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