。通过使用定子观测器，系统实现了很好的性能，并且在运行条件改变
和参数变化时显示了很强的鲁棒性。

这种定子观测器已经被广泛的应用在感应运动的直接转矩控制系统和永磁同步电机

的调速系统中。在文献 8-10 中，分别介绍了全维状态观测器，降阶观测器和扰动观测器
用于永磁同步电机调速系统中的情况。然而，以上提到的观测器都没有解决永磁同步电机
的问题。几乎没有文章提到使用状态观测器用于永磁同步电机直接转矩控制系统。

在本文中，提出了将全维状态观测器使用于观测永磁同步电机直接转矩控制系统的

定子磁链，使用永磁同步电机的数学模型分析了永磁同步电机的可控制性和可观测性，
在此基础上，设计了一种全维定子磁链观测器。仿真结果表明，比起使用传统的纯积分观
测器，系统拥有更好的稳态特性和动态响应

2 永磁同步电机的数学模型

在图 1 中，表示了永磁同步电机的磁链、电流和电压的关系。dq 轴坐标系建立在转子

转动的坐标系的基础上，d 轴的正方向是转子磁链的正方向。xy 坐标系建立在定子坐标系
的基础上，x 轴的正方向是定子磁链的正方向。当忽略定子电阻时，定子磁链和转子磁链
的角度定义为功率角。

此永磁同步电机数学模型基于以下假设：

忽略电枢饱和
忽略磁滞损耗和涡流
转子上没有阻尼绕组

则永磁同步电机的电压、转矩和电流关系可以用以下各式描述：