异步电机（感应电机，IM_FOC_sensor）转子磁链观测器的整理学习-全阶磁链观测器
引言：异步电机的转子磁链观测器，常见的有开环和闭环两种。开环的有电流型磁链观测器和电压型磁链观测器等；闭环的有全阶磁链观测器和混合模型磁链观测器等。接下来分几期文章重点学习和整理转子磁链观测器的内容并进行验证分析其特点和性能。
图1 基于转子磁链观测器的异步电机矢量控制系统框图
一、为什么要使用转子磁链观测器
1.1 转子磁链观测器简述
转子磁链观测器根据实现的不同分为开环和闭环两大类，输入无非就是电压、电流和转速。选用不同类型的观测器，其估算结果受多方面因素的影响，一般是观测器的本身属性决定、温度、电机参数、运行速度范围和加载情况等。
1.2 转子磁链观测器的作用
磁链是高性能交流感应电机调速系统实现的关键，而磁链在实际应用中较难采用传感器直接检测，所以现代交流电力传动控制系统通常用磁链观测模型来进行估计。
在磁链估算过程中，不能忽略电机参数与外部干扰信号的影响。磁链观测器的设计首先考虑的就是抑制扰动、提高磁链的估算精度。
二、全阶磁链观测器验证
2.1 全阶磁链观测器的实现和分析
图2.1 全阶磁链观测器的结构框图
全阶磁链观测器采用了现代控制理论中的状态估计和状态反馈，其特点是利用可测量的输入变量和输出变量来重构不能直接测量的状态，并进行状态反馈，以获得较高的性能。通过配置极点的方法，可以控制系统的动态性能。当观测器的阶数和系统的阶数相同时，称之为全阶磁链观测器。
注：X是状态变量，共分为三种组合；G是反馈矩阵；
全阶磁链观测器相比较于开环模式的磁链观测器的一大优势在于可以通过设计反馈矩阵来调节观测器的收敛速度、稳定性以及参数的鲁棒性，因此反馈矩阵的设计对于全阶磁链观测器来说至关重要。
本期文章先只介绍一组状态变量和一种反馈矩阵的设计方法（基于极点配置），进行相关实现方式的整理，如下：
图2.2 电机极点和观测器极点随转速变化而变化的变化情况
2.2 全阶磁链观测器中的反馈矩阵设计（重点）
现阶段，误差反馈矩阵的设计方法主要分为以下4种：
1、使观测器极点实部小于异步电机极点的实部；
2、按估计转子磁链的误差设计；
3、不考虑观测器极点与异步电机极点的关系，仅要求观测器和估计转速收敛稳定；
4、误差反馈矩阵系数全部为0；
以上4种误差反馈矩阵的设计方法各有其优缺点:
1、误差反馈矩阵全部为零；
当误差反馈矩阵系数都为零时，观测器极点与电机极点重合，观测器稳定；估计转速开环传递函数在低速发电区域的零点存在正实部，而实际应用中为了使估计转速能够迅速跟踪实际转速的变化，转速估计增益都设置的比较大，此时估计转速闭环传递函数在低速发电区域的极点会具有正实部，即转速估计即存在不稳定区域；估计转子磁链对电机参数较敏感。
2、基于观测器极点配置的反馈矩阵设计；
观测器具有较快的收敛速率，估计转速存在不稳定区域，当电机参数不准确时，估计转子磁链误差较大。
3、基于转速估计稳定性分析的反馈矩阵设计；
采用反馈矩阵后，对观测器的离散化方式有较高要求；估计转速在全部转速范围内能够稳定；当电机参数不准确时，定子电阻对估计转子磁链没有影响，转子电阻和电机互感对估计转子磁链的影响较小。
三、MATLAB/Simulink仿真验证和分析
a、300rpm
b、1200rpm
图3.1基于全阶磁链观测器的异步电机有感矢量控制系统波形变化
图（3.1）分别测试300rpm和1200rpm转速下的全阶磁链观测器闭环下的整体仿真系统的运行情况。磁链正常观测并经过积分得到同步角，使电机正常运行，测试实现的全阶磁链观测器的正确性和可行性。
四、硬件实验平台验证和分析（暂未更新）
五、总结
5.1 后续的工作内容（在下一期文章中展现）
1、异步电机转子磁链观测器的部分大致就学习验证这四种：电流型磁链观测器、电压型磁链观测器、混合模型磁链观测器和全阶磁链观测器。后续会只针对部分改进型进行单独学习验证；
2、重点把仿真框架中的PI调节器的实现进行优化一下，并联型、位置式、加抗积分饱和、衰减处理的PI调节器实现，加一些误差限制和积分项处理等，尽可能的优化PI调节器的实现；
3、后面开始针对电流环优化的方向，学习整理一些相关的内容；
4、预励磁内容的学习和应用；
5、提高问题的分析能力；
