感應(yīng)電機(jī)矢量控制需要準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)速值以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。實(shí)際中一般利用轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速，如旋轉(zhuǎn)變壓器和光電編碼器等，這些裝置技術(shù)成熟，測(cè)量精度較高，但在一些對(duì)環(huán)境、空間以及可靠性要求苛刻的場(chǎng)合，存在測(cè)量精度下降、線路維護(hù)困難等問題，特別是當(dāng)發(fā)生浸水、振動(dòng)偏心等情況時(shí)無法正常工作，這些問題均會(huì)降低電機(jī)系統(tǒng)的可靠性，限制其應(yīng)用范圍。

為提高電機(jī)系統(tǒng)的可靠性，可采用無速度傳感器轉(zhuǎn)速估計(jì)方法作為替代或者冗余。目前轉(zhuǎn)速估計(jì)方法主要有兩類，第一類方法基于電機(jī)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，如全階狀態(tài)觀測(cè)器、擴(kuò)展卡爾曼濾波（Extended Kalman Filter, EKF）、滑模觀測(cè)器和模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)（Model Reference Adaptive System, MRAS）等方法，這類方法依賴電機(jī)數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性，在使用過程中不可避免地受到電機(jī)參數(shù)變化的影響；第二類方法利用電機(jī)固有的磁凸極結(jié)構(gòu)特性獲取電機(jī)轉(zhuǎn)速信息，如轉(zhuǎn)子槽諧波（Rotor Slot Harmonics, RSH）法和高頻信號(hào)注入法等，這類方法對(duì)電機(jī)參數(shù)變化具有較強(qiáng)的魯棒性，在可靠性和穩(wěn)定性上具備一定優(yōu)勢(shì)。

籠型感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子各向異性較弱，適宜利用轉(zhuǎn)子齒槽效應(yīng)產(chǎn)生的磁凸極進(jìn)行轉(zhuǎn)速估計(jì)，而高頻信號(hào)注入法會(huì)增加電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)子凸極效應(yīng)要求較高，所以本文沿襲轉(zhuǎn)子槽諧波法的思路開展研究。

自20世紀(jì)90年代起，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開始嘗試?yán)枚ㄗ与娏髦械霓D(zhuǎn)子槽諧波估計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)速。該方法操作簡(jiǎn)便，成本低廉，然而其應(yīng)用范圍受到電機(jī)結(jié)構(gòu)限制，當(dāng)轉(zhuǎn)子槽數(shù)與電機(jī)極對(duì)數(shù)的比值為奇數(shù)或分?jǐn)?shù)時(shí)，定子各槽中的轉(zhuǎn)子槽諧波感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相互抵消，不會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)子槽諧波電流。此外電機(jī)定子電流中的轉(zhuǎn)子槽諧波幅值很小，尤其當(dāng)電機(jī)輕載或定子相電壓較小時(shí)，與附近頻域的諧波及電磁噪聲相比幅值區(qū)分度不大]，降低了轉(zhuǎn)速測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性。

針對(duì)基于定子電流的轉(zhuǎn)子槽諧波法存在的問題，有學(xué)者提出引出定子繞組的抽頭進(jìn)行連接作為探測(cè)線圈，所得轉(zhuǎn)子槽諧波信號(hào)不會(huì)由于電機(jī)結(jié)構(gòu)抵消為零，同時(shí)對(duì)信號(hào)處理有一定簡(jiǎn)化作用，但只能應(yīng)用于三相電機(jī)。還有學(xué)者提出在感應(yīng)電機(jī)外殼加裝導(dǎo)磁物質(zhì)，在其上布置線圈感應(yīng)轉(zhuǎn)子槽諧波電壓。這種方法可以顯著簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)速估計(jì)算法，適用范圍更廣，但線圈中轉(zhuǎn)子槽諧波信號(hào)幅值較小，信噪比差，難以保證在極端工況下轉(zhuǎn)速估計(jì)的準(zhǔn)確性。

本文提出一種在電機(jī)內(nèi)部布置感應(yīng)線圈感應(yīng)轉(zhuǎn)子槽諧波的方法，提高傳統(tǒng)方法在不同電機(jī)結(jié)構(gòu)條件下的通用性，同時(shí)增強(qiáng)轉(zhuǎn)子槽諧波信號(hào)信噪比。通過研究感應(yīng)線圈的布置方式對(duì)轉(zhuǎn)子槽諧波的信噪比的影響，提出對(duì)感應(yīng)線圈進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，進(jìn)一步增強(qiáng)了轉(zhuǎn)子槽諧波信噪比，降低了信號(hào)處理的難度。通過仿真和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了理論分析和方法的有效性，實(shí)驗(yàn)中轉(zhuǎn)速估計(jì)結(jié)果證明此方法具有良好的精度。

圖6 實(shí)驗(yàn)電機(jī)感應(yīng)線圈實(shí)物圖

結(jié)論

針對(duì)基于定子電流的轉(zhuǎn)子槽諧波法存在的通用性、信號(hào)信噪比和實(shí)時(shí)性方面的問題，本文提出在電機(jī)內(nèi)部布置線圈感應(yīng)氣隙磁場(chǎng)中的轉(zhuǎn)子槽諧波，不同于定子繞組，感應(yīng)線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)中的轉(zhuǎn)子槽諧波不會(huì)受到電機(jī)結(jié)構(gòu)的限制，因此適用范圍更廣。

分析了感應(yīng)線圈跨距與線圈組合信號(hào)合成對(duì)轉(zhuǎn)子槽諧波幅值以及信噪比的影響，通過對(duì)這兩個(gè)要素進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以有效增強(qiáng)轉(zhuǎn)子槽諧波信噪比，提高了方法的可靠性和準(zhǔn)確性。

仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論和方法的正確性，利用優(yōu)化設(shè)計(jì)后的感應(yīng)線圈在電機(jī)中高速運(yùn)行時(shí)具有較高的轉(zhuǎn)速估計(jì)精度，而在電機(jī)低轉(zhuǎn)速運(yùn)行工況仍需繼續(xù)研究可行的處理方法。

進(jìn)一步閱讀，請(qǐng)點(diǎn)擊下方鏈接，訪問期刊官方網(wǎng)站，可下載全文PDF版。

用于感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速估計(jì)的感應(yīng)線圈設(shè)計(jì)方法